新工科背景下基于OBE理念的嵌入式系统课程群研究与实践

周子昂，徐 坤，贺娅莉

(周口师范学院 机械与电气工程学院，河南 周口 466001)

为应对新的科技革命和产业革命，国家对高等工程教育适时提出了建设新工科的战略决策. 《河南省教育厅、河南省工业和信息化厅关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的实施方案》中明确指出我省要主动应对新一轮科技革命和产业变革挑战，服务国家创新驱动发展、“中国制造2025”、 和我省“三区一群”等国家战略，以新工科建设为重要抓手，持续深化工程教育改革，加快培养适应和引领新时代发展要求的卓越工程科技人才，为建设制造业强省，实现中原更加出彩提供强有力的人才支撑和智力支持，要树立“学生中心、产出导向、持续改进”的创新型、综合化、全周期工程教育理念，要关注学习成效，促进学生全面发展，要培养学生对产品和系统的创新设计、建造、运行和服务能力.

嵌入式系统课程群作为电子信息工程、自动化、电气工程及其自动化、建筑电气与智能化等电类工科专业的专业核心课程群，主要包含模拟电子技术、数字电子技术、C语言程序设计、微机原理、单片机、电子设计与实践等工程性和实践性很强的综合性课程，不仅需要学生具备电子器件、电路和计算机编程语言等基础理论知识，还要具备熟练的应用系统硬件电路设计和不同设计语言的软件编程能力. 传统的教学理念、教学模式等已经不能满足培养学生实践创新能力的需要，如何有效地提高教学质量，加强对学生应用创新实践能力的培养，就需要在嵌入式系统课程群的教学理念、教学模式和实践教学内容等方面进行改革和探索[1].

1 当前嵌入式系统课程群教学存在的问题

嵌入式系统类课程都具有既有理论又有实践、既要求精通硬件设计又要求精通软件编程的特点，在专业课程体系中既培养电类专业学生的解决实际工程问题的能力，又培养学生的创新实践能力. 根据对周口师范学院相关电类专业的嵌入式系统课程教学的调研，该类课程在教学过程中存在以下主要问题.

1.1 理论教学模式单一，以“灌输”为主

嵌入式系统课程群的理论教学方式仍然以传统教学方式为主，主要是课堂上以“教师讲，学生听”的灌输式教学，课下学生提交纸质作业的教学模式，师生之间缺乏互动. 而且由于学时的限制，大部分学时用于讲授课程的理论知识、电路的工作原理、器件的内部结构等，具体的工程应用设计实例讲授较少，导致学生学完课程后有理论，没实践，没有获得相应的分析问题，解决问题的能力.

1.2 实践教学层次浅，以验证为主

嵌入式系统课程群相关课程实践教学以主要提供验证性实验项目的专用实验箱为主，学生主要是根据说明和实验要求连连线，简单的调试一下程序就完成了一次实验操作. 以单片机原理及应用课程实验为例，单片机主要是作为一个测控系统的核心，因此，单片机实验的主要目的是培养学生的应用系统的软硬件设计能力，但是实际授课过程中仍然是以流水灯实验、定时计数器实验、显示实验、按键控制实验等验证性实验为主，这些实验能对理论知识进行验证和加深学生的理解，但功能简单，应用系统所用电子元器件陈旧，不利于学生接触科技前沿知识，限制了学生的眼界与思维，导致学生根本就对这些课程的实践环节没有学习的兴趣，更谈不上通过实践来培养学生思考问题、解决问题的能力，提高学生的工程实践和创新能力.

1.3 考核评价方式不科学，以卷面考核为主

该类课程考核多采用卷面考核的方式，知识点多，学生通过记忆而不是实践来学习，导致卷面上填空题、选择题和简答题等得分较高，而主要考查学生分析问题、解决问题的分析设计类题目得分较低，“高分低能”现象较多，学生的综合素质和创新能力得不到全面的考查和评价.

2 基于OBE的嵌入式系统课程群教学改革

针对嵌入式系统课程群存在的各种问题，近年来针对该类课程进行了基于OBE(Outcomes-based Education)模式的教学改革和探索. OBE(Outcomes-based Education)即成果导向教育，以学生取得的学习成果为教学设计和教学实施的目标.和传统教学模式相比，OBE教学模式强调的是以学生为中心，通过学习使学生具有了能将理论知识和实践技能应用于实际、解决实际问题的能力，并以此作为反馈教学活动质量等特点.OBE教学模式符合《河南省教育厅、河南省工业和信息化厅关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的实施方案》中对新工科专业学生培养的要求，因此，将OBE理念贯穿于自动化、电子信息工程等实践性较强的工科专业工程教育中符合应用型本科高校的定位，有利于提高工科专业人才培养的质量[2-3]. 基于OBE理念进行的嵌入式系统课程群的教学改革包括如下内容.

2.1 构建新的“3模块+1环节”课程培养体系

在2016版和2018版人才培养方案的修订中，组织嵌入式系统课程群教学团队的教师采用深入科技前沿企业调研、和兄弟院校相关专业教师交流等方式研究和讨论了嵌入式系统类课程之间相互联系、知识点的交叉等，并遵循工程的集成与创新特征，以强化工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力为核心，加大课程群课程整合力度，构建了通专融合、理实结合的课程体系.

