面向应用型本科电气类专业的OBE实践教学改革
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作者:赵宇洋 李争
摘要：在工程教育和“新工科”背景下，电气类本科生实践能力的培养越来越受到重视。而传统实践教学中的课程设计环节对学生动手能力培养不足，仅仅停留在软件仿真阶段，不能满足工程技术型人才能力培养的需求。文章根据电气类应用型人才培养目标，基于OBE理念进行单片机课程设计新模式的探索，引导学生有效学习，培养学生的工程意识、协作精神以及解决实际问题的能力。
关键词：应用型本科;实践教学改革;OBE理念
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）44-0107-03
“新工科”建设围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展，强调以学生为本，面向全体学生，以学生学习产出为导向，强调教育质量的持续改进和学生具备设计和实施工程实验、创新的能力，并能够对实验结果进行分析。OBE（Outcomes-based Education）教育理念在工程专业人才教育过程中具有非常广泛的应用，OBE教育理念重视学生在学习过程中的主观能动性、学生的学习结果和学习情况，以教学结果为导向是OBE教学理念的核心。在目前的单片机课程设计实践环节中，引入OBE教育理念能够有效解决实践教学环节存在的局限性，通过教师对实践环节的设计，将工程问题的解决作为课程设计的最终目标，有效培养电气类本科生实践动手能力和自信心。
一、传统实践类课程设计环节的弊端
在传统的单片机教学过程中，虽然有独立的课程设计环节，却往往缺乏时间的有效利用和学生动手能力的培养，课程设计大多布置学生自由查阅资料，通过电子线路设计软件完成单片机最小系统的仿真即可。这种教学方式造成如下问题：（1）不能有效锻炼学生应用单片机解决实际问题的能力，对于单片机的应用停留在纸面上，不能对课堂教学内容进行有效利用。（2）学生对于单片机这类实践性很强的课程仍然采用理论课程的学习方法，以记忆和背诵基本概念为目标，缺乏实践动手的主观能动性。（3）实践教学与工程能力培养脱节，造成本科生面对工程问题时缺乏基本的思路和方法，解决实际问题的能力与信心不足。（4）由于缺乏有效的监管机制，学生对于课程设计不重视，课后查阅及仿真工作独立性较差，设计报告雷同严重，成绩难以评定，课程设计环节往往流于形式。
二、OBE理念对于单片机实践教学的启发
基于OBE理念的实践教学改革应遵从培养学生工程素质为主线，强调应用性和实践性，强调以问题解决为中心，多种学习途径相整合。
1.由教师结合电气类专业背景和培养方案设计具有工程背景的综合性课题，并提出设计目标，3—4名学生为一组，以任务书的形式下发给学生小组，既保证每个题目能够全面考查大纲中的知识点，也要保证各个题目难易程度相当。我专业的课程设计要求学生以项目开发形式完成基于单片机最小系统的软硬件设计，从任务书目标分解出发，逐步实现单片机硬件电路设计、仿真，再结合汇编语言程序调试，完成软硬件联调，并最终实现以小组为单位的实物结题。
2.围绕OBE理念中的问题解决为中心，以学习小组形式合作完成实践环节。在教师布置课程设计题目后，以小组为单位让学生在课堂教学环节提前完成设计方案初稿，并在后续学习中有目的、有意识地根据题目需求逐步完善设计方案，并在一周的课程設计环节中完成系统调试。既培养学生作为工程技术型人才所必需的工程能力，也有效提高了学生在技术团队中自我分工、调节的团队合作能力。
3.让学生综合运用自身所学知识进行调查和研究，将学习延伸到课堂之外，鼓励学生探索新技术，培养学生的终身学习能力。以教师在课堂上讲授的知识为基础，自发进行归纳和应用，并借助查找文献等辅助手段，最终解决问题。课程设计题目数量根据笔者专业两班学生人数设计，每道题目都保证在大纲知识点基础上，引入课外知识作为附加分，需要学生借助文献查找或网络技术进行自学。
三、基于OBE理念的实践教学模式探索
单片机课程属于工程技术应用类课程，是电气类学生在本科教育阶段重要的实践能力培养课程。对于没有硬件开发经验的本科生而言，该课程相对抽象，知识点庞杂而零碎，接受和掌握起来相当困难。课程设计环节作为独立在课程之外的实践环节，如果不注重与课堂教学的穿插和衔接，往往造成学生在理论学习过程中缺乏解决问题的驱动力，单纯地记忆指令和用法;在课堂教学结束后，进行课程设计要求的系统设计调试又缺乏有效的理论能力支撑，使得理论学习和实践环节相脱节，不能相互配合。
本文基于OBE理念对单片机课程中的课程设计实践环节进行了教学改革和探索，从理论与实践相结合、监管机制优化及评价方法多样性上进行有益尝试。
