基于OBE-CDIO工程教育模式的电路课程教学改革探析

摘要：为了培养高素质工程型应用人才，将OBE-CDIO工程教育模式引入电路课程教学改革。该模式借鉴OBE理念进行宏观的教学模式改革，根据行业对毕业生素质的要求反向设计，制定教学目标，构建渐进式教学过程，设计多元化成绩评价体系;采用CDIO模式设计微观的教学过程，建立以基础知识为起点、能力培养承上启下、创新意识和工程意识树立为最终目标的课程内容结构。教学实践表明，该模式提升了学生的学习积极性，提高了学生的工程和创新能力。

关键词：工程教育;OBE;CDIO;电路课程

引言：

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”。[1]新工科建设的过程，是全球化背景下，人才、产业、社会等各方需求对专业的培养目标、能力指标、课程体系、教育方式等发生影响并重构的过程。新工科教育培养的是工程实践能力强、创新能力强的高素质复合型人才。这就要求现有的培养模式在注重通识教育的基础上，加强学生工程实践技能培养，提高学生的动手能力、工程设计能力;搭建知识拓展的平台，提高管理能力和协同创新能力，培养综合素质高的人才。

成果导向（OBE，Out-based Education）教育模式通过分析学习者学习后能够达到的最大能力（学习成果），采用反向设计、正向支撑的思路，基于学习成果构建课程体系、确定教学策略、制定评价标准。成果导向的工程教育强调培养目标与培养过程的高度统一，能够有效提高人才培养质量。[2-3] CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它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。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。[4-5]可见，OBE是一种以人才需求为出发点，以学习成果为导向的应用型人才培养模式;CDIO是一种通过对问题进行探究，从中获得知识和技能的课堂教学组织模式。OBE是工程教育理念，CDIO是具体实施方式，将两者相结合，有助于提高学生的动手能力和创新意识，培养出社会经济发展所需要的应用型技术人才。

《电路》是电力电子、通信、自控等专业极为重要的专业基础课，虽然其教学理论和教学方法已经非常成熟，但在新工科教育改革的大背景下，《电路》课程教学仍然存在以下问题：1. 教学模式单一。大多采用“填鸭式”灌输的教学方法，教师试图将知识“复制”到学生脑中，导致学生学习兴趣低下。2. 理论与实践脱节。本课程数学公式多、教学中偏重于解题的数学技巧，学生虽然获得了知识，但没有将知识内化为实践能力。3. 实验环节设计不合理。实验大多为验证性实验，实验平台为实验台或实验箱。在实验中，学生往往机械地模仿实验手册操作，并不能实现对动手能力的培养。4. 考核内容单一。考核内容为电路参数的解题技巧，但对于工科学生而言，实践能力和工程素养往往比片段化的知识更为重要，但这些在传统的考核中很难被量化。5. 忽视课程之间的关联度。《电路》中关于含运算放大器电路部分，和《模拟电子线路》中集成运放的知识重叠，动态电路的冲激响应、阶跃响应及信号频域、复频域分析部分又和《信号与系统》的课程知识重合。如果不能与相关课程进行整合，就破坏了知识的连贯性，让学生“只见树木，不见森林”。[6]

为了解决上述问题，将OBE-CDIO教学模式引入《电路》课程教学改革，对课程的教学目标、教学内容、教学设计、实验设计和考核方式进行全面的改革和探索，以提高课程教学效果和人才培养质量，促进专业发展。

一、基于OBE-CDIO模式的教学改革总体思路

《电路》教学改革的总体思路为：

（一）运用OBE理念构建课程体系

采用反向設计、正向支撑的思路，对课程的教学目标、教学内容、教学设计、实验设计和考核方式进行全面的改革和探索。

（二） 运用CDIO模式进行教学设计

在具体课程教学设计中，采用以学生为主体、以电路设计案例为学习起点，以问题为核心的思路来规划学习内容、设计教学过程，让学生围绕问题寻求解决方案，让学生真正成为学习过程的主导者。

详细教改思路如图1所示。

（二） 基于OBE理念的课程体系构建

（一） 反向设计，制定教学目标

在课程教改过程中，通过对毕业生的调研和用人单位的走访，基于学习者特性及行业对毕业生技能与素质的要求，从知识、能力、素质三个层面确立《电路》课程的教学目标。表1给出了课程教学目标及其具体实现方法。

（二）构建渐进式教学过程

对《电路》传统教学模式进行改革，包括三个层面：

1：课堂教学模式改革：基于CDIO理念，探索创新教学模式;2：实验教学方法改革：淘汰实验箱式实验模式，探索创新性、团队合作性实验课程的设计;3. 线下学习方式改革：结合第二课堂、电子设计竞赛训练，探索建立贯彻大学四年的课外自主学习和创新实验体系。

新工科教育强调培养学生的工程实践能力和创新精神，而能力的培养不是一蹴而就的。为此，采用“知识传授—能力培养—创新锻炼”的渐进式结构，重新组织教学过程，如图2所示。

1. 知识传授阶段：这一阶段主要在课堂教学时完成，在每个知识单元开始前，首先提出一个设计任务，以激发学生的学习兴趣。学生会在教学中主动思考哪些知识点可用以实现电路的设计。

2. 能力培养阶段：这一阶段主要在实验课程中完成。基于课堂教学中获得的知识，学生在实验室设计和制作小型简单电路，锻炼动手能力。

3. 创新锻炼阶段：这一阶段主要在课程设计、第二课堂中完成。在实验课小型简单电路的基础上，给出一些具有一定难度的挑战性设计课题，将学生分成若干小组，采用组内合作、组间竞争的方法，完成电路的设计、制作和检测，撰写设计报告并进行展示。

