基于OBE-CDIO 模式的《数字电子技术》课程改革研究

韩新风，高海涛

（安徽科技学院电气与电子工程学院，凤阳233100）

0 引言

在高校电类专业中《数字电子技术》课程以培养学生的专业素质与实践能力为目标，但传统的《数字电子技术》的课程教学却是以课程的教学内容为目标，二者之间存在明显的矛盾。为满足高等教育人才培养的需要，《数字电子技术》课程的改革势在必行。以成果导向教育（Outcomes-Based Education，OBE）为课程改革的教育理念，借鉴CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate）工程教育模式的方法，指导《数字电子技术》的课程改革，恰好与高等教育“以学生为中心”，“以能力培养为目标”人才培养要求是一致的。

1 OBE教育理念、CDIO工程教育模式的核心

OBE 教育理念是以学习者通过学习获得的能力作为学习者的目标，而非以学习内容为目标，与中国传统的“授人以鱼不如授人以渔”的思想不谋而合。CDIO是一种先进的工程教育模式，也是OBE 教育理念在工程教育领域的落实。CDIO 工程教育模式以培养国际化工程师为目标，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程的理论、技术与经验[1]。CDIO 工程教育的有效实施，能够极大地提高学生的工程应用能力和创新意识，这对高校中以培养学生实践和应用能力为主的电子信息类课程教学改革具有重要的现实意义[2-3]。

1.1 OBE教育理念、CDIO工程教育模式的发展历程

OBE 教育理念最早出现于美国和澳大利亚的基础教育改革。虽然定义繁多，但其共性较为明显。在OBE 教育系统中，教育者必须对学生毕业时应达到的能力及其水平有清楚的构想，然后寻求设计适宜的教育结构来保证学生达到这些预期目标[4-5]。在人才的培养的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。自从中国加入华盛顿计划以来，OBE 理念在中国工程教育改革中得到了广泛的关注和探讨，在相关专业课程的教学改革、教学计划制定、考核评价改革中都得到了一定的应用[6-10]，非常符合应用型人才培养的目标需求

CDIO 工程教育模式是麻省理工学院等四所大学通过几年的研究、探索和实践建立的一种先进的工程教育模式。它以产品从构思、研发、运行到废弃和再利用的全生命过程为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式学习和获取工程能力，包括个人的科学和技术知识、终身学习能力、交流和团队工作能力和在社会和企业环境下，构建产品、过程和系统的能力。此模式符合工程人才的培养规律，代表先进的教育方法。CDIO 大纲，覆盖了一个现代工程师应具有的科学和技术知识、能力和素质。

1.2 以OBE教育理念与传统教育的对比

传统教育要求教师以知识为导向，要按照规定的时间进度完成课程内容的教学。课堂教学以教师为中心，教师教什么，学生学什么，学生按照教师要求的方式学习，需要学生记忆、理解的知识偏多。成果导向教育以能力为导向，强调学生学到什么和能做什么[2]，重视学生学习产出和能力的提高，鼓励批判性思考、推理、评论、反馈和行动，以学生为中心。教师综合具体情景并应用团队协作和协同方式，来协助学生学习，评价与学习成果相呼应、能力导向、多元评价。成果导向教育与传统教育的差别不是教学方式或方法的差别，而是教育理念的差别[11]。传统教育以“授人以鱼”为主，课程评价多以“掌握了什么”为标准，而基于OBE 的教育理念更注重的是“授人以渔”，评价多以“能做什么”为标准。

2 《数字电子技术》课程教学改革背景

2.1 课程在专业体系中的地位

《数字电子技术》课程是电类及相关专业，如电子信息工程、电子科学与技术、光电信息科学与工程、电气工程及其自动化、计算机科学与技术、网络工程等，最重要的学科基础课程之一。该课程的教学质量直接影响了专业课程学习的实际效果。以电子科学与技术专业的后续专业课程为例，高频电子技术、信号与系统、数字信号处理、数字集成电路、通信原理、单片机原理与应用、嵌入式系统等专业课都与《数字电子技术》课程知识联系紧密。该课程教学质量的提高将有利于为高质量的人才培养奠定坚实的理论和实践基础。