1.将课堂教学内容模块化，与课程设计有机结合。在课程教学中期即下发课程设计题目，每个题目都以工程问题为背景，需要学生结合课堂所学自行扩展知识点，全面考查学生对输入、输出系统和单片机控制系统的掌握情况和设计能力，保证以学生输出为导向的教学过程优化。与以往教学结束后才布置课程设计题目相比，此种方式在理论学习环节中能够有效引导学生，以完成课程设计题目要求为驱动力，鼓励学生在后续教学环节中有目的、有意识地学习理论知识。
如上图所示，课堂教学过程也根据课程设计内容进行模块化，主要划分为单片机最小系统模块、电源模块、输入模块、输出模块和通信模块：电源模块主要知识点在前面的课程《模拟电路》中已经学习，在单片机课程中只需要将在模拟电路的理论知识实现，为单片机及输入输出设备提供电源即可;单片机最小系统主要通过讲授单片机内部结构及工作原理，要求学生设计完成一个基于89C51的最小系统，以便后面用单片机控制输入输出模块;输入输出模块是本科阶段需要熟悉的输入输出设备，比如键盘、LCD显示屏、数码管、发光管、光电检测器件及传感器设备;通信模块包含具有各种通信接口的设备，其中主要包括单总线、RS232、RS485总线等接口。 课程设计题目保证各题目包含所有需要考查的知识点，又具有一定的趣味性。比如利用热电阻实现数字温度控制系统，利用光电传感器设计电子计数器，基于定时器的数字表、足球比赛积分系统及交通信号控制系统等。题目既能体现工程实际意义，形式又新颖有趣，激发学生主动学习的兴趣。此外，每个课程设计题目中都包含课堂教学之外的知识点，需要学生自发查找资料并寻求解决方案。
2.采用集中实训式课程设计，实现全过程实时监管。改变以往学生在课后自由完成课程设计的形式，转变为在专业实验室中统一集中进行。课程设计任务书中明确安排一周中每天需完成的设计进度，每天由指导教师布置当天任务并讲解重要知识点，其余时间由学生以小组为单位，共同进行设计调试工作。教师随时对学生问题给予指导，并根据全体学生进度完成情况进行内容调整，如果学生整体动手能力较强、进度完成较快，则可以深化课程设计的题目要求，提高最终设计难度;如果整体进度难以保证，则根据出现的问题及时讲解，以确保不同基础、不同能力的学生在一周的课程设计中都有所收获，真正做到以学生需求为导向。除此之外，集中实训的形式有助于教师对学生平时表现进行监督和管理，通过出勤情况和进度完成情况对学习过程综合评价，避免了以往只以报告作为评分依据的局限性。
集中实训不仅为同一小组的学生提供了交流协作的机会，更加强了整个班级甚至整个专业学生之间的沟通，也为学生和教师之间的交流提供了便利性，有效提高了师生之间、同学之间的沟通效率，有益于学生在团队中自我定位、自我实现。
3.优化评价机制，实现学习全过程评价。学生考试成绩不仅是学生最为关心的焦点之一，也是用人单位评价毕业生能力的一个重要指标。在传统的教学模式下，课程设计成绩主要由最終报告决定，忽略了学生学习的过程评价，在工程教育专业认证背景下，这种考试模式的弊端显得尤为突出。
本文中的实践教学改革也对评价方式的优化进行了探索，利用OBE理念，在课程设计各环节中及时、客观对学生表现进行评价，以量化打分的形式实现了对学生的综合客观评价。
如上文所述，我专业在进行单片机课程设计时，将实践小组的形式贯穿整个课程设计环节，因此在学生成绩评价环节，既包含教师打分，也引入团队成员互评机制。为保证评价体系执行的客观真实性，任课教师设计了团队成员互评问卷（学生用），对单片机课程学习实践小组成员在课程设计各个方面的表现进行量化打分，比如团队协作能力、合作度和设计能力等。教师根据课程设计环节设计了评分细则，根据各团队电路设计仿真、程序结构和编写规范性、电路合理性、焊点质量及最终功能完成度等情况综合打分，较为客观全面地对学生学习全过程进行了多角度评价。
为避免一个实践小组中成员难以评价的情况，同一小组每位成员的成绩区别由以下三方面保证：首先，根据集中实训整个过程中的平时表现由教师记录平时成绩;其次，引入课程设计最终的答辩环节，通过教师对设计细节的提问甄别学生在团队中的能力和贡献差异;最后，由书面报告的完成态度和质量综合评价。
四、总结与展望
本文针对电气类单片机课程实践环节指出了传统教学中的弊端，引出基于OBE理念的单片机课程设计的改革方式。通过两个教学周期的实践取得了良好效果，激发学生由传统课堂上被动“听”，变成现在主动“学”，活跃了课堂气氛，培养了学生课后自主学习的习惯，有效提高了学生动手实践的能力和信心，也为其他类似课程积累了改革教学模式的经验。
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