OBE-CDIO模式下数字电路课程教学改革探索

山 丹,张永锋,杨 影,孙晓凌

（大连东软信息学院 电子工程系，辽宁 大连 116023）

0 引 言

随着全世界数字时代的迅猛发展,数字电路课程已成为国内外电子信息类专业的基础课,但在“新工科”工程人才培养的大背景下,如何在课程实施过程中,有效培养学生的工程实践能力,还需要不断探索和改进。以成果为导向的OBE理念和以能力培养为主线的CDIO理念相得益彰,与数字电路课程改革方向不谋而合。据此,引入并融合OBE与CDIO理念,以培养国际化工程技术人才为目标,对数字电路课程教学模式进行改革再创新具有重要意义。

1 OBE-CDIO教育模式内涵

OBE(Outcome-Based Education)[1]教育理念起源于美国,其实质是把学生在学习过程中的主体表现作为教育质量考核的重要指标,在人才培养过程中强调学生的学习结果,并以此作为反馈教学活动质量的重要因素[2]。

CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate)[3]理念是由以MIT为代表的教育工作者提出的,即“构想-设计-实施-运作”的教学模式,其4个过程来源于产品、系统的生命周期过程,涵盖了绝大多数工程师必要的专业能力[4],并以此作为对学生能力达成情况进行考核的依据。大连东软信息学院基于“教育创造学生价值”的理念,借鉴CDIO工程教育模式创造性地将CDIO中国化和本校化,对 CDIO 能力培养大纲做了继承基础上的创新,构建了具有东软特色的 TOPCARESCDIO 八大能力指标体系[5]。

OBE是以“预期学习结果”来驱动整个教育结构的模式,而CDIO是以“CDIO能力大纲”[5]所代表的“预期学习结果”集合来驱动课程内容、教学方法、教育文化等设计的模式,两者相辅相成。笔者以“数字电路”课程为例,将OBE与CDIO理念相融合,针对本科专业基础课程进行教学模式再创新。

2 实践教学改革

按照基础层、应用层、创新层递进式的双语教学改革思路强化实践教学:在基础层,增加仿真实验,边学边仿边做,既让学生熟悉数字电路设计的各环节,又形象生动比较容易接受;在应用层,学生充分利用所学的电路知识解释电路现象,启发学生多向思维和设计思路,发挥学生的主观能动性,激发学生的创造灵感和创新欲望;在创新层,要求学生进行综合性的自主创新实验设计,实现可演示的数字电路系统。

2.1 强化实践教学

增加随堂仿真实践部分,开发新的实验内容,分为验证型和设计型、基本型和创新型。在课堂授课过程中,教师增加随堂实践内容,穿插小的验证型实验(如对各逻辑门、组合逻辑电路和时序逻辑电路小模块),课上带领学生,在仿真工具中完成电路搭建仿真,从而使学生看到电路的各节点动作过程及现象,加深对数字电路的理解。实验室实验内容以验证型实验为主,以设计型实验为目标,激发学生主动学习的热情,真正提高学生的知识综合运用能力、动手能力和解决实际问题能力。共设置8个实验项目,其中3个为仿真实验、4个验证为主设计为辅的实验和1个设计型实验。最后1个设计型综合实验为自主创新实验,学生可以自己选题目,也可以从教师提供的2个备选题目中选择1个进行功能变更,给予学生充分的创新思维空间。

2.2 实践实施方式改革

将课堂教学与实践相融合,以随堂边学边仿真的形式进行知识的讲解,让学生从简单的电路开始边做、边学、边思考,增加学生观察角度。实验环节由简到繁、由单一到综合、由验证到设计,符合学生探求知识的认识规律,循序渐进的提高应用能力。同时,还要增加理论课教师参与实验环节指导,了解学生掌握情况,答疑解惑,避免课堂教学与实验教学、课外时间脱节。此外,通过兴趣小组、集成电路社团、SOVO(虚拟公司)、校内外大赛、校企合作来增加学生实践机会,进一步提高实践能力。

