基于CDIO-OBE理念和課程群的教學改革研究

【中圖分類號】G642.0【文獻標識碼】A

【文章編號】1002-4107（2025）08-0011-04

一、引言

2021年4月，習近平總書記在清華大學考察時強調，推進新工科、新醫科、新農科、新文科建設。“四新\"建設瞄準了科技前沿和關鍵領域，著力加快培養緊缺人才。在這樣的背景下，培養具有社會責任感、創新精神和實踐能力的時代新人正在成為高等教育改革發展的最強音。

在當前大數據、人工智能、物聯網、云計算等新興技術蓬勃發展的大背景下，高等教育正經歷數智時代的巨大變革，高校的專業建設和課程建設應更注重學科交叉、產業融合，充分利用數智化發展成果，緊密結合產業發展前沿，加強對學生社會責任感、創新精神和實踐能力的培養。

文章以“嵌入式\"課程為例，介紹基于CDIO-OBE理念和課程群的教學改革方案設計。“嵌入式”是一門綜合性、實踐性很強的課程。嵌入式系統涵蓋的內容非常廣泛，嵌入式技術在智能汽車、5G通信、航空航天等傳統領域及大模型時代“云邊端\"協同智能發展等新興領域都有應用。CDIO-OBE是將CDIO[構思（Conceive）設計（De-sign）、實現（Implement）運行（Operate）]工程教育模式和OBE（OutcomeBasedEducation，成果導向教育）理念相結合，對“嵌入式\"這類工程性、實踐性很強的課程較為適用。

二、嵌入式\"課程教學現狀分析

電子信息工程專業自2021年開始探索課程群的建設。“嵌入式\"課程作為首批參與課程之一，在課程內容、教學方法和考核方式上進行了初步改革，并取得了一定成效。課程群作為一種構建課程間知識鏈條、促使多門課程融合協同的獨特方式，有助于為學生提供更立體、更直觀的知識應用場景，有利于學生由淺入深、由點帶面地對課程知識進行理解和掌握。首批參與課程群建設的有“嵌入式”“可編程邏輯器件”和“智能終端開發技術\"3門課程，課程設計中采用了自主設計的“智能小車\"作為3門課程融合的\"載體\"3。學生利用3門課程所學的專業知識分別實現了小車的數據采集和控制功能，如傳感器部分、電機與舵機控制部分、通信部分和APP設計部分等，為課程融合提供了新途徑。隨著專業課程群建設的持續推進，“嵌入式\"課程對3年來課程實施過程中出現的問題進行了梳理和總結，主要有以下幾個方面。

（一）實踐課程缺乏理論指導

“嵌人式”課程的實踐學時占課程總學時的三分之二，因此，課程群建設的初步探索階段將重點放在了設計3門課程融合的載體及配套的教學方案設計上，課程的實施過程則緊緊圍繞智能小車的功能實現，使得整個課程設計缺乏針對實踐課程的理論指導，因而，有必要引人合適的教學理念對課程進行系統設計。

（二）實踐內容設計有待改進

“嵌入式”課程實踐內容設計包括基礎知識和綜合實踐2部分。由于學時有限，基礎知識部分對原課程內容做了刪減，將部分內容留給學生自主學習，基礎知識部分的實踐內容則緊緊圍繞綜合實踐項目所需的知識點來進行。從知識完整性上來看，此部分的設計還可以再進行優化。

綜合實踐部分主要是以智能小車的控制為目標的軟硬件設計，即學生通過3門課程知識的綜合應用來實現小車的整體功能。這樣的設計體現了課程群的優勢，不足之處是該設計不夠靈活。實踐證明，學生由于解決不了STM32和FPGA之間的通信問題，使得綜合設計的效果大打折扣。另外，由于沒有Java語言基礎，學生在基于AndroidStudio的APP設計上也困難重重，亟須找到替代方案。

從整體課程內容設計上，大部分實踐過程還是跟著教師設計好的思路走，學生自主設計環節較少，不利于對學生創新精神和實踐能力的培養。

（三）課程內容對新技術、新領域的涉及不足

由于學時有限，“嵌人式”課程在教學過程中對科技前沿的案例涉及較少，這與嵌入式技術在各重要領域中的廣泛應用是不匹配的。在今后的課程設計中，應逐步加人嵌人式技術在各個領域，尤其是前沿領域中應用的介紹，并循序漸進地引入一些科教融匯案例的設計。

（四）考核評價方式有待改進

“嵌入式\"課程是一門實踐性很強的課程，在考核評價時應更注重對學生的過程性考核。但由于學時有限、學生人數較多，教師很難有時間對學生的實踐過程進行充分、合理的考核。如果僅以考勤、實踐任務完成情況作為考核的依據，則區分度不大，且不能真實反映學生的實際學習態度和學習效果。如果以教師的主觀評價作為主要評價依據，則客觀性不足。另外，以分組方式完成綜合任務時總有學生渾水摸魚，而傳統的評價機制對此行為的約束卻不夠。因此，如何設計合理的考查環節以更有效地進行過程性考核，并設計更合理的終結性考核評價機制值得進一步思考。

