OBE理念下PBL法在嵌入式實訓課程中的實踐探索

摘要：在當前計算機技術迅猛發展的時代背景下，嵌入式系統作為計算機領域的重要組成部分，其應用范圍已覆蓋社會各個行業。為滿足市場對嵌入式技術人才的強烈需求，高校計算機相關專業正在不斷完善嵌入式課程體系。依托成果導向教育（OBE） 理念，采用以學生為主體、以學習成效為導向的項目式學習（PBL） 教學模式，通過實際項目驅動的嵌入式實訓課程進行教學改革與創新。以智能門禁控制系統開發項目為例，該系統成功實現了人員進出記錄、門禁開關控制、權限分級管理等功能模塊，系統響應時間嚴格控制在1秒以內。實踐證明，這種教學模式能有效提升學生的工程實踐能力、創新思維能力以及解決實際技術問題的綜合能力。

關鍵詞：OBE理念；PBL教學法；嵌入式實訓；應用型人才培養；項目式教學；智能門禁系統

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）20-0166-04

0 引言

嵌入式系統是融合計算機技術、半導體技術和電子技術等多學科交叉的專業領域。Gartner公司最新研究數據表明，2024年全球半導體行業收入同比增長17%，嵌入式系統市場規模年增長率突破15%，市場對專業人才的需求日益迫切[1]。在此背景下，應用型高等院校作為培養專業技術人才的主要基地，亟須探索提升計算機嵌入式課程教學質量的有效途徑，以培養兼具扎實理論基礎和突出實踐能力的嵌入式專業人才[2]。

傳統嵌入式實訓教學模式存在明顯不足：課堂教學偏重理論灌輸，實驗環節多局限于驗證性實驗操作，導致學生僅能掌握基礎知識點應用，缺乏解決復雜實際工程問題的能力[3]。OBE（成果導向教育） 和PBL（項目式學習） 教學理念的引入有效突破了這一局限。新教學模式以學生為中心，根據個體差異定制實訓項目選題，取代統一化教學方案，充分激發學生的主觀能動性，推動教育模式從標準化向個性化轉變，強化自主學習意識，培養獨立探究能力。這一創新實踐為嵌入式課程教學改革開辟了新路徑。

1 理論基礎

1.1 OBE 理念

成果導向教育（OBE） 以學習成果為導向，圍繞達成預期成果開展教學。該理念以學生為中心，以學習成果為目標，設計教學模式，并通過成果進行評價。在嵌入式實訓課程下，教師依據行業需求與學生自身職業規劃設計課程目標，確定學生課程學習后應掌握的知識、技能與素養，并據此設計教學內容、選擇教學方法，通過多方多元評價來促進學生學習進展，以達成預期成果[4-5]。

1.2 PBL 教學法

項目式學習（PBL） 是以項目為驅動、以學生為中心的教學法。教師提供項目背景，學生根據項目需求進行分組合作，自主研究解決方案。在嵌入式實訓中，PBL教學法更多依賴于學生自主探索，學生在教師引導下分組合作，圍繞項目需求主動學習新知識、新技術，將項目拆解為子模塊分工協作，發揮學生的主觀能動性，培養學生思考問題并解決問題的能力，提升團隊協作能力。相較于傳統教學，PBL教學法更注重學生主動參與和實踐體驗的過程，激發學生的學習興趣與創新思維[6-8]。

2 研究方法

2.1 教學模式構建

本文結合OBE理念，開展以學生為核心的項目式教學訓練研究，充分發揮學生在整個實訓課程中的主觀能動性。同時引入PBL教學方法，進行項目化管理，由學生進行整個項目中題目的選取，設計以及實施，教師進行從旁指導和糾正[9-10]，構建“以培養目標為引領，兩類選題為支撐，三次匯報為節點，四方評價為保障”的教學模式。具體如下：

1） 以培養目標為導向：嵌入式實訓課程旨在通過項目驅動的教學模式，將理論知識與工程實踐有機結合。通過開展綜合性項目訓練，重點培養學生獨立思考和解決實際工程問題的能力，為社會發展輸送高素質嵌入式專業人才。

