OBE-CDIO理念下“单片微型计算机原理及应用”课程教学探索与实践

曹一鹏 吴昊 毛艳娥

摘    要：文章针对“单片微型计算机原理及应用”课程的强实践性特征，以及教学中的“四重四轻”问题，提出了基于OBE-CDIO理念对“单片微型计算机原理及应用”课程教学进行了改革，阐述了教学改革的理论支持以及实施过程，以学生发展为中心，以成果导向教育OBE为目标，以CDIO的四个环节为着手点对课程教学进行改革，并坚持持续改进以达到工程教育专业认证的标准，从而提升学生的自主学习能力、工程实践动手能力及创新创业能力。

关键词：“单片微型计算机原理及应用”课程；OBE-CDIO；四重四轻；专业认证；工程实践能力

中图分类号：G642.0    文献标识码：A    文章编号：1002-4107（2023）07-0074-04

作者简介：曹一鹏（1981—），男，吉林大安人，沈阳航空航天大学计算机学院讲师，主要从事单片机教学及嵌入式系统开发研究。

基金项目：2021年辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目“基于数字孪生的《单片微型计算机原理及应用》混合教学模式改革研究”（辽教办〔2021〕254号）；2022年辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目（优质教学资源建设与共享项目）“以跨校修读为基础、以提升工程实践能力为导向的‘单片微型计算机原理及应用课程改革的探索与实践”（辽教办〔2022〕160号）；2022年沈阳航空航天大学教学改革项目“基于提升学生工程能力的单片机实践教学体系的改革与实践”（JG2022001）

在教育全球化的大背景下，為应对产业技术的不断升级创新，高等教育改革也随之不断革新，工程教育成为当前高校教育界广泛研究探讨的话题，尤其是工科高校，更是将工程教育专业认证作为一项提高工科专业毕业生培养质量中重要的一环来实施。在2016年，我国成功加入《华盛顿协议》后积极开展工程教育专业认证，要求国内各高校（尤其是工科类的高校），根据工程教育专业认证的三个基本思想（以学生为中心、以学习成果为导向、持续改进）推进工程教育改革的不断创新，使工程教育得到更高质量的提升；促进与工业界及产业界的联系，提高行业人才培养与产业发展的适应度，以培养优秀的工程应用及创新人才；促进与国际工程教育的互认，逐步提高我国工程技术人才的国际影响力及竞争力[1-2]。

沈阳航空航天大学（下文简称“沈航”）是一所以工科为主的高校，学校正在积极推进各工科专业的工程教育专业认证。“单片微型计算机原理及应用”（以下简称“单片机”）课程是沈航的校级平台课，同时也是辽宁省一流课程，学校大多数工科专业均修读该门课程，所以“单片机”课程也必须要进行针对工程教育专业认证的改革，以提升工程创新人才的培养质量。

一、“单片微型计算机原理及应用”课程教学体系存在的问题

“单片机”课程具有强实践性的特征，沈航开设的“单片机”在课内和课外均配有实践环节，但仍以课内实验为主，辅以课设设计、毕业设计等环节。然而，在通过工程教育认证之前，沈航的“单片机”课程教学体系仍存有以下不足。

1.重知识传授，轻能力培养。任课教师将理论知识的传授看得较重，将实验作为课程理论知识的补充，实验的目的仅仅是验证理论知识，对“单片机”整个开发流程未做或较少涉及，所以对学生的工程能力、创新能力培养较为不足。

2.重课上讲授，轻课下实践。课堂教学中存在着以任课教师的讲授为主的问题，但近年来受缩减学时学分的影响，实践能力培养环节大多放到课下完成，课上任课教师与学生互动较少，缺乏翻转课堂的有效实施，学生做出来的优秀案例也得不到很好的展示，导致学生对于复杂工程问题的思考积极性不高。

3.重知识点讲解，轻知识点之间联系。教师授课主要采用讲授、讨论及案例相结合等教学方法，针对每章重要知识点能够作出详细的讲解，使得学生能够较好地掌握知识点，但各知识点之间的联系讲授不够，不利于学生全面深入地掌握单片机系统的开发流程，难以提升学生的系统分析能力。

4.重考试结果，轻学习过程。在学生评价方面，仍采用“一考定成绩”为主的评价方式，缺少过程化和精细化的考核，无法满足以学生为中心的多样化及能力化要求，无法准确评价学生的学习成果，更做不到持续改进授课内容和方法。