嵌入式系统课程群课程体系如图1所示. 课程体系主要包括硬件类课程、软件类课程、应用系统类课程3个模块和1个工程实践能力提升环节. 其中以硬件类课程模块和软件类课程模块的学习为基础，以应用系统类课程模块的学习为核心，以工程实践能力提升环节为最终目的. 硬件类课程模块主要学习基本的电子元器件和电路基础知识，为应用系统的硬件设计打下坚实的基础；软件类课程模块主要学习常用的仿真类和电路板制作类软件以及应用系统常用的程序设计语言，为应用系统的软件设计打下坚实的基础；应用系统类课程模块主要在前期基础课程学习的基础上，学习常用的微控制芯片如51单片机、DSP、FPGA/CPLD等的工作原理和内部结构，以及外围扩展芯片的接口技术和应用程序的软硬件设计；工程实践能力提升环节主要是鼓励和组织学生参加学校、省和国家的各类学科竞赛，从而使学生学以致用，并通过学科竞赛提升学生对产品和系统的创新设计、建造、运行和服务能力.

图1 嵌入式系统课程群课程体系

2.2 构建了“传统教学+”的多元化理论教学模式

传统的理论教学以灌输式理论讲授为主，中间穿插少量的提问等师生互动环节，而高等教育教学中，专业课的学习经常是2节或3节连上，但心理学研究发现，学生精力集中的时间大约在30 min左右，超过这个时间，学生就会出现疲劳、提不起兴趣，注意力涣散等现象. 传统的理论教学模式在高等教育教学中的教学效果差的问题越来越引起重视，经过教学改革和探索，结合课程特点，在嵌入式系统课程群的理论教学中引入了“传统教学+雨课堂”“传统教学+翻转课堂”“传统教学+趣味课堂”等“传统教学+”的多元化的教学模式[4-6].

“传统教学+雨课堂”模式是在课堂理论教学中引入雨课堂. 雨课堂将复杂的信息技术手段融入PPT和微信，科学地覆盖了课前-课上-课后的每一个教学环节，在课外预习、课堂教学和课后反馈间建立沟通桥梁，让师生互动永不下线. 使用雨课堂，课前，教师可以将帮助学生提前预习的视频、课件、思考题等教学资源推送到学生手机微信；课堂上，教师每次在PPT上提供本次雨课堂的暗号或二维码使学生进入本次课堂，既省略了点名环节又可在理论讲授的过程中穿插实时答题、弹幕互动，随机提问等师生互动、生生互动环节，消除学生大脑疲劳，提升学生学习兴趣，提高课程教学效果，同时授课教师又可以实时统计本次授课内容中学生标注出的疑、难点；课后，教师可以根据雨课堂提供的数据分析和分类汇总，总结教学情况，进一步完善调整教学内容. 教学团队的部分教师在微机原理与接口技术、电路分析基础等课程中采用了“传统教学+雨课堂”教学模式，将师生课前、课中、课后的教、学和反馈完美融合起来，使学生由被动学向主动学转变，极大地提升了学生的学习效果.

“传统教学+翻转课堂”模式是在课堂理论教学中引入选择性翻转课堂. 翻转课堂是利用现代信息技术，以课下学生自主学习为主，课上教师讲授为辅的一种教学模式. 这种模式对学生的自主学习能力要求较高，作为一所地方普通高校，学生的自主学习的能力无法和“985”“211”高校的学生相比，特别是针对新工科中嵌入式系统类课程群中专业性很强的课程，让学生通过翻转课堂自主学习掌握课程每个知识点就意味着学生需要花费远远大于培养方案中每门课所设定的学时进行自主学习，增大学生的学习负担，使学生疲于应付，最终放弃该课程学习. 因此，创新性地引入了“传统教学+翻转课堂”教学模式，即学生能够自学的基础内容和交叉知识点由学生通过翻转课堂自主学习来完成，其他学生难以自学掌握的内容通过课堂讲授来完成. 如单片机原理及应用、微机原理与接口技术、电子设计与实践等课程中，涉及器件的基本结构，管脚的分布等基本知识采用翻转课堂教学方法，应用系统的软硬件设计等采用传统的教学方法讲解；实例的分析等采用学生课下分组制作相关PPT、录制视频等，课上由每组学生代表自主分组讲解、分析、本组其他同学进行补充，其他组同学提问交流，教师引导、内容拓展等，整个教学过程学生兴趣盎然，激活了学生的主体意识，提高了学生的参与度和积极性，使学生由被动学向主动学转变，极大地提升了学生的学习效果.

