基于OBE-CDIO工程教育模式下的单片机应用技术课程教学研究

陈培余

（浙江安防职业技术学院，浙江 温州 325016）

0 背景

OBE是一种以学生为中心、成果为导向的教育理念。在教学的过程中，注重培养学生积极主动的学习能力，强调学生学习专业知识后的反馈成果。CDIO分别代表：构思、设计、实现和运作，是以产品从研发到运行的整个生命周期为载体，将工程项目与课程教学内容有机结合的教学模式。在教学过程中，要求通过实际的项目场景设计课程教学内容，基于项目化教学培养学生的实践工程能力。单片机课程是浙江安防职业技术学院人工智能学院物联网应用技术专业的一门专业核心课程，是后续传感网应用开发、嵌入式系统开发等课程的前导课程，也是学生毕业设计、物联网应用技术竞赛、电子设计竞赛的核心基础。该课程对接物联网应用技术专业人才培养方案，注重培养学生工程分析问题和解决问题的能力。随着时代的发展，单片机在仪器仪表、家用电器、智能控制等领域发挥着越来越重要的作用。为适应未来社会发展的岗位技能需求，本文将OBE理念和CDIO理念进行有机融合，提出基于OBE-CDIO工程教育模式下的教学理念，通过优化教学目标，引入项目化教学案例，完善课程标准来提高课程教学质量，培养学生的软件编程调试能力、工程分析问题能力和综合素质能力。

1 教学内容的改革

1.1 确定教学目标

OBE理论注重学习课程后的产出，要求学生重点学习单片机应用技术专业基础理论知识和专业技术技能，培养具备实践技术创新能力且适应企业岗位技能需求的人才。结合人才培养方案设置和课程的特点，课程的教学目标分为知识目标、能力目标、素质目标和思政目标四个方面。（1）知识目标：掌握单片机的硬件系统结构、定时器/计数器的工作原理、中断系统的结构和工作原理、串口通信的工作原理以及LCD液晶显示的工作原理等。（2）能力目标：能进行单片机应用系统设计以及软硬件系统的综合调试能力。（3）素质目标：培养学生查找资料、利用资料的能力，以及培养学生养成严谨、细致、规范的职业素养。（4）思政目标：始终贯彻“崇德尚能，知行合一”的校训为教学理念，以“奋进的互联新时代”为思政主线，培养创新奋进、家国亲情、感恩奉献的新时代应用技术人才。课程教学目标的实现方法如表1所示，课程与中国工程教育认证标准的匹配度如表2所示。

表1 教学目标的实现方法

表2 课程与中国工程教育认证标准的匹配度

1.2 重构教学内容

OBE理念注重以学生为中心，教师为主导，强调专业知识的应用性和创新性，以实际工程案例激活课堂，任务驱动为导向，学习成果为检验。根据人才培养方案中课程应支撑毕业生所需达到的知识、能力、素质和思政目标的要求，重构了课程教学内容。采用“线上预习→项目需求分析→明确任务→知识精讲→项目实施→答疑解惑→评价总结→课后拓展→成果展示”的形式进行知识传授。首先学生通过超星学习通平台观看任务书并进行相关知识点的预习。其次通过视频或实物向学生展示要完成的作品，提升学生学习的兴趣，然后根据项目需求重新组织教学内容，并对照课程目标剖析任务点，将任务细分为若干个子任务点，每个实训小任务都要求覆盖特定的理论知识，有渐进的梯度。课中进行项目的实施练习、答疑解惑和评价总结。最后课后布置创新性拓展任务，分小组分工合作完成实验项目。

在进行实验项目设计开发时，调研物联网应用技术专业的产业链，以提升职业综合能力为培养目标，将单片机应用技术课程内容重构为7个实验项目。具体项目内容为：跑马灯系统、产品数量计数器系统、楼梯照明灯系统、数码管显示秒表系统、单片机双机通信系统、基于LCD1602人机交互界面显示系统、电压采集系统。

