OBE-CDIO工程教育模式下单片机与嵌入式系统综合课程设计的教学改革

金琦淳，张延丽

（无锡城市职业技术学院 机电工程学院，江苏 无锡 214153）

0 引 言

OBE（Outcome-based Education），是一种基于结果（学习产出）的教育模式，也叫做成果导向教育、能力导向教育或需求导向教育。在OBE工程教育系统中，教师必须对人才培养目标有清晰的认识和准确的定位，寻求设计合适的课程教学目标、教学内容和课堂生态，并通过考核评价持续改进教学，从而有效促进学生的学习，保证预期目标的达成[1-2]。

CDIO代表构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）和运作（operate），其核心理念是将教学和工程实践紧密结合，二者相辅相成，相得益彰。以产品从构思到运行的整个生命周期为载体，依托工程项目实践，构建理实一体化的教学模式，让学生通过“学中做、做中学”强化工程知识和应用能力[3]。

单片机与嵌入式系统综合课程设计教学改革是一项长期系统的工程，需要结合人才需要、专业目标、课程定位、学生实际等情况，在教学中不断探索和改进，有效提高工程应用人才培养的质量。因此，运用OBE-CDIO工程教育模式，梳理课程教学内容，合理增加课程难度，拓展课程深度，全面优化课程质量，打造具有“两性一度”（即创新性、高阶性和挑战度）的实践“金课”。

1 基于OBE模式的课程重构

1.1 确立课程目标和定位

OBE理念注重学习产出，最终强调的是学生通过知识学习获得的应用与实践能力，培养的是适应社会、市场发展需求的具有良好技术应用能力和综合素质的人才。因此，课程教学目标的设置从知识、能力和素质三方面明确对毕业生各项能力的支撑：（1）知识目标主要是掌握扎实的单片机控制技术、电工电子技术和测试技术等理论知识；（2）能力目标主要是掌握相关工程知识，提高工程实践能力，掌握利用单片机进行应用系统或产品开发的基本流程，具备根据工程项目实际需求进行设备技术改造和产品开发的初步能力；（3）素质目标主要是提高系统思维、自主学习、合作沟通、批判创新等综合能力，成为具有现代工程素质的技能人才。课程教学目标的实现矩阵及与工程教育认证标准的匹配度见表1。

表1 课程教学目标的实现矩阵及与工程教育认证标准的匹配度

1.2 构建金字塔形和阶梯式教学知识体系

工程教育专业认证坚持以学生为中心，着重强调知识的应用性和创新性，根据培养需要构建能服务于培养目标的知识体系。按照毕业所需达到的知识、能力和素质等方面的要求，重构课程内容。采用“项目→任务→模块→知识点”的金字塔形结构（如图1），首先，自顶向下逐层组织教学内容；其次，根据课程目标研发实验项目，将项目分解为不同子任务，子任务由不同模块构成，在模块中提炼知识点；最后，自底向上组织教学，并结合“验证性实验→综合设计性实验→创新研究性实验”三级阶梯式实验类型，由浅到深、循序渐进地开展实践教学，从而将各单元串接起来，综合制作完成实验项目。

图1 金字塔和阶梯式知识体系

在进行实验项目设计开发时，一是要突出与社会、工程的结合，让学生在“用中学”和“用中研”；二是要突出与业界新技术、新方法和新器件的结合，紧跟业界技术潮流，使学生具有更高的技术起点；三是要突出与工程教育专业认证的接轨，使学生能够达成认证指标体系中的能力要求。最终，将单片机及相关联课程知识在5个实验项目中进行重构，具体项目包括：基于单片机的多功能计算器设计、多功能电子秤设计、多功能可重构智能小车设计、四旋翼飞行器设计和分拣搬运机器人设计。

2 CDIO工程教育模式下教学实施

2.1 教学实施模式

将CDIO理念融入整个教学过程，以实验项目为载体，将课程实践环节大致分为构思、设计、实施和运作四个阶段。教师和学生的活动是两个并行的CDIO互动教学模式流程，在整个实施的过程中，学生作为教学活动的主体，是实验项目的主持人，负责整个设计过程；教师作为项目的主导者，是教学过程的组织、辅导和评估人员。

