基于OBE 理念的EDA 技术课堂教学改革*

贺国庆 寇为刚

甘肃政法大学人工智能学院 兰州 730070

0 引言

随着人工智能技术理论的深入发展，数据计算个性化和高性能化的趋势愈加明显，由此以FPGA（Field Programmable Gate Array，Field Programmable Gate Array）为代表的EDA 技术愈加受到重视。为满足国家和社会对电子应用技术高素质人才的需求，开设以FPGA 为代表的EDA 课程是很多高校相关专业进行一流专业建设和实现学生就业创业的必然选择。然而，由于EDA 技术具有高灵活性[1]和高实践性的特点[2]，学习EDA 技术对学生综合能力的要求较高，现实中很多学生无法立即满足这种要求，继而出现学生对课程兴趣不强、教师在教授过程中理论与实践偏离等问题[3]。不同高校根据各自实际情况对EDA 课程进行了对应的改革，且都取得了一定的效果。

参考各高校对此类课程的改革理念和思路[4-6]，本文以甘肃政法大学安全防范工程专业EDA 技术与应用课程存在的实际问题为出发点，以学生为中心[7]，围绕教学过程中常见的主要问题[8]，基于OBE 理念[9-10]以提升学生满意度和培养职业化素养为目标，结合对理论和实验教学时间的分析，通过课程思政与理工科结合的方式、PBL 教学模式等方法对存在的主要问题逐一进行分析、探索和实践，设计出一套符合自己实际情况的教学思路和方法，以完成提升教学效果的改革。最后以2018—2020年三个学年同一专业学生对本课程的学习情况的问卷调查对此次教学改革的效果进行评判。

1 改革内容与方式

本次教学改革基于OBE 教学理念下创新型工程科技人才培养路径的思路[11]，如图1 和图2 所示，每个完整的教学周期都将完整执行图1 中四个循环模块中的内容，经过连续三个教学周期的实践和调整，最终达到教学方案与实际相适应的目的。图2每个阶段又侧重不同的目标，且都有“制定方案—执行方案—反馈评价—方案调整”的内部小循环，如此反复，不断发现问题，改进内容与教学方法。具体改革主要从以下几个方面进行。

图1 基于OBE 教学理念与思路

图2 教学改革周期与侧重点

1.1 引入思政元素，重新定位课程

EDA 技术与应用课程开设初期，一方面，任课教师忽视了对学生情况的研究，导致在实际教学过程中出现课程内容与学生现有知识储备不衔接的情况，教学效果不及预期又反过来导致教师对该课程的教学信心降低，对最终的教学目标模糊不清；另一方面，学生认为对该课程耗费时间和精力过多且课程与专业方向和就业密切度不高，因此对该课程兴趣不高。这样不但没有实现通过课程教授知识和技能的初衷，也没有达到利用课程激发学生进行探索创新的目的，反而将该课程变成了学生的一种额外负担。针对以上问题，首先，有必要在教学改革中发掘思政元素与理工科课程结合的特点[12]，通过思政元素中相关人物和事件与课程内容知识点的结合，引导学生围绕家国情怀、理想信念在课堂进行讨论和思考，引起学生对该课程的重视；其次，通过课程思政，引导学生在学习的过程中认识课程的重要性，一方面培养学生学习知识报效国家的高尚品质，另一方面将课程所学技能与就业、创业进行联系，以此激发学生对该课程的兴趣，提高学生学习的积极性。每学期课时有限，教师教授给学生关于专业的知识有限，只有让学生自己主动学习探索才能真正实现为“用”而“学”[13]。