3 考核评价模式的改革探索

教师以培养学生完成预期学习成果、具备预期专业能力为目标,施教于学生,并对学生的达成情况,进行有效考核和把握。基于此,对数字电路课程的考核评价模式,包括形成型考核评价模式和终结型考核评价模式进行改革,突出形成型的过程考核,淡化一卷定结果的终结型考核。

3.1 围绕课程考核目标反向设计考核方式

在OBE- CDIO理念指导下,对专业人才培养目标进行分解,并具体到课程。结合TOPCARES- CDIO(简称“T- C”)教学理论,正确揭示本课程对所培养的毕业生能力与CDIO能力匹配关系,逆推出课程考核方式。表1为由课程培养目标反推考核评价模式表。

3.2 由课程学习成果反馈调整课程考核方式、教学方法和教学内容

通过对“学习成果”达成度进行统计、梳理和分析,反馈到考核方式的制定和调整中,形成闭环,使考核方式更加科学合理。该方式有助于分阶段、分内容调整教学方法,寻求合适的教学方法,优化教学效果。此外,根据学习成果达成情况,调整教学内容的难易、多少、侧重等程度。表2为某位学生学习成果测评示意表。

3.3 突出以学生为中心、以学生为主体的课程考核

表1 由课程培养目标反推考核评价模式表

在课程实施过程中,将形成型考核作为学习过程的考核,主要体现在自主学习、作业和实验的实施过程中。增加自学部分,挑选课程中比较简单易懂并适合学生课下自学的内容,布置给在学生课下完成探究式学习,教师课上进行答疑解惑和画龙点睛式讲解,并提出问题。对于作业,一改以往“统一题目,学生课下做,课上交,教师批阅”的单一方式,采用“题目范围内可选,学生课下做,典型题目课上讲出来”的形式,从多个角度进行评价。对于实验项目,一改以往对实验过程考核不足的现象,从实验原理、操作、结果、创新等各个环节进行考核评价,提高考核结果的可评测性,实现“做”中“学”“学”中“考”“考”中“做”“做”中“学”的闭环机制。此外,尝试改革以往以教师为主体、学生为客体的考核方式,让实验项目组同学互评,调动学生积极性,促进成绩客观性。

表2 学生学习成果测评示意表

3.4 培养学生创新意识，鼓励学生个性化发展

根据对每位学生课程考核结果所对应的预期能力实际达成度分析,将学生进行类型划分,因材施教、因人施教,鼓励个性化发展。鼓励引导学生查阅资料、文献,对信息进行加工、取舍、归纳、评论和转化,激发学生的创新和求知欲望,并制定适应不同学生特点弹性、灵活的考核方式。与此同时,学生的学习习惯也得到培养。

4 双语教学改革

为适应国际化工程技术人才培养需要,对数字电路课程开展中英双语教学,其中,双语教学资源的开发、师资队伍的建设和培养、教学质量的评估和反馈尤为重要。

4.1 教学资源的开发

课程使用原版外文教材和参考资料,保证理论的前瞻性。教师还开发了纯英文课件,作为教材的简化、提纲、精华。此外,实验指导书和练习题、作业和考试题都采用纯英文形式,为学生提供“浸入式”[6]的英文环境,潜移默化的实现从被动接受到自然接受的思维过程。

4.2 师资队伍的建设和培养

教师是双语教学最直接的实施者,不仅要有良好的知识表达及运用能力,还要有丰富的教学管理。为解决双语教师匮乏的瓶颈,大连东软信息学院2012年就制定颁布了“双语教学管理办法”[6],从教师的口语培训、双语课程级别的认定、双语课程的建设、双语课程的奖励和双语课程的效果评估等多个方面,对双语课程的教学进行系统规划和管理。将双语课程的实施划分为A、B、C等 3个级别。数字电路课程根据课程难度和教师师资水平等因素,目前定位为C级,课程课堂教学中使用外语授课达到30%以上。

4.3 教学质量的评估与反馈

为保证双语教学质量,对实施过程的全面监控和评估,并反馈作用于新一轮的教学活动。大连东软信息学院设有教学质量管理与保障部,专门针对双语教学进行督导。数字电路课程经过评估,达到C级标准。