（三）设计多元化成绩评价体系

建立基于过程跟踪和多元指标的成绩评价体系，根据课程进度的不同阶段，采用“精确评价”和“模糊评价”、“过程评价”和“结果评价”、“学习态度评价”和“学习成果评价”相结合的手段，针对性的设计考核内容。具体考核方式为：

1. 出勤、作业和课堂表现评价：这是一种注重学习态度的过程性评价指标，在课堂教学阶段，基于学生的表现给出分数。如果学生积极参加第二课堂，还可以获得额外的加分。

2. 项目完成情况评价：在实验和课程设计阶段，主要考察学生对工程项目和创新实验的完成程度，采用“组间互评、组内自评”的方式。首先由项目完成团队展示完成作品，由其他团队打出分数，该分数为团队总分;再进行组内自评，团队成员根据团队分工和表现，互相给出团队总分分配比例。这种评价方式侧重动手能力和创新意识的评价，有意识地引导学生锻炼能力、提高素质。

3. 期末考试成绩评价：这是一种注重结果的评价方式，但不同于传统的闭卷考试，允许学生带一张A4纸的资料。因此引导学生主动归纳、总结课程知识，同时也将考核重点从知识的记忆升华为分析问题、解决问题的能力。

上述三种考核方式，方式1和2采用模糊评价，根据学生表现在全班的排名给出等级，占总成绩的50%;方式3采用精确评价，占比50%。另外，课程设计还有单独的2个学分。课程的考核成绩还将成为遴选进入电子设计竞赛团队的标准。

三、基于CDIO模式的课程教学过程设计

（一）基于CDIO模型进行项目式教学

基于CDIO思想，采用“任务驱动、情境创设、渐进培养”教学模式，将教学过程分为五个阶段：1. 案例导入，展示学习目标;2. 案例为载体，在课堂教学中学习知识，进行构思;3. 小组合作，完成电路设计;4. 展示作品，分享设计经验;

5. 反馈评价，梳理知识体系。

在课前准备阶段，提出设计要求，让学生产生主动学习的兴趣;在课堂教学过程中，通过实物展示的方式，围绕项目的实现讲解知识点，让知识变得有趣、具体;在课后，改变传统的单一通过做题来巩固知识的方式，引导学生自主动手，完成项目的设计与实现。

打破传统的以知识为本位，以教学过程为主线，以教师为中心，以教材内容为主题的教学过程设计思路，根据工程化教育理念，构建以能力为本位，以职业活动为主线，以学习者为中心，以工程项目为主题的模块化课程内容设计框架。建立以基础知识为起点、能力培养承上启下、创新意识和工程意识树立为最终目标的课程内容结构，图3给出了第一单元教学内容组织图。

目前，将课程知识点重构在11个项目和4个创新实验中，如表2所示。

四、结论

新工科背景下的专业教育是“与未来合作”的工程教育，是高等教育“质量革命”的先驱性、引领性和支撑性力量，是加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育的战略支点。《电路》教学改革的实施，获得了以下的成果：

（一）学生地位主体化

通过在每个知识单元提出设计任务的方式，改变了老师讲，学生听的被动学习状态，让学生带着设计任务来学习，在探索中主动求知，成为教学过程的主导者。部分设计任务还需要《模拟电子线路》、《数字电子线路》课程知识支撑，这样就将整个电子工程相关的专业课程融会贯通，解决了知识碎片化的问题。

（二）抽象概念具体化

设计了大量实验，将抽象的概念转换为实验现象，以帮助学生更好地理解和掌握各种电路原理和设计技巧。这些实验大部分来自实际电气工程，也能培养学生理论联系实际的能力。

（四）课堂实验一体化

通过“知识传授、能力锻炼、创新培养”三阶段渐进式的培养模式，打通课堂教学、实验教学和课程设计，将知识传授、能力培养和创新意识的锻炼成为一个整体。同时也改变了传统实验教学中学生缺乏动手机会的问题，实验全部是创新型、设计型实验，让学生既锻炼了动手能力，也能将理论知识转化为工程意识。

参考文献：

[1]黄英，李保国，雷菁，等. 新工科的专业核心能力探索及课程体系构建[J]. 大学教育，2020，5：20-22

[2]Spady，W.D. Outcome-based education： critical  issues  and  answers[M]. Arlington： American Association of School Administrators.1994.

[3]葛浩，林其斌，倪受春，等. OBE-CDIO 工程教育模式下的单片机课程教学改革与实践[J]. 滁州学院学报，2019，21（5）：114-119.

[4]Maidan， Halim A ， Safitri R ， et al. Impact of Problem-based Learning （CDIO） model through Science Technology Society （STS） approach on students’ interest[J]. Journal of Physics Conference Series， 2020， 1460：012145.

[5]劉萌，郑煊. OBE 模式结合CDIO教学法实现地方高校教育范式转变的研究[J]. 齐鲁师范学院学报，2019，34（3）：31-61.

[6]陈小玲.新工科背景下《电路理论》课程教学改革与创新[J].科技创新导报，2019，16（14）：194-195.

基金项目：2019年度湖南省普通高校教学改革研究项目“工程认证背景下基于OBE理念的《电路》课程教学模式研究与实践”（20191056）

作者简介：

孙元（1980-），男，汉族，甘肃武威，博士，湖南第一师范学院信息科学与工程学院，讲师，研究方向为物联网技术。