2.2 教学实施进程

按照并行CDIO互动教学模式流程，课程的具体教学实施过程有四个阶段。（1）构思阶段。教师课前通过泛雅平台发布实验项目内容与任务，划分实验小组，提供相关软件、网站、实验器材等学习资料，利用课堂详细讲解实验过程及要求，并对小组方案进行考核；学生课后通过资料查阅和相互交流，自顶向下进行系统功能需求分析、任务分解、模块论证，提出初步设计思路和方案。（2）设计阶段。教师对相应模块知识点进行讲授后，定期到学生实践现场巡查指导硬件设计与搭建、软件编程与调试，并对小组完成情况进行考核，提出修改意见；学生自底向上开展模块设计，进行元器件选型、参数计算、焊接制板、仿真测试等。（3）实施阶段。教师由浅入深、由易到难地传授软硬件综合设计调试方法，指导学生逐步改进优化整体系统；学生进行模块集成、任务优化、系统调试，最终形成单片机应用系统，并按要求撰写实验报告。（4）运作阶段。教师组织项目路演和答辩，并对该项目的设计方案、设计思路、关键技术、创新点等进行点评，综合判分；学生操作演示实物作品，并制作PPT，进行汇报交流。

3 基于OBE-CDIO教育模式的案例设计实践

以多功能电子秤实验项目为例，详细论述案例设计开发过程，主要包括：实验内容与任务、实验过程与要求、实验知识体系构建。

3.1 实验内容与任务

设计一个以单片机为控制核心的多功能电子秤，实验分为基础层与拓展层两部分，基础层为电子秤日常使用的基本功能，主要任务是：设计并制作一个量程0~5 kg，测量误差±2 g的称重系统；完成清零、去皮、单价输入和总金额计算功能；能以数字方式显示物体质量、单价和总金额；当物体质量超出量程范围时，有超重警示功能。拓展层为根据不同小组兴趣自由选择设计的特色功能，主要任务是：实现数据存储功能，用于营业详情的记录与导出显示；实现时钟显示功能，可更新调整时间，并在系统掉电后仍能准确计时；实现语音播报功能，用于对物体质量、单价和总金额等数据的播报，要求至少完成1项上述任务或其他自定任务。

3.2 实验过程与要求

实验开始前，对完成实验项目的思路和方法进行引导，对可能涉及的技术、电路、器件等相关知识进行讲解，规划实验进程和设置实验要求。

（1）基础层

掌握单片机的工作原理和接口技术，设计单片机最小系统电路，熟悉Altium designer、Keil Uvision、Proteus、STC-ISP等软件的使用；合理设计供电系统，并根据输入电压范围、所需稳压值和最大输出功率选择合适的稳压芯片；计算并设计一种可以称重的压力传感器，注意压力测量范围和测量精度、输出信号形式和线性范围等关键的特征参数，并利用示波器进行测试；根据压力传感器的激励信号特征，选择或自行设计合适的信号调理和模数转换电路，并利用STC-ISP下载器，结合上位机软件进行测试；利用机械按键、上位机、语音或触摸屏，设计一种数据输入电路，并利用Proteus软件对其进行仿真测试；利用LED或液晶显示器，设计一种数据显示电路，并利用Proteus软件对其进行仿真测试；利用声音或光照，设计一种超重警示电路，并利用Proteus软件对其进行仿真测试。

（2）拓展层

任意构思一项特色功能，设计并实现工程应用。

完成上述步骤后，分模块焊接、装配、测试系统电路；编写程序，综合调试系统功能，记录调试过程；撰写课程总结报告，并分组答辩，学习不同方案的优点。

3.3 实验知识体系构建

电子秤实验原理主要是称重传感器在被测物体的压力作用下产生模拟量信号，运用运算放大电路和滤波电路对信号进行调理，再通过A/D转换器进行模数转换，将得到的数字量信号传送至单片机，单片机读取被测数据，进行程序运算，通过显示模块显示物体质量等数据；当物体的质量超出称重范围时，警示单元将提示用户进行合理使用；此外，用户可使用数据输入设备实现单价输入等功能。实验项目实现方案具备多样性和层次性（如图2），可满足不同能力水平的学生需求，充分发挥学生的主观能动性。

图2 实验项目实现方案

作为一个完整的工程实践项目，需要经历查阅资料、收集信息、学习研究、方案论证、系统设计、软硬件调试、测试标定、汇报总结等过程。在实验教学中，应加强对学生的理论和实践引导（如表2），助其构建实验知识体系。

表2 实验项目教学与指导内容

4 结束语

OBE-CDIO工程教育模式下课程的改革与实践遵循了“金课”建设的“两性一度”标准，利用OBE工程教育理念反向设计了知识、能力、素质有机融合的课程目标，重构了教学内容；采用CDIO工程教育模式实施理论和实践教学，充分发挥了学生的主体作用，体现了创新性。金字塔形和阶梯式实验知识体系的构建层层递进，自顶向下设计教学内容，提升了知识的深度和广度，体现了高阶性；自底向上实施系统设计提升了实践学习的探究度，使学生在教师主导的模式，投入更多精力全程参与实验，从而实现课程培养目标，切实提高教育教学质量和人才培养水平，体现了挑战度。