5 教学方式方法改革探索

5.1 电脑进课堂

在以往授课过程中,虽然课堂上采用PPT等方式为学生充分展示项目实例实施的各个环节,但由于学生课上无法及时观察到电路的动作过程,教师很多时候更像是在唱独角戏。通过允许学生携带装有Multisim仿真工具的笔记本电脑进课堂,充分利用课堂的时间,讲练结合,精讲多练,让学生及时观察电路动作的特点,使学生成为学习的主体,以学生为中心,提高学生的参与度,让学生得到及时的锻炼,鼓励探究式学习,教师答疑解惑。实现教与学协调发展。

5.2 引入MOOC改进授课方式

MOOC作为一种近年来新兴的教学模式,它可以脱离课堂实现知识的传播。引入慕课这种教学方式,学生可以通过下载教师录制的主题学习视频,课下对课程主要知识点、设计方法、仿真验证过程以及EDA工具的使用等内容进行复习。这种方式既是对课上内容进行补充,又可以为学生提供答疑解惑的途径。

5.3 引入翻转课堂教学模式

在以往授课过程中,学生自主学习内容较少,多为教师讲解,学生独立思考的自主学习、探究式学习的过程欠缺,而这些能力正是学生毕业后从事相关技术工作所必需的。为改善这种情况,教师根据学生实际学习情况,增加学生自主学习内容,借助MOOC视频,让学生完成独立学习和思考过程。教师在课上以提问的形式来了解学生的自主学习情况,并答疑解惑,为学生赢得课上宝贵时间,与教师进行更深层次的互动交流。

5.4 引入“浸入式”英语教学模式

“浸入式”教学模式是最早起源于加拿大的一种外语教学模式,教师在课堂上用第二语言讲授部分学科课程,使外语成为学习专业学科知识的工具。考虑到教师的外语描述能力、学生的外语接受能力和知识的难易程度,中英文混合教学无疑是个合适的选择。对课堂的组织和管理、教学资源、授课内容关键词、专业术语等采用英文表述,而重点难点内容以中文为主、英文为辅的方式推进。此外,英文的运用,循序渐进,逐渐提高英文比例,为学生提供逐步适应的过程。

6 结 语

在OBE教学理念的指引下,结合CDIO教学模式,以学习成果为教学目标,培养国际化工程技术人才,设计更加清晰有效的实践环节、考核评价方式,并引入“浸入式”双语教学、MOOC等辅助实现教学目标。通过上述改革措施,更好地培养了学生数字电路分析与设计的工程实践能力、创新意识和终身学习习惯,为后续专业课程的学习打下良好基础。通过对改进措施的实施,并对比评估,证明这些措施具有良好的教学效果,同时具有良好的可操作性。当然,对数字电路课程的双语教学仍需持续改进,这里只希望能对工程教育中本科专业基础课程的教学改革起到抛砖引玉的作用。

[1]顾佩华, 胡文龙, 林鹏. 基于“学习产出”(OBE)的工程教育模式: 汕头大学的实践与探索[J]. 高等工程教育研究, 2014(1): 27-37.

[2]吴君鹏. 基于OBE教学模式的单片机原理及应用教学改革与实践[J]. 科技资讯, 2015(30): 93-95.

[3]Xiaoling S, Tao W, Quan G. Utilizing CDIO engineering workspaces to facilitate design-implement experiences[EB/OL]. [2017-11-09]. http://w.cdio.org/files/document/file/m4a3_sun_083.pdf.

[4]高雪梅, 孙子文, 纪志成. CDIO方法与我国高等工程教育改革[J]. 江苏高教, 2008(5): 69-71.

[5]温涛. 基于TOPCARES-CDIO的一体化人才培养模式探索与实践[J]. 计算机教育, 2010(11): 23-30.

[6]申华, 张阳, 周国顺, 等. 智能科学与技术专业浸入式双语课程教学模式研究[J]. 计算机教育, 2015(18): 53-57.