2） 以雙軌選題為支撐：基于培養目標，課程提供軟件開發和硬件設計兩類選題方向。項目開發不限定編程語言（支持C/C++、C#或Java等） 和操作系統平臺，但要求代碼功能完整、邏輯嚴謹，充分考慮各類異常處理和邊界條件，力求達到工業級代碼標準而非簡單的教學演示水平。

3） 以階段匯報為抓手：在項目初期方案制定、中期實施和最終驗收三個關鍵節點設置小組匯報環節，便于教師實時掌握項目進展，及時提供專業技術指導。

2.2 教學實施步驟

整體教學實施過程分為以下5個階段：

1） 準備階段：課程伊始，教師通過多媒體教學資源（包括PPT、教學視頻等） 系統講解項目背景知識及相關技術原理，重點幫助學生明確實訓任務目標，啟發解決方案思路。隨后根據學生的專業基礎、個人興趣及團隊協作能力，將其合理劃分為4人項目小組。

2） 選題階段：各項目組開展集體研討，在教師提供的選題框架內，鼓勵學生自主確定具體項目內容，并明確組內分工。組長負責統籌協調，技術能力突出的成員主要負責開發工作，溝通能力強的成員側重資料收集與匯報交流。選題需符合課程教學要求，通常需要綜合運用多門專業課程的基礎知識，注重知識的整合應用。

3） 自主探索階段：各小組根據項目需求制定詳細的學習計劃和進度安排。學生以小組為單位自主開展文獻查閱、新技術學習等工作。在充分調研基礎上，將項目分解為若干功能模塊并進行組內任務分配。遇到問題時遵循“自主查閱-小組討論-教師指導”的解決路徑。

4） 項目實施階段：學生按照分工完成各自任務，其間定期召開組內會議交流進度、解決問題。教師全程提供指導建議，并在項目中期組織檢查評估，及時掌握各項目進展。針對學生技術短板，適時開展個性化或集體技術培訓，補充項目所需技能。

5） 成果驗收階段：項目組選派代表進行15分鐘成果匯報并接受質詢。驗收采用多元評價機制，包括教師從技術實現、創新性、實用性等維度的專業評價，其他項目組的交叉評議，以及本組成員的經驗分享。最終成果須提交至Git平臺，項目報告統一采用Mark?down格式規范撰寫。

3 實施案例

3.1 設計方案與技術路線

以“基于嵌入式的智能門禁系統設計”項目為例：客戶端采用STM32微控制器實現數據接收、解析與設備控制功能，通過ESP8266模塊完成數據傳輸；服務端基于tkinter開發圖形界面，集成SQLite3數據庫管理用戶信息及操作日志。系統采用Base64編碼確保數據傳輸安全，各功能模塊協同工作，實現了智能化的門禁控制。

在確定項目選題和團隊成員后，學生通過前期資料收集、理論學習及基礎實驗已具備必要的嵌入式開發基礎。實訓過程中，采用“教師引導+自主探究”的教學模式，有效達成了預期學習目標。

3.2 項目實施過程

1） 準備階段。

學生結合教師講授內容和自身專業特長，選擇軟件或硬件方向的實訓課題類別。為模擬企業項目組的真實工作環境，選擇硬件方向課題的學生將與其他同方向學生隨機組成4人項目小組。

2） 選題階段。

各小組依據教師提供的項目任務書展開討論，最終確定“基于嵌入式的智能門禁系統設計”作為實訓項目選題。

3） 自主探索階段。

項目組成員圍繞選題開展資料收集與整理工作，制定詳細的實施方案和學習計劃。項目主要包含以下核心模塊：

① STM32微控制器：負責數據接收、解析及設備控制。

② ESP8266通信模塊：實現電腦端與STM32之間的雙向數據傳輸。

③ 電腦端程序：開發具有友好界面的控制程序，支持用戶登錄、指令下發及門禁記錄查詢等功能。

④ 數據傳輸安全：采用Base64編碼解碼技術確保數據在傳輸過程中的安全性與完整性，保證跨設備數據交互的準確性。

小組成員根據上述工作內容進行合理分工，共同完成資料整理并確定初步設計方案流程（如圖1） 。

學生完成實施方案制定后，首先進行項目初期匯報。匯報過程中，教師和其他項目組可針對方案提出建設性意見，學生也能通過觀摩其他組的匯報獲得啟發，進而優化調整自己的方案。