1.2 加强实验，优化教学模式

EDA 技术与应用课程是一门实践性较强的课程，原有的教学模式采用理论、实验各占一半学时的授课方式，先讲理论，再根据理论的覆盖范围进行对应的实验，这是含有实验内容课程的一般授课方式。但这种授课方式在时间划分上不够合理，会出现理论不能完全覆盖实验的现象，从而出现教学过程中实验项目内容不足、实验项目衔接度不高、实验项目进度缓慢、学生厌学等问题，为此，本次改革对教学模式进行了优化：1）加大实践教学，以实验项目为导向进行教学，在整个实验过程中穿插实验所涉及的内容；2）减少纯理论授课时间，授课时间与内容划分计划如表1 所示，从形式上看是压缩了理论学时，扩展了实验学时，其实质是将理论讲授穿插在实验中，让每个实验更加充实、系统、完整，从效果上来看，教学效果更佳，让授课学时得到了充分的利用。

表1 授课时间与内容划分计划表

合理划分实验内容。在确定以实验项目为导向的“轻理论，重实践”原则下，理论授课时间大都被压缩到实验环节中，在表1 中，原有的理论部分的知识体系被以实验项目的形式替代，如果在实验的设计中没有较强的层次性、衔接性，则学生势必无法掌握完整的知识体系，EDA 技术层级划分和系统性的设计思路也不能从教学方式上体现。

把握好实验的层次性、演绎性，重视项目的完整性，不但能解决知识体系不够完整的问题，还能以这种授课形式教给学生学习本课程的方法和思路。为做到这一点，本次教学设计参考PBL 教学模式[3,14]，实验项目设计如表2 所示。先设计理论知识需求较低的实验题目，以问题驱动学生利用数字电路中已经熟知的内容完成基础实验项目，以此培养学生对PBL 模式的适应，通过这一阶段，学生能够掌握EDA 设计基本流程、编程语言和工具的使用。

表2 实验项目设计

在进阶和创新实验阶段，同样采用PBL 教学模式，提升项目的综合性，抛出问题，在教师的指导下让学生自己设计完成。在这一阶段，学生能掌握EDA 设计过程中层次划分的设计思路，能够对部分常见简单算法电路进行设计、调试和仿真验证，进阶和创新实验阶段的实验以“攀岩”的形式递进，在基础实验上再进行拓展即可达到下一阶段的新实验，这种“攀岩”符合EDA 设计项目递进的关系，符合人类对知识学习层层递进的原理。

1.3 建立有效的反馈机制

效果反馈不仅指教师获得的学生关于实验过程和结果的反馈，更重要的是教师要根据反馈及时进行指导并调整教学方法，这能让学生在实验的过程中增加对理论知识的渴望，激发对理论的自我学习，使实验的教学效果达到最佳[15]。

为能够顺利对实验过程中的问题进行反馈和指导，本次改革建立小组反馈监督机制，如图3 所示。每个基础实验项目均以小组为单位进行，实验过程中小组相互讨论，完成实验，将实验存在的问题通过大组组长与本大组内其他小组讨论，由此，每组就能自行解决实验过程中存在的部分问题。最后以大组的形式将问题反馈表汇总至教师处，这样教师得到的反馈就能更集中，更具有典型性。教师根据得到的反馈面向全班讲授，这种方式不仅能够节省时间，还能让学生通过讨论对知识有新的探索和对实验进行辩证性思考，提高学习效率。

图3 反馈机制示意图

1.4 以考核方式突出对学生职业能力的培养

职业化是此类课程的特点，也是应用型高校培养人才的趋势。该课程作为实践性和应用性较强的综合性课程，对职业化的要求更高。课程开设初期，授课教师在讲授过程中缺少对职业化概念的引导，大部分学生对职业化不了解。为更好地培养学生的职业化素养和能力，课程从考核方式改革入手，考核方式改革前后对照表如表3 所示。

表3 考核方式改革对照表

改革前的考核方式过于主观，考核要素单一不丰富，不能较好地达到“以考核促学习”的目的，也不利于培养具有较高职业化素养和能力的人才。经过改革后的考核方式，不但能够在考核中突出对理论内容和实验的检验，达到对教学效果的检验，还能提高学生对于项目报告的撰写能力，促使其对报告的目的、内容、形式有更深入的思考。考核过程采用新的小组分工的方式完成，有助于加强学生团队合作的精神。

