OBE理念下可编程器件及应用课程的教学改革

宗荣芳 孙巧榆 李威震

江苏海洋大学电子工程学院 江苏连云港 222005

0 引言

可编程器件及应用课程是电子信息类本科生的一门重要专业课程，课程内容涉及数字电子技术、可编程逻辑器件、硬件描述语言、信号处理等较多理论知识，通过课程的学习可使学生掌握数字电路系统分析、设计和开发的基础知识，在实际应用中具有解决复杂工程问题的能力和素质。成果导向教育OBE（Outcome Based Education）是以学生的学习成果为导向的教育理念，其教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后取得的学习成果[1]。为积极推进教育教学改革，本文将工程认证的OBE 核心理念贯彻到可编程器件及应用课程的理论和实践教学环节中，通过江苏海洋大学在线学习平台、腾讯会议、QQ 学习群、线下教学等方式开展教学。下面从优化教学目标和内容、深化教学模式改革、促进教学持续改进、提升课堂育人效果等方面研究从传统的“以教师为中心”转变为“以学生为中心”的教学模式，探讨可编程器件及应用课程行之有效的教学方法，力图在教学中达到实现学生的知识获取和能力培养。

1 以成果导向为教育理念，优化教学目标和内容

可编程器件及应用课程的教学内容是应用PLD器件进行数字系统设计，即以计算机为工具，在EDA 软件开发平台上，用硬件描述语言（VHDL）实现对数字系统的逻辑描述，再将这些设计文件（程序）用专门的软件工具自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合和优化，然后进行逻辑仿真，直至生成可下载到特定目标芯片的适配文件，最后用可编程逻辑器件作为下载对象完成复杂数字系统的设计。

1.1 课程教学目标

根据新的工程认证毕业要求和毕业要求观测点，电子工程学院对电子信息工程专业制定了新的培养方案和课程设置与毕业要求关系矩阵表，其中可编程器件及应用课程所要支撑的毕业要求有两个，一是能研究分析信号与智能信息处理等领域的复杂工程问题，以获得有效结论，二是能使用针对信号与智能信息处理等领域的复杂工程问题的现代工具。学院培养方案确定该课程属于专业核心课程，课程依据毕业要求指标点来制定教学大纲，确立课程目标和育人目标，具体毕业要求指标点及支撑关系如表1所示。

表1 课程毕业要求指标点及支撑关系

课程根据支撑毕业要求对应的指标点2-3 和5-1 制定了详细教学目标，目标内容如下。

目标1：了解EDA 技术的发展动态、设计工具及可编程器件的典型芯片；熟练掌握硬件描述语言（VHDL）基本语法要素、基本语句、描述风格，VHDL 的程序结构和数据对象。使学生能综合所学知识解决数字系统设计领域的复杂工程问题。

目标2：掌握利用EDA 工具软件和数字系统设计流程进行相应硬件电路的设计，能对所做的设计进行功能仿真、时序仿真、程序下载，并进行时序分析。使学生能针对具体工程问题进行实验方案设计、仿真分析等。

1.2 课程教学内容

合理的课程内容架构能帮助学生更加明确对课程的把握，引导学生有目的地去自学一些知识点，锻炼学生自学的能力，增加学生学习的兴趣[2]。

可编程器件及应用课程教学内容以VHDL 语言为基础，教材采用情境教学方式，教材通过案例引入相关语法知识、语句及程序结构等相关内容，知识点比较分散，短时间消化理解相对比较困难，导致学生课程内容掌握有限，因此有必要整合课程教学体系，优化教学内容，明确教学重难点，使课程内容体系具有科学性、先进性、实用性。教学内容设计时将课程内容分为设计载体、设计输入、EDA开发工具及实验平台4 个主要分支，课程内容的大体主体框架如图1所示。

图1 课程内容框架

教学内容设计从易到难、循序渐进地引导学生去学习知识，培养学生积极主动去解决问题。在自主学习安排上准备一些问题，让学生在学习知识点的基础上检验独立学习效果，教师根据学习效果可以更清晰地评价学生，然后在教学内容设计上加以改善，形成一个良性的循环。

2 融合多种智慧教学工具，深化教学模式改革

现在的智慧教学工具有很多，可根据课程特点和以学生学习成果为导向选择合适的教学方式。课程教学以腾讯会议、超星学习通、QQ 教学群等学习平台为依托，探索“理论课堂+网络空间”及“线上+线下”的教学新模式，实现教学资源共享，通过线上、线下各种渠道、分组讨论等教学活动加强生生互动、师生互动，打破“教室”和“课堂”的限制，拓宽教师与学生的联系渠道[3]。多种教学模式相结合，可以把学生不会的知识点更快地掌握，学生的主体地位得到充分体现。