4） 項目實施階段。

在教師指導下，學生按照既定分工有序推進項目實施。根據設計方案，項目被劃分為服務端和客戶端兩大功能模塊，并進一步細分為若干子模塊。具體實施內容包括：

① 硬件連接：完成STM32與ESP8266模塊的物理連接，并成功接入物聯網平臺。

② 數據傳輸：通過BASE64模塊實現數據的加密編碼與安全解碼。

③ 設備控制：LED模塊提供完整的燈光控制功能，包括初始化、點亮、熄滅及閃爍等操作，通過GPIO 引腳精準控制LED狀態。

項目硬件設計原理與具體接線方式詳如圖2 所示。該系統采用tkinter庫構建圖形用戶界面，通過合理的布局設計和組件配置，打造出直觀易用的操作界面。同時系統建立了與SQLite3數據庫的連接，創建了用戶表和記錄表，分別用于存儲用戶信息和操作記錄。通過實現數據庫的增刪改查功能，系統支持用戶數據的添加、刪除、查詢以及登錄/登出等操作。

使用流程如下：學生首先運行服務端程序進入主界面，點擊“開始服務”按鈕后，通過Keil軟件將客戶端程序下載至STM32設備。稍等片刻后，系統日志區域會顯示“連接成功”提示。接著點擊“用戶管理”進入登錄界面，由于初始數據庫為空，用戶需要輸入用戶名和密碼進行注冊，注冊完成后即可成功登錄。如需刪除或查詢用戶信息，只須點擊對應功能按鈕即可。

返回主界面后，“開門”和“關門”按鈕將處于可用狀態。點擊“開門”按鈕時，STM32會執行開門動作（表現為點亮LED燈） ；點擊“關門”按鈕則執行關門動作（熄滅LED燈） 。如需查看歷史操作記錄，點擊“查詢記錄”按鈕即可顯示特定用戶在特定時間執行的開/ 關門操作。系統可視化操作界面如圖3所示。

實施過程中期組內代表進行中期匯報，同樣是教師，組內成員以及其他項目組共同參加，進行互評和自評，促進項目完善。

5） 成果驗收階段。

項目使用git作為版本控制工具維護代碼，養成良好的代碼習慣，最后的項目成果代碼上傳至git，如圖4 所示。

在項目驗收過程中，采用輪換匯報機制，由不同成員分別完成三次項目匯報，以此鍛煉學生的表達能力。驗收工作由指導教師、其他項目組成員以及本組成員共同參與完成。從整體實現情況來看，智能門禁系統已基本達成預期功能目標：服務端通過ESP8266 模塊與STM32客戶端建立穩定連接，成功實現了遠程開關門控制功能。

系統采用Base64編碼進行數據傳輸，測試表明：當服務端觸發開關門指令時，STM32能夠準確響應并執行相應動作，同時服務端也能正確接收并顯示客戶端的反饋信息，這充分驗證了Base64編解碼功能的可靠性。此外，系統還完善了SQLite數據庫管理功能，實現了用戶信息和開關門記錄的規范化存儲。

當前系統已具備進出記錄查詢、門禁控制、權限分級等核心功能，系統響應時間控制在1秒以內。雖然目前僅支持遠程控制方式，但后續可通過集成RC522讀卡器或指紋識別模塊來擴展本地開門方式，從而進一步提升智能門禁系統的功能完整性。

3.3 實施問題與解決方案

在項目實施過程中，學生團隊遇到的主要挑戰可分為技術實施和團隊協作兩大類別。

在技術實施方面，突出表現為數據傳輸穩定性不足和硬件連接異常兩大問題。針對這些技術難題，團隊在教師指導下采取了系統性解決方案：針對數據傳輸不穩定問題，實施了網絡配置優化、硬件布線調整以及關鍵設備更換等措施；對于硬件連接故障，則通過全面檢查線路連接、升級驅動程序等手段來保障硬件系統的可靠運行。