2.2 课程教学中遇到的实际问题

目前，《数字电子技术》的教学主要分为理论和实验两部分进行，笔者为电子科学与技术专业所承担的该课程学时安排为42（理论）学时+12（实验）学时。课程的主要教学知识点为：数制与码值、逻辑代数基础、组合逻辑电路分析与设计、触发器、时序逻辑电路分析与设计、可编程逻辑器件、脉冲信号产生与整形、数模与模数转换。42 学时的传统理论教学能将所有知识点讲完已经比较困难，课程的重、难点要想讲透更是十分困难。笔者所在的课程组其他教师为其他电类相关专业开设的《数字电子技术》课程存在同类型的问题。课程安排的学时数量有限，但课程知识点繁多，且该课程在专业知识体系占有非常重要的地位。学生对该课程的知识点无法学懂、学通，直接影响了后续专业课程的学习，因此该课程的改革势在必行。

2.3 课程评价体系

传统的《数字电子技术》的课程评价主要如表1 所示。课堂表现、作业占比20%，但在实际课堂教学时，由于学时数量的限制，课堂主要以教师讲授为主，课堂提问、讨论的次数并不多，否则会影响教学内容的进度，因此这部分的评价主要是考勤和作业情况。实验评价部分难度最大的是实验课表现的评价，有些同学看起来在按要求做实验，但效果并不好，缺少主动性，考勤和实验报告部分评价相对比较客观。因此，课程的评价还是期末试卷的评价为主。

表1 课程原评价体系

因此，当前《数字电子技术》课程改革中，需要解决的首要问题，也是最大问题，即：在有限的教学学时、规定的课程教学内容前提下，如何能够提高教学质量和教学效果，以确保学生获得的课程评价真正的与自己在学习过程中的学习投入成正比。激发学生学习的动力，真正做到功夫要用在平时，而不是只靠考试前的死记硬背，为学生学习后续专业课程打下坚实的基础。

3 OBE-CDIO教育理念在《数字电子技术》课程改革中的应用

3.1 《数字电子技术》的预期学习产出

将CDIO 的能力指标贯穿《数字电子技术》课程教学全过程，改变以章节为依托的教学大纲体系，形成以课程的分解目标为依托，以能力培养为目标。针对不同的能力指标，选择适宜的教学方式、方法和考核评价方式。例如细化《数字电子技术》课程学习的预期成果与学生获取的能力，反向设计考核评价方式示意表如表2 所示。学生学习效果具体评价方法参照表3所示。

表2 围绕课程目标逆向设计考核评价方式样表

3.2 《数字电子技术》的课程改革的实施方案

（1）课程教学方式、方法的改革

基于超星学习通进行课堂教学方式的改变，为解决课程学时少，内容多，导致课堂教学无法深入学习的问题，笔者将对《数字电子技术》课程基本知识点的讲解在备课时录制成视频，每个知识点录制长度约为3-8分钟的视频。将视频学习作为任务点在课前布置给学生，要求在上课前完成基本知识的学习。课堂教学中，基于OBE 教育理念，教师根据课堂的学习目标，对知识进行梳理、总结。然后进行课堂测验，了解学生学习目标的完成情况。根据学生的测验的具体情况，进行重、难点剖析。彻底摆脱学生因课程学时少导致的学习效果欠佳的困境。增加过程性评价的比重，引导学生将学习放在平时的学习过程中，而不是平时不学习，等到考试前去死记硬背。部分课程的改革方案如表4所示。

根据OBE 的教育理念，实验课教学改变原有的教学思路，将实验结果作为实验课评价的重要内容。在改革之前，笔者也在每次实验课结束前检查实验结果以督促学生完成实验。但是由于时间有限，有些学生确实完不成实验项目。实验课结束后，学生将该问题置之脑后，无法达到预期的实验目标。为了有效解决这一问题，笔者改变之前的思路，要求每次实验课的前15min 请学生将上次实验课的实验任务（如果有多个实验任务，可以任选其一）在实验箱是搭建完成并实现预期结果。那些在实验课上没有完成实验任务的同学会在课下继续进行仿真实验，以实现预期的实验目标，保证在下次课可以在规定的15min 时间内，完成实验电路的搭建。这样既给留出了足够的时间，又可以完成预期的实验目标。经笔者的实验课堂改革后的效果来看：①改革后一个学期内三个班级的实验课堂教学没有发生迟到的情况，学生为了给自己赢得更多的搭建电路的时间，大部分学生至少会提前10min 进入实验室，准备实验器件、导线等实验材料。②学生的操作能力有了大幅度提高，以往当堂课检查实验结果时，大约70%左右的学生可以完成，但改革后90%以上的学生都可以在15min 时间内完成一个实验电路的搭建。