综上，“单片机”课程若不进行适应发展的改革，仍采用传统教学模式，将无法达到工程教育能力培养的目标。

二、教学改革的理论支持

OBE（Outcomes Based Education）是最早出现在美国与澳大利亚的中小学基础教育改革中的一种重视学习产出的教学模式，其核心思想是学校、教师、管理人员等对学生毕业时应达到的能力具有清晰地设计，通过“反向设计，正向实施”，寻求适合的教育模式及方法来促使学生达到这些预期目标，即教育者更看重如何培养学生学习能力和获得怎样的学习成果[3]。CDIO工程教育模式（C：构思Conceive、D：设计Design、I：实现Implement、O：运行Operate）是国际工程教育创新的研究成果，在2011年，其创始人爱德华·克劳利（Edward Crawley）因对该模式的研究荣获被誉为“工程界的诺贝尔奖”的美国工程院“戈登奖”[4]。CDIO工程教育模式是指以项目为载体，学生从主动、实践、课程及其之间联系等多方面学习工程知识，旨在培养学生的工程专业基础知识、系统工程能力、个人能力及团队合作能力[5]。从上述两大理论的核心思想可以得出，OBE可以作为目标，CDIO可以作为手段，通过将OBE与CDIO有效结合与互补，能够有效地实现培养综合型人才的既定目标，并确定了学生对“单片机”课程的整体预期学习产出，又根据该预期学习成果，构建教学目标，反向设计该门课程的教学内容和方法，按照CDIO开展教学，针对“构思、设计、实施、运行”四环节设计项目式训练方法，形成OBE-CDIO有效结合的教学模式。通过应用该教学模式可提升学生的工程应用能力、终生学习能力、团队交流能力及创新创业能力[6]。

三、课程改革的实施

本文以沈航的“单片机”课程为载体，初步探索基于OBE-CDIO教学模式的改革工作与效果。“单片机”课程改革遵循的改革思路如图1所示。

（一）构思（Conceive）——重新梳理教学大纲，制定教学目标

在课程改革前的教学大纲中，各章节的教学目标多为要求学生对重要概念和SFR（特殊功能寄存器）的记忆，以及对基本应用的理解，却没有重视通过多知识点的融合提升学生分析、解决具有高阶性、创新性及挑战度的复杂工程问题能力，更没有体现出课程思政对课程本身以及学生自身发展带来的益处。

笔者及教学团队基于OBE的教育理念，根据国家发展要求及行业需求，确定学生的学习成果和能力，重新梳理教学大纲，构思培养学生能力的方向，结合课程思政设计课程教学目标。另外，由于“单片机”课程一般开设在第五、六学期，因此侧重于使用高级别的布鲁姆认知深度来表示，使学生对所学习的“单片机”专业知识、应达到的能力形成较为清晰的认识。

（二）设计（Design）——整理教学资源，设计教学手段和方法

OBE-CDIO教育理念的核心是以学生为中心，以学生获得的能力为导向，对于知识点，学生应该做到的是理解而非简单的记忆，这就要求改变以教师为中心的授课方式，教师在授课中要注重培养学生具有解决开放问题的能力，而非只具有解决有固定答案问题的能力[7]。笔者以下从理论授课、实践操作两个环节来阐述OBE-CDIO理念在“单片机”授课中的设计。

在理论授课环节，笔者在设计课程内容及实现方式时，重视教育部对示范性金课的要求，重点设计具有高阶性、创新性和挑战度的案例。先抛出案例，进而分析其中用到的知识和技术，重视多知识点的融合，并将这些知识点和技术进行详细的分析与讲解。学生在学习过程中，要不断总结开发单片机系统的方法和技术，理顺各知识点之间的内部联系，提升自己分析、解决复杂工程问题的能力。

在实践操作环节，笔者尽量减少验证性实验的学时，较多地安排具有设计性和综合性的实验。但由于学生学习能力、前期的相关知识储备及实践动手能力不同，所以笔者将实践项目分为三类，即基本实验、综合设计型实验、学生自主立题的开放型实验。对于基本实验，主要是以各章重要的知识点为载体，目的是提高学生的学习兴趣，进而提升学生的实践动手能力。对于综合设计型实验，利用专项设计，使学生熟悉并理解单片机系统的开发设计流程，目的是培养学生综合设计及单片机系统开发能力。对于学生自主立题的开放型实验，利用沈航计算机学院的本科生进教师研究室的政策，鼓励优秀的本科生进入教师的研究室，以教师科研项目为依托，立足产教融合，培养学生的创新设计能力及工程实践能力。通过以上三个环节构建出如图2所示的阶梯式实践教学模式，按科学规律循序渐进地培养学生的各项工程实践能力。

另外，在设计理论课程及实验内容时，笔者及教学团队深入挖掘“单片机”课程中蕴含的思政元素，尤其是通过案例引入知识点，注重案例中蕴含的精神、思想、价值等思政内容，在潜移默化中提升学生的思想道德品质，做到习近平总书记要求的“全员、全程、全方位育人”。教学团队通过课程思政内容的无声融入，增强学生的学习兴趣，提高学习动力，进而提升学生的工程实践能力[8]。