在團隊協作方面，主要存在組內溝通效率低下、意見分歧以及個別成員任務執行能力不足等情況。針對這些協作問題，團隊建立了分級處理機制：首先通過內部會議協商解決，采取任務重新分配或技術方案調整等方式；若內部協調未果，則邀請教師介入指導，進行更合理的任務分工和資源配置。

4 教學成果評估

基于OBE理念和PBL方法來構建以項目成果為基礎，兼顧學習過程的考核評價體系?？己税ǖ膬热萑绫?所示。

該評估體系采用多維度綜合評價方式確保評估的全面性，同時突出過程性評估的重要作用，以促進學生能力的持續發展。整個體系以OBE（成果導向教育） 理念為指導思想，運用反向設計方法，從預設的學習成果出發進行教學設計，確保所有教學活動都緊密圍繞學生需要達成的能力目標展開，從而使評估過程既具有明確的導向性，又具備嚴謹的科學性。

這套教學與考核評價體系已在計算機科學與技術專業大四學生中成功實施，經過多個學期的實踐驗證與持續優化，取得了顯著成效。在OBE教育理念的引領下，教學過程中引入真實項目情境，不僅有效激發了學生的學習熱情和主動性，也為后續畢業設計工作奠定了堅實基礎。通過采用項目式學習（PBL） 方法，為學生創造了優質的團隊協作環境，使其團隊合作意識和溝通協調能力得到明顯提升，為未來職業發展做好了充分準備。在實踐訓練環節，學生不僅掌握了嵌入式開發的實用技能，更重要的是培養了解決實際工程問題的能力，這些都將大幅提升其在就業市場中的競爭優勢。

5 總結

本研究將OBE理念與PBL教學方法深度融合，并將其應用于計算機嵌入式實訓課程教學實踐，成功構建了以項目任務為驅動、以學生發展為中心、以學習成果為導向的創新型教學模式。通過智能門禁控制系統等典型工程案例的實際教學驗證，充分證明該教學模式能夠有效提升學生的工程實踐創新能力和復雜問題解決能力，切實培養出符合行業技術發展需求的高素質應用型專業人才。

需要強調的是，計算機專業實訓課程的教學改革是一項需要持續推進的系統工程。面向未來，研究者將密切跟蹤嵌入式技術領域的最新發展趨勢和行業人才需求變化，持續優化實訓課程的教學內容和實施方法，進一步深化產教融合的校企協同育人機制，不斷完善教學考核與質量評價體系，為培養更多適應產業發展需求的優秀嵌入式技術應用型人才提供堅實的教學支撐。

參考文獻：

[1] 許波，王慶彥.淺談嵌入式實訓在能力提升方面的應用[J].中國建材科技，2021，30（6）：148-150.

[2] 楊璐，高宇鵬，李青云.基于實踐創新能力培養的嵌入式實訓課程教學改革探索[J].科技資訊，2022，20（15）：170-172.

[3] 唐敏，肖波，吳荻，等.OBE教育理念下嵌入式實訓課程教學探索與實踐[J].內江科技，2023，44（12）：100-102.

[4] 楊沙沙.OBE與任務驅動融合在導論課程的研究與實踐：以物聯網工程導論為例[J].物聯網技術，2025，15（2）：159-162.

[5] 徐藝瑋.基于OBE理念與PBL方法對于電工電子技術課程教學路徑探究[J].時代汽車，2025（2）：40-42.

[6] 陳琳，朱穎竑，陳子奇，等.OBE聯合PBL教學法在冠心病血脂管理教學中的應用[J].中國繼續醫學教育，2024，16（21）：69-73.

[7] 陳葉崢“. OBE+PBL” 教學模式在中職計算機專業課程教學中的實踐研究[D].貴陽：貴州師范大學，2024.

[8] 張琦.PBL教學法在工科教學中的應用[J].西部素質教育，2016，2（11）：156.

[9] 張愛敏，王桂龍，高學平，等.線上線下項目驅動式實驗教學模式改革與實踐[J].實驗室科學，2024，27（6）：71-74，78.

[10] 李闖，馮賀林，蘇寶鑫.基于嵌入式單片機的實訓室智能監控系統設計、仿真與實現[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2024，23（3）：11-15.

【通聯編輯：王力】