表3 学生学习效果评价考核（OBE 学习产出）示意表

表4 部分课程改革实施方案

基于CDIO 工程教育的理念，课程教学改用项目化教学，将课程知识点融于解决项目的过程中，使得学生体会到学有所用，且熟练掌握项目的实现过程。在对应章节开始前，先布置好实践项目，给学生进行分组，3-5 人/组，要求学生在学习对应知识点的过程中，设计出项目的方案，对应章节学习完后，最终确定项目的解决方案，设计出电路图，采用Multisim 仿真软件或者数字电路实验箱来搭建出电路，进行验证。

（2）学生主体地位的强化

传统的课堂教学中，以教师的讲授为主，学生听课过程实际上是完成的基本知识点的记忆、理解等的浅层次学习，由于课程学时限制，深层学习没有时间开展。课程改革后，原本需要花费大量宝贵时间在课堂上学习完成时间的记忆、理解内容通过制作的知识点短视频或教学课件等其他形式放在课前预习阶段完成，由学生根据自身能力及实际需要进行自主学习，而较为高级的分析、讨论、总结、创新等深层次学习则被转移到课堂时间内进行。教师只是负责引导课堂的总体方向，学生则成为课堂学习的主体。

每章的实践项目，需要学生课余时间查找资料，阅读文献，逐步确定方案，将每章知识点的学习与项目的实现过程结合起来，使得学生达到“因为要用，所以要学！”的主动学习，即实现“做中学”、“学中做”，既激发了学生的学习动力，又提高了学生的实践能力和操作水平。

在课堂上，学生不再只是被动的听教师讲，而更主要的是思考、讨论，开展头脑风暴，创新。课下完成把课堂上激发的创新思想落实到具体通过项目来。

（3）课程新的评价体系的构建

基于OBE 教育理念，课程以能力培养为目标，增加过程性评价比重，鼓励学生将精力放在日常的学习中，其中理论课过程性评价占总评价的30%，实验课评价占比20%，期末考试以考察学生对课程的基本知识点、课程知识点的综合应用为主占比50%，课程新的评价体系如表5 所示。

表5 课程新的评价体系

在理论课过程性评价和实验课评价中，课前预习、课堂表现、课堂考勤等占比24%的评价可以根据学生的在线学习、考勤情况直接从超星学习通学习平台中进行，并在期末导出学生的成绩。课后作业、实验报告、实验结果的完成情况共占比21%由任课教师给出。实践项目完成情况，学生各小组根据自己项目完成的实际情况进行汇报，由学生互评打分，占比5%。

4 结语

《数字电子技术》课程作为电类专业的重要基础课程，以培养学生的专业素质与实践能力为目标，但传统的课堂教学却以课程的教学内容为目标，学习过程局限在课堂之上，受课程学时所限，教学效果欠佳，课程改革势在必行。基于OBE 的教育理念，以课程学习的成果为导向，按照CDIO 工程教育的方式指导课程改革。在教学方法上，课程采用项目化教学，在对应知识块学习开始前，教师将对应项目布置给学生，要求学生在学习过程中，思考用接下来学习的哪些知识点来完成该项目。对应知识块学习完成后，引导学生梳理知识体系，讨论项目可能的解决方案，请学生在课下完成项目方案的设计，电路的实现等具体过程。并选择一部分小组的设计方案在课堂上进行分享，引导学生进行讨论，总结优缺点，深化对项目的认识。在教学方式上，将课程中需要理解和记忆的每个基本知识点在备课时录制为3-8min 的短视频，借助于超星学习通平台，将其作为学生课前预习的任务点，将学习过程扩展到课堂之外。课堂上教师引导学生完成对知识点的梳理、总结，完成课堂测验，引导学生对重点、难点问题的讨论，开展头脑风暴，激发学生创新思想，实现深层学习。课后，请学生上传自己的课堂总结、完成作业。在实验课教学中，同样基于OBE 的教育理念，将操作、实践能力作为导向，将每堂实验课的前15 分钟作为上次实验任务完成情况的考察，为那些实验进度较慢的学生留出足够的课余时间来完成实验方案的设计和电路的具体实现。最后，根据课程的教学过程，构建《数字电子技术》课程新的评价体系，将课前-课中-课后学习的全过程进行量化管理，借助于超星学习通平台完成过程性评价，且将过程性评价作为课程评价的重要组成部分。引导学生，学习要在过程中进行，而非考前去死记硬背。