三、“嵌入式”課程教學改革設計思路

（一）基于CDIO-OBE理念進行課程設計

北京聯合大學在制定2019版培養方案時就采用了OBE理念，課程教學大綱的制定也基于OBE理念。OBE理念強調成果導向、以學生為中心和持續改進，強調個性化評定。首先，制定成果和學習自標（要求）；其次，學生進行彈性的、個性化的學習；最后，在學習完成后對學習成果進行評定，評價是否達成目標，并不斷通過這種反饋對教學過程加以改進。目前，“嵌入式”課程的不斷改革求變就是一個持續改進的過程。對于“嵌入式\"這類實踐性較強的課程，融入CDIO工程教育模式對提高學生的創新能力和工程實踐能力具有實際意義。CDIO是一種基于產品生命周期的工程教育模式，強調工程畢業生應具有工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力。因此，“嵌入式\"課程以CDIO-OBE理念為引領，重新梳理和制定課程目標，設計教學內容，改進考核方式。

（二）以專業課程群建設為依托，合理設計課程內容

“嵌人式”課程經過前期的課程群建設，已經初步形成了一個基于課程群的課程實施方案。該方案以一個智能小車為載體，使課程群中3門課程的內容實現了很好地融合④。在此次改革中，課題組在原有課程群的基礎上，針對原課程方案中存在的問題進行了重新設計。新方案仍以課程群為依托，充分利用前后學期課程間的關聯性及同學期課程間的協同性合理設計課程內容，既保證課程間的知識協同和融合，又充分考慮學生在實施階段可能遇到的困難，為學生提供多種可選方案。

（三）以學生為中心，循序漸進探索科教融匯新路徑

以往的“嵌入式”課程主要以硬件電路搭建和嵌入式軟件開發為主。為了滿足不同層次學生的學習需求，培養學生的科學精神和創新意識，課程應循序漸進地探索科教融匯的新路徑。例如，結合物聯網、智能駕駛、無人機、多傳感器融合、機器人等領域，循序漸進地為學生提供一些應用或開發案例，這樣既可以豐富課程內容，又可以開闊學生的科技視野。

四、基于CDIO-OBE理念和課程群的“嵌入式” 課程教學改革設計

（一）基于CDIO-OBE理念設計課程目標

在CDIO-OBE理念的指導下，“嵌入式\"課程目標總體分為知識目標、能力目標和素質目標3個維度5。結合CDIO工程教育模式中提出的畢業生應具備的工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力，以及結合課程自身的內容和特點設計各維度目標（圖1）。

（二）基于CDIO-OBE理念和課程群的課程實施方案 設計

課程實施方案的設計以學生為中心，著力提高學生的工程實踐能力。課程共計48學時，其中32學時為實驗學時，因此，授課以理實一體的方式全程在實驗室進行。

理解嵌入式系統的含義和特點；了解ARM和STM32的概念；了解幾款常用的嵌入式ARM芯片；掌握嵌入式系統中最小系統的概念；熟悉嵌入式系統中存儲器、知識目標 GPIO、中斷、定時器/計數器、USART、DMA、ADC等基本功能部件的作用和基本工作原理；了解STM32的不同開發方式；熟悉常用的STM32庫函數；了解嵌入式操作系統的基本理論和幾種常用的嵌入式操作系統能熟練使用嵌入式軟硬件開發工具及各種儀器儀表能閱讀芯片手冊和電路原理圖個人專業能力 能熟練使用STM32庫函數和C語言編程實現特課程目標 定功能設計能力目標 自主學習能力 能基于嵌入式芯片進行簡單的系統設計，并能完成電路的硬件設計與實現、程序的編寫與調試（工程實踐能力） 團隊協作能力創新意識素質目標 團隊協作精神堅持不懈、精益求精的精神

由于學時有限，要想更好地實現課程自標，就要充分利用課程群的優勢。一方面，與前期開課的“單片機實訓\"課程做好銜接，這2門課程在能力目標和素質目標方面有較多的共同點，因此，通過該實訓課可以將系統設計的理念先行傳授給學生，并讓學生通過課程設計提前掌握讀原理圖、硬件設計、C語言編程、查芯片手冊等基本技能，打好基礎。另一方面，與同學期開設的“可編程邏輯器件\"和“PCB設計與實踐\"課程協同，使學生能夠更立體、全面地掌握嵌入式軟硬件開發技術。

“嵌入式\"課程以基于STM32F103的開發板作為基礎實驗開發平臺，但由于學時有限，課程實驗并沒有涉及嵌人式操作系統。課程的實施過程由原來的2個階段調整為3個階段，課程融合的載體即“智能小車”也提供了新版本，支持學生多種選擇。具體的課程實施方案設計思路如圖2所示[7-8]。