2 以学生为中心，采用CDIO模式实施教学

2.1 多手段导入项目任务，让学生了解课程内容，激活学生学习的兴趣

首先，向学生展示实际的单片机应用开发系统作品，比如电子设计大赛、物联网应用技术大赛的制作成品和视频，以及往届学生毕业设计和实训设计的作品，这些单片机实际产品或作品可以提高学生学习的兴趣，通过作品展示让学生了解单片机具体可以开发哪些实际的产品。其次，借助51job求职网站搜索单片机课程将来可以从事哪些具体的岗位，让学生提前了解这些岗位应该具备的职业技能和岗位技能要求。最后，介绍本课程的学习目标、学习内容框架以及人才培养方案课程体系中所处的位置。通过对本课程大致的了解，便于学生合理规划自己的时间，制订相应的学习计划。

2.2 开放教学场所，建立线上资源

OBE强调以学生为中心，以课程目标结果为导向调动学生学习的主动性。学生在课堂内学习时间是短暂的，为学生建立超星学习通线上教学资源，并配备单片机开发板，引导学生课前预习、课后自学和扩展实践。另外拓展实践场所，不局限于教室，带领一些对单片机项目开发有兴趣的学生进入双师创新实训室，提供常用的仪器设备和电子元器件，通过电子设计大赛和项目化演练提升单片机应用开发的技能。

3 实施校内课外实训设计，培养学生工程项目的应用能力

校内实训课程结合OBE-CDIO理念进行项目的实施，学生作为实训设计的主体，教师布置任务，学生进行项目的构思、设计、实现和运行4个环节的实施。项目构思阶段，确定小组组长，根据每个学生的特点进行各自的分工，对项目提出初步的方案构想。项目设计阶段包括：器件选型和采购、硬件设计、实物焊接制作、软件设计、任务模块化。项目实现阶段：对项目进行功能测试。项目运行阶段：项目小组进行实训报告的撰写和PPT的制作。通过校内实训，学生了解了产品开发的整个实施流程，团队合作意识和实际工程项目开发能力都得到了锻炼。

4 基于OBE-CDIO教育模式的案例设计实践

以数码管显示秒表课程项目为例讲解OBECDIO教育模式在教学环节中的应用。教学上主要分为教师教和学生学两个并行的CDIO模式，具体的教学环节设计如表3所示。构思阶段：教师通过超星学习平台发布任务的具体要求为，定时器1采用工作方式1，16位定时模式，数码管动态显示秒表，当数码管显示60s的时候开启蜂鸣器，响亮1s后，关闭蜂鸣器。学生通过观看作品，了解本节课的学习任务。设计阶段：教师把任务细分为多个小任务，包括蜂鸣器的IO口输出原理、数码管动态显示的原理、定时/计数器的工作原理和初值计算，以及数码管动态显示秒表的流程图；学生实施硬件平台搭建，Keil编译环境下进行软件开发设计。实现阶段：教师进行软件功能模块化整合，提供项目指导手册。学生对照项目指导手册进行硬件搭建和代码调试实现。运作阶段：教师对项目进行答疑总结，布置课外拓展性任务，如实现闹钟功能、系统上下电数据保存功能等。学生进行小组讨论，明确分工，并通过查阅资料实现拓展性功能，形成PPT进行项目汇报。基于OBE-CDIO的教学策略，学生经历需求分析、查阅资料、学习探究、方案设计、软硬件综合调试、系统测试、课外拓展训练、汇报总结等环节，与传统独立的知识传授相比，教学内容具备实际工程项目化特点，有效改善学生专业技能的掌握程度。

表3 教师教和学生学的设计环节

5 教学改革的成效

基于OBE-CDIO的教育理论下的单片机应用技术课程改革方案，取得了良好的教学效果。主要表现为以下两个方面：（1）以学生为中心展开的教学，让学生参与到整个项目的过程，使学生由被动学习转变为主动查阅资料进行探索性学习的过程，学生的职业技能、团队协助、分析问题与处理问题能力得到了提升。（2）通过组建校内电子设计兴趣小组，学生参与到竞赛和科研当中，通过以赛促学使学生的项目开发能力和创新能力都得到提高。在2021年的物联网应用技术大赛和全国电子设计大赛中，学生在比赛中均取得了优异的成绩。

6 结语

本文提出了基于OBE-CDIO工程教育模式下单片机应用技术课程改革。以OBE学习成果为导向，发挥以学生为主体，在CDIO工程教育模式下实施理论和实践教学，发挥以学生为主体，提高了学生学习的兴趣和主动性，锻炼了学生工程项目的分析和解决问题能力。