“传统教学+趣味课堂”模式是在课堂理论教学中引入“软件仿真+开发板测试+工程实践能力提升”的融合式教学模式. 在单片机原理及应用、电子设计与实践和EDA技术与应用等实践性较强的课程内容讲授中，引入KEIL、PROTEUS、QUARTUS Ⅱ等软件和51单片机、FPGA等开发板进行融合式教学，既在每个单元中精心选择趣味实例项目，在讲授完理论知识后，利用软件完成系统硬件电路的设计、程序的编写和编译、系统的仿真，最后下载到开发板中现场调试，调试完成后再引导学生讨论存在的问题、如何改进、功能如何拓展等. 这种“传统教学+趣味课堂”的融合式教学模式使课堂气氛热烈、学生学习兴趣高、参与积极，极大地提升了学习效果[7].

2.3 构建了“赛课结合、以赛促教”的实践教学模式和“社团+实验室”实验室管理模式

嵌入式系统课程群教学中，实践教学对于培养学生实践动手能力和创新意识有重要的作用. 基于OBE理念，强化学生实践教学环节的学习效果，有利于提高实践教学质量，提升学生的工程实践能力、创新意识和团队合作精神. 在嵌入式系统课程群的实践教学改革探索中，团队教师充分利用实验室开放项目、产学研项目、大学生创新创业项目和学科大赛积极推进实践教学改革，团队教师积极组织和指导学生参加学院、学校、河南省和全国的学科竞赛项目：“科创杯”项目化设计大赛、河南省机器人大赛、“挑战杯”课外科技作品大赛和全国大学生电子设计大赛等，鼓励有兴趣的学生积极参与到教师科研项目中去，把校企协同育人项目、实验室开放项目、大学生创新创业项目和学科竞赛的成果融入相关课程实践教学中，及时修改实验内容，增加综合性、设计性和大赛相关性的实验内容，配合“社团+实验室”的开放实验室管理模式，以机器人兴趣社团、智能车设计社团成员为主体，以参加各种学科竞赛为纽带，把学生合理搭配分组，小组合作分期完成实践任务等. 以教学促进科研和大赛，以科研和大赛反馈教学，形成教学、科研和大赛的良性循环[8-10].

2.4 构建了“卷面考核+”的多元化考核评价方式

教学质量的好坏是通过考核结果体现的，团队教师经过探索和实践，针对嵌入式系统课程群从考核结构、考核形式、考核内容、成绩分配四方面设计了一种“卷面考核+”合理的多元化考核方式. 理论教学方面：学生的“纸质作业+学习空间提交的作业调试过程、仿真结果、测试视频”等的作业成绩占期末考核成绩的10%；学生的“纸质文档+系统的硬件设计原理图+系统的软件仿真结果+系统的开发板验证视频”的综合设计性作业测评占期末考核成绩的10%；学生的“传统教学+”的多元化的课堂表现占期末考核成绩的10%；期末以考察学生的基本知识、概念、工作原理等为主的卷面考核占期末考核成绩的70%. 实践教学方面：学生每次实验的实验操作规范性、操作过程、操作结果和实验台整理等占期末考核成绩的30%；每次实验完成后对学生提出拓展和提升要求，进行每次内容的总结性考核，根据学生提交的“纸质实验报告+电子版附件”的电路原理图、仿真图形、开发板测试视频、设计纸质文档报告等给出的每次实验的总结性考核成绩占期末考核成绩的 30%；期末实验室现场抽题设计、验证、演示成绩占期末考核成绩的40%.通过这种多元化的考核方式，摈弃了学生为了考试而考试的想法，合理给出学生掌握课程知识体系的评价结果，同时激励了学生从理论到实践全方位掌握课程知识体系的能力.

3 以成果推动嵌入式系统课程群建设

通过近几年的团队教师在嵌入式系统课程群上的教学改革与探索，团队在教师教学能力提升、教改项目、学科竞赛、毕业生就业、企业评价等方面取得了丰硕的成果，这些成果同时推动了嵌入式系统课程群的改革与探索. 近几年，团队教师获批校级教改项目10项，河南省教育厅教育实践装备与教改项目5项，参加校级教师课堂教学大赛获得二等奖2项，河南省教育工会教师课堂大奖赛三等奖1项，开发了1套具有自主知识产权的模块化单片机实训平台和研制成功1套可以微信控制的实验室门禁系统，同时在学科竞赛方面取得优异成绩. 2017、2018、2019年，我院参加河南省第四、五、六届大学生机器人竞赛，获得冠军1项，一等奖14个，二等奖16个，三等奖12个的优异成绩；2017年，我院参加全国大学生电子设计竞赛，获得了河南赛区一等奖1个、二等奖1个、三等奖2个；2019年在全国大学生电子设计竞赛中，荣获全国一等奖，在近几届的全国大学生智能汽车竞赛中也取得了优异的成绩.

4 结束语

经过近几年的教学改革和探索，基于OBE理念的嵌入式系统课程群建设在教学模式、课程体系、考核方式等方面取得了一定的成果. 教学效果和传统的教学相比得到了提升，学生的就业质量和参加学科竞赛的获奖逐年增多，教师的课堂授课能力得到了提升，企业对毕业生的正面评价逐年提升，学生实现了由被动学到主动学的转变，学生的工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力得到了提升. 下一步，将推动该教学改革成果向其他课程的教学中推广.