1.任務驅動，循序漸進

課程內容按照先基礎、再擴展、后綜合的思路分步進行。基礎部分的任務是所有學生都要掌握和完成的，主要是嵌入式芯片最常用的功能部件的應用練習；擴展部分允許學生有選擇性地完成，此部分主要是各種功能模塊在嵌入式系統中的應用，所選的功能模塊可以應用在最后的綜合實踐項目中；綜合部分是要完成一個綜合實踐任務，由學生組建團隊共同完成。

2.設計任務梯度，綜合實踐任務靈活可選

為了滿足不同層次學生的學習需求，基礎部分的任務為梯度設計，難度有區分，由學生自主選擇難度完成任務；擴展部分的任務是可選擇的，要求學生至少掌握和實現2種擴展任務，完成任務的多少在綜合評定中會有體現；綜合實踐任務也不再只局限于基于STM32+FPGA控制的智能小車，通過硬件改版，允許學生僅基于STM32進行小車的控制。除此之外，還為學生提供了其他可選方案，如環境監測／監控系統的設計、基于手機APP的遠程監控系統設計及其他學生感興趣的綜合系統設計。其中，手機APP的設計推薦采用目前流行的簡易APP設計方案，如MIT的APPInventor，采用教師引導、學生自主學習的方式。無論學生選擇哪種方案，教師都會全力協助。

3.引導學生的CDIO產品設計思維

從基礎實驗到綜合實踐，引導學生一邊打基礎，一邊組建團隊，選擇并設計系統，逐步明確團隊設計任務，并一步步實現。例如，智能小車的控制方式是僅控制小車自主從一點行駛到另一點，還是利用手機APP控制其行進，以及是否設計避障功能等。以這樣的方式引導學生建立良好的產品思維，提高工程實踐能力，并在一定程度上提高學生的創新思維。

4.普及嵌入式技術在前沿科技中的應用

為了給學有余力的學生提供更多的選擇，在拓展部分增加可選項，如語音識別、物聯網等，讓學生選擇性地進行嘗試。

另外，在課程結束前設置分享環節，由學生團隊利用互聯網自主查找嵌入式技術在各前沿科技領域中的應用案例，為大家普及當前嵌入式技術的廣泛應用和未來的應用前景，加深學生對專業的認識，增強學生的專業自信。

（三）考核評價標準的設計

“嵌入式\"課程實踐性強，考核時更應注重過程性考核，具體考核評價標準設計如圖3所示[9-10]

圖3考核評價標準設計

針對前期課程考核中存在的問題，著重對以下幾方面進行了改革。一是充分利用線上、線下，課前、課中、課后，設計課前預習和課后作業小習題作為過程性檢測項目之一，并將習題完成情況計人過程性考核。二是教師在課中很難有時間進行抽查，但在學生完成任務提交時可隨機提出一兩個小問題作為過程性檢測項目之一，并將學生回答情況計入過程性考核。三是基礎任務部分，每個任務都至少設計2個難度等級供學生選擇，不同等級的任務對應不同分值，學生可以根據自己的實際情況進行選擇。四是綜合實踐項目由學生自由組建3人左右的小團隊來完成，為了減少有學生渾水摸魚的情況，在團隊協作時應要求學生明確每名團隊成員的任務，且在最終答辯匯報時不僅要給出團隊任務完成情況的考核成績，也要根據個人任務完成情況給出個人的考核成績。五是綜合實踐任務由于給予學生一定程度的自由選擇權，因此，教師在課程開始時要明確考核標準，不同難度的任務分數占比也會不同，鼓勵學生挑戰更有難度的任務。

五、結束語

“嵌入式\"課程開設學期較晚，對學生的綜合應用能力要求較高。課程借助專業課程群建設，通過課程間的銜接與協同，保證了課程內容得以順利實施。課程基于CDIO-OBE理念對原課程內容和考核評價方式進行了改革，既保證了學生基礎知識的掌握和基本應用能力的培養，又有一定程度的擴展，讓學生快速、直觀地認識到所學知識的實際應用。通過最后的綜合實踐任務，學生能夠根據自身興趣和學習基礎選擇適合自己的實踐內容，并進行獨立的設計開發，有效地提升了電子系統的綜合設計能力和軟硬件開發能力，并在一定程度上提高了創新能力。在考核評價機制上，通過增加課前、課后的線上小測試，檢查學生課前預習和課后掌握的情況；另外，通過教師在檢查任務完成情況時隨機提出的一兩個小問題，使過程性考核更加豐富多元，這對實踐性較強且人數較多的“嵌入式\"課程來說是很有意義的。在最后的綜合實踐考核中，不同難度的實踐任務對應不同的分值，可以套餐的形式讓學生選擇，完成得越多得分越多，難度越大得分越高。另外，團隊和個人都會進行考核，以此鼓勵學生做更多的嘗試，也盡可能避免有學生渾水摸魚。實踐證明，這一改革在一定程度上提高了學生的學習積極性和創新意識，也在一定程度上對教師提出了更高的要求，起到了教學相長的良好作用。

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