（三）实现（Implement）——借助跨校修读，拓展学生的知识面

在实践中，教学团队积极推进“互联网+教育”的混合式跨校修读教学模式，借助于辽宁省推行的“酷学辽宁”平台，坚持以学生为主体，学生发展为中心，以学生的学习成果为导向，改变传统教学的灌输式授课方式，构建“做中学、用中学、练中学”的3L（Learning by doing，Learning by using，Learning by training）人才培养的新模式，着力提升学生的工程实践能力。

跨校修读分为建课方和用课方，双方共同制定教学计划。课前，要求学生在通过“酷学辽宁”平台观看建课方教师的授课视频，完成布置的思考题。课中，改革团队教师抛出在设计阶段精心准备的案例，通过理论分析、仿真演示及实际构建，要求学生进行讨论分析，回答出教师提出的问题，最后教师认真讲解本章的知识点以及与前序知识点之间的联系，并进行总结归纳。课后，通过布置作业、拓展阅读、实操训练等方式提高学生对知识的掌握情况，最后，用课方将学生的掌握情况反馈到建课方教师，双方通过针对学生的学习成果进行持续改进。整个实现阶段师生工作学习内容如表1所示。

（四）运行（Operate）——细化考核方式，培养学生多方面能力

通过对课程进行构思、设计、实现三阶段改革之后，教学团队改变以往仅通过一次期末考试就决定学生成绩的考核方式，加大过程考核比重，将总评成绩设定由观看视频时长、线上测试成绩、小组讨论、实验成绩、期中成绩、期末成绩等几部分，通过增加这些考核环节来提升学生的多方面能力，如：工程实践动手能力、创新创业能力、语言表达能力及团队协作能力等，并注重培养学生的高级工程思维。另外，在期末考試中，增加一些具有开放性答案的试题，对学生是否具有解决开放问题的能力进行考查。考核方式和能力对应关系如图3所示。

四、课程的持续改进

工程教育专业的一个重要理念就是持续改进，因此教学团队结合学生学习情况、考试情况和学生工程实践能力提升情况，认真总结改革成果，持续改进教学目标。教学团队通过学校督导听课、任课教师互相听课、学生评价教师等多种手段寻找教学中的问题与不足；通过计算教学目标的达成，分析课程中授课方法和手段的不足，提出合理化的改进建议；与专业的思政课教师共同讨论，形成协同育人教学团队，发挥课程思政的思想引领作用；侧重将理论知识和动手能力高度融合，更加强调将知识转化为实际运用的能力，使学生成为学习的主体与中心。

五、结语

培养具有工程实践能力及创新创业能力的综合素质人才是工程教育专业认证的核心目标，在OBE-CDIO理念指导下对“单片机”课程教学进行改革，以学生发展为中心，以成果产出为导向，反向设计教学目标，正向实施教学过程，持续改进，循序渐进地培养学生的工程实践能力。该教学改革成果目前已经推广到其他课程的教学当中，并且“单片机”课程隶属的沈航计算机科学与技术专业也已成功通过工程教育专业认证。经实践证明，基于OBE-CDIO理念的教学深受学生、家长、企业的欢迎，极大地激发了学生的自主学习能力、创新能力、工程实践能力以及社会适应能力，为国家发展和社会需要培养优秀的单片机行业人才。

参考文献：

[1]  王宏，于晓，韩家新，等.融合CDIO-OBE的双线程交互式教学模式探索与应用[J].计算机教育，2018（9）.

[2]  华尔天，计伟荣，吴向明.中国加入《华盛顿协议》背景下工程创新人才培养的探索与实践[J].中国高教研究，2017（1）.

[3]  周双喜，韩震，黄强.CDI0-OBE工程教育模式的材料力学实践教学研究与探索[J].实验室研究与探索，2018（8）.

[4]  李明忠，任林芳，焦运红.美国高等工程教育改革的主要特征——以戈登奖获奖项目为例[J].高等教育研究，2018（1）.

[5]  王硕旺，洪成文.CDIO：美国麻省理工学院工程教育的经典模式——基于对CDIO课程大纲的解读[J].理工高教研究，2009（4）.

[6]  李刚，秦昆，万幼川，等.面向新工科的遥感实验教学改革[J].高等工程教育研究，2019（3）.

[7]  顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（下）[J].高等工程教育研究，2012（5）.

[8]  曹一鹏，潘琢金，吴昊，等.课程思政视角下的“单片微型计算机原理及应用”课程教学探索与实践研究[J].工业和信息化教育，2022（5）.

[责任编辑  韩晓雨]