2 效果分析与评价

本次教学改革效果的评价分别从实验项目内容设计、理论与实验授课学时划分、反馈机制、考试考核方式四个方面进行，最后以问卷星的形式分别对2018 学年、2019 学年以及2020 学年教学班的学生进行调查。

2.1 授课内容与时间改革效果评价

实验内容设计与时间划分的满意度调查表分别如表4 和表5 所示。由表4 可知，改革后学生对该课程难度的认识不降反增，虽然这种难度部分是对实验项目内容的调整优化所致，但还是可以看出，该课程在甘肃政法大学该专业学生的平均知识储备和能力认知范围内，这进一步突出了对本课程教学方式进行研究和改革的必要性。从学生对于实验内容设计的紧密度的认可率来看，学生认为改革后的各个实验相互联系紧密，能够实现教学设计中“攀岩”的实验教学方法。此外，由于在改革中增加了与本课程相关的人物、事件的思政元素，且在该过程中注意插入对职业化概念的引导，学生对课程的兴趣度不断上升，这说明思政教学和职业化教育引导起到了较好的效果。

表4 实验内容设计满意度调查结果

表5 教学时间划分满意度调查结果

如表5 所示，2018 学年未进行改革时执行原始培养方案得到了大部分学生的认可（67.65%），但还是有约23.53%的学生提出应该在实验的过程中穿插理论知识。在第二个教学周期随即进行调整，采用表1 中的授课时间和计划。到2020 年，由于在上一年度加大了实验项目的综合性，难度有所提升，部分学生又认为应该加重理论的知识讲授。这种反复的调整说明学生对理论和实践的需求度能较好地体现出来，达到通过PBL 教学模式激发学生在实验中对于理论知识渴望的目标。通过改革，关于理论和实验时间划分的调整取得较好的效果。

2.2 反馈机制效果分析与评价

对三个学年EDA 技术与应用课程的教学和反馈机制进行调查的结果如表6 所示。大部分学生都希望在实验的过程中被指导，但是原始反馈方式经常是学生举手示意或等待教师发现问题后再等待教师统一指导的被动反馈机制，此后两年使用图3 所示的小组讨论反馈方式，经过小组讨论后，一些小问题被学生自主解决，其余未解决的问题由小组上传给大组，以大组的形式向教师汇报问题，形式更正式，能代表学生普遍存在的核心问题更加突出，不断促进学生思考，提升学生做实验的成就感。经过对反馈方式的不断执行和优化，最终学生对于反馈方式的满意度由原来的26.47%上升到70.27%。

表6 反馈方式满意度调查结果

2.3 考核方式效果评价

考核方式与效果的调查数据如表7 所示，未进行改革前，学生对考核职业化认识不足，因此，对将实验报告转为设计说明报告的模式表示不理解，认为撰写设计报告不能提高自己在职业化方面的能力。2019 年后，通过在教学中融入课程职业化的概念与意义，与此同时将实验报告转为设计文档，虽难度略有上升，但对学生个人能力的提升大有帮助，从调查的数据结果上就能看出，从原来的8.82%上升到40.54%。考核方式从原来理论与实验分开，分别计算各自成绩加权到改革后以题目为导向进行职业化的考核，学生对考核的有效性的认同度不断增高，这是进行职业化改革取得成功的一个重要标志，说明学生越来越接受这种考核方式，考核方式职业化改革达到了较好的效果和反馈。

表7 考核有效性调查结果

3 结束语

此次教学改革以学生为中心，以OBE 理念为指导，针对EDA 技术与应用课程教学中存在的多个主要问题进行逐一研究，并提出对应的解决方案，通过连续三年的探索和实践，最终提升了学生对EDA技术与应用课程的兴趣和对职业化的认识，利用改革后的教学模式，提升了学生的自主学习能力和团队合作能力，为EDA 技术与应用课程更好地适应行业发展规律，完善课程教学体系的改革目标奠定了良好的基础。