2.1 课程教学方法

课程运用情境式、案例式、交流互动等多种教学方法，培养学生的沟通能力、科学思维能力、实践能力等。

课程教学可通过对典型案例的分析，让学生掌握利用可编程器件设计复杂数字系统的基本方法。课堂教学中通过多媒体课件、线上学习、翻转课堂等多种教学方式，促进教学目标达成。对难点与重点内容采用循序渐进的方法，将基础理论和实际工程应用相结合，提升课程的教学效果。课程的理论教学提出一种“AIRD”教学方法，即采用“电路案例分析（Analyze）+功能实现思想（Ideology）+VHDL 描述实现（Realize）+实例仿真演示（Demo）”的教学方法，将软件设计与硬件电路描述结合起来，使学生真正掌握授课内容。实践教学采用“学生硬件描述语言实现+教师针对性讲解仿真示范+随堂辅导”的教学方法，使学生实践能力得到培养。

2.2 课程教学实施

在课程教学实施过程中，秉承“成果导向、学生中心、持续改进”的OBE理念，提出“以学生为中心”的课程教学方案，教学实施过程中设计在线课程资源，综合运用不同教学工具。

课程加大在线课程开发，在江苏海洋大学课程在线教学平台构建集“教学、辅导、交流、考核”为一体的网络在线课程，利用在线平台的各种功能模块进行数据统计，网址为https://mooc1.chaoxing.com/course/208310735.html，与学生进行讨论互动等课堂活动，发布任务、作业和测试等多种教学环节，课程所有教学实施环节统计页面如图2所示。

图2 在线课程教学实施统计页面

设计教学实施过程包括备课、课前、课中、课后和反思等环节。为使学生的最终学习成果目标达成，课前，发布预习任务点，内容为相关教学知识点和教学视频；课上，根据教学安排对每个知识点进行讲解，课堂上不定时利用学习通点名签到功能，了解学生出勤情况；课后，课程教师可及时查看学生每天每个时间段进行章节学习的情况，页面如图3所示。同时学生通过学习通在线平台提交课后作业或课后测验，形成课前-课上-课后的课程闭环。

图3 学生访问统计结果

探索“大课讲授、小课研讨”等教学模式，线下在学校智慧教室教学，教师通过大班讲授或学生分组讨论等方式，及时了解学习情况，加深学生对课堂教学内容的理解。

3 构建课程目标评价体系，促进教学持续改进

对标课程教学目标，以持续改进理念改革课程考核评价方法，从学生的学习过程和学习结果两方面进行评价[4]。在本课程教学目标评价达成实施过程中，采用直接评价和间接评价等方式实现分析教学效果，为本课程教学提供行之有效的解决方案。

直接评价根据学习通平台上各环节统计的数据，内容包括学习通手势签到、课前任务点、课后作业及单元测试、期中考试和期末考试等完成情况，考试内容包括教学大纲中涉及的知识点，题型有基本概念题、分析题、程序设计题。

2022年春学期对所实施教学班级进行的课程目标达成评价值分析如图4所示，该课程共包括2个课程目标，对应2 个毕业要求指标点，按照相应的课程评价标准计算得出课程目标评价值1 为0.77，课程目标评价值2 为0.81，均大于设置的阈值0.6，该课程的课程目标全部达成。

图4 课程目标达成情况评价值

间接评价通过调查问卷形式进行，按照教学大纲中课程目标制定详细、具体、可衡量的子目标观测点达成情况的相关问题，分非常好（10 分）、较好（8 分）、一般（6 分）、较差（4 分）、非常差（2 分）五个等级调查学生掌握知识及获得能力的达成情况。子目标达成情况评价值（问卷）计算方法：

子目标的达成情况评价值（问卷）

其中ki分别取10，8，6，4，2。

最终课程目标达成情况评价值（问卷）取子目标的达成情况评价值（问卷）的最小值。

在所有评价环节结束后，教师要进行课程建设研讨，提出持续改进措施，完成学院课程目标达成情况评价报告，确保教学质量的持续改进，最终实现课程对毕业要求的达成。

4 挖掘课程思政元素，提升课堂育人效果

根据《高等学校课程思政建设指导纲要》精神，工学类专业课程，要注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[5]。

课程思政元素包括以下几个方面。

1）通过EDA 技术的发展史，引导激发学生强烈的好奇心与求知欲，把课程的“要我学”转化为“我要学”的自觉，激发学生的学习热情。

2）通过集成电路芯片设计关键技术主要依靠进口，许多电子企业的典型事例如中美贸易战中的中兴通讯公司事件，华为芯片断供事件等，激发学生的学习热情及爱国情怀。

3）通过实验、项目设计等实践环节，让学生在实践过程中理论创新，达到实践育人的效果，培养学生独立分析问题、精益求精的态度。

5 结束语

本文以电子信息工程专业开设的可编程器件及应用课程为例，秉承OBE 的教育理念，综合应用江苏海洋大学课程教学在线平台、智慧教学工具和EDA 开发软件进行课程教学改革研究，采用多样化的教学手段和多元化的、可持续改进的教学评价方式，确保教学质量的持续改进，最终实现课程对毕业要求的达成。

课程教学的设计与实施激发学生的求知欲，驱动学生的积极性。该课程的教学改革实践能培养学生具有解决信号与智能信息处理等领域问题的知识、能力和素质，具有很好的实践意义，同时对相关专业课程的教学具有较好的示范应用价值。