基于OBE理念的项目化教学实践方法研究

郭丽红　吴海涛　杨洁　沙爱军

［摘 要］为了督促学生熟练掌握编程技巧，进一步提升其编程能力，文章基于OBE理念，以项目驱动的教学模式为主线，结合编程类课程的特性和多种教学方法，采用多级帮带方式，设计了系统化的课程学习模块和教学方案。在实施过程中，文章以企业的设备定位项目为驱动，利用UWB和NB?IoT技术，并基于STM32单片机完成了室内外设备的位置及状态检测，不仅实现了高精度定位，还成功将单片机采集和处理后的数据上传至企业私有云平台。此外，系统设计了手机app，用户可以通过app向云端请求数据，实时掌握设备状态，统计和分析数据，帮助企业实现自动化设备监测与管理，秉持了“学生中心、产出导向”的理念，满足了用人单位和社会需求，同时也显著提升了学生的软硬件编程能力，达到了人才培养的目标。

［关键词］编程能力；OBE理念；项目化教学；设计与开发

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）04-0077-03

随着计算机技术的普及和高度信息化时代的到来，软硬件编程在各行各业的应用愈发广泛，对编程人才的需求也日益增加。因此，具备良好的编程能力已成为时代所需[1]。编程语言作为打开计算机技术大门的钥匙，无论是在大数据、物联网还是人工智能等领域的发展中，都发挥着不可或缺的作用。计算机相关专业的专业课程往往以编程语言为基础，构建实验或设计系统。此外，随着考研学生数量的逐年攀升，部分高校在专业考核科目中要求使用编程语言来描述算法、设计方案，或在研究生复试中更加注重考查学生的逻辑思维及编程能力。

随着工程教育专业认证工作在各大高校中的不断推进，在基于产出的教育理念（Outcome?Based Education，OBE）和“学生中心、产出导向”理念的指引下[2-5]，以提升学生编程能力为目标的项目化实践方法有待深入研究。

一、总体方案设计

基于当前学生编程能力、编程类课程的教学效果、学生考试成績等因素，本文在工程教育专业认证理念的指导下，通过深入分析和归纳总结，针对编程能力培养与提升过程中遇到的具体问题，构建了一个系统化的编程能力提升框架，并制订了一套完整的学习方案。该方案以项目驱动为核心，紧密结合课程特征和学生状况，从教育理念的创新性、项目驱动的可行性、编程能力的系统化提升等方面建立人才培养模式。

二、编程能力提升的具体实施方案

（一）以项目驱动的教学模式

项目化教学模式作为一种新型教学方法，能够有效缓解社会需求与人才培养之间的矛盾。该模式紧密围绕企业的实际需求，以项目驱动的教学模式为主线，采用多级帮带方式，即组建教师帮带学生、学生帮带学生的学习梯队；以实际项目开发为目的，以学生为中心，以提升编程能力为目标，实现从需求到理论，再由理论到实践的反复循环，彻底改变传统的教学模式。同时，根据企业需求，明确项目目标和所需技能，使学生在边做边学的过程中完成项目开发。

（二） 设计目标导向，并具体实施

以学生为中心，按照从基础到强化再到提升的能力训练途径，精心设计了具体的课程模块、项目指导以及学习流程（见图1）。

[计算机基础 ][提升能力训练项目 ][强化能力训练项目 ][基础能力训练项目 ][训练基本编程思维 ][学会编码和调试 ][高级语言程序设计C ][适合管理系统类项目 ][计算机网络 ][训练逻辑编程思维 ][数据结构、算法、数据库 ][面向对象程序设计语言

（C++/Java/Python） ][适合算法类相关项目 ][训练综合编程思维 ][单片机原理及应用 ][关注时空分配、效率提升 ][适合各类软硬件相关项目 ]

图1 项目化驱动学习方案具体训练流程

编程作为一种技能，其核心在于编程思维，而良好的系统性设计则是能力培养的关键。本文以项目驱动的教学模式为主线，构建三级阶梯式项目化教学模块，从基础课程的学习和基本编程思维的训练，到中等强度的算法设计和逻辑思维的培养，最后到高级课程的学习和综合编程思维的训练。学生在这个过程中不仅得到了思维训练，也实现了将知识转化为能力的目标。

（三）以实际教学对象为实验对象，将项目化教学应用于实际教学

以课程组为单位，深入研究实施细节。根据每个阶段的训练要求，精心挑选实际项目，引导学生将理论与实践紧密结合，通过完成项目开发和应用，进一步提升编程能力。本文以企业实际需求为例，引入基于NB?IoT的设备室内外定位项目[6]，并据此开展项目化教学。

1.项目需求和总体规划

硬件选型及模块的选择[7-8]：单片机的选型（STM32单片机）、室外定位（采用BC20定位模块，实现基于GPS+北斗的联合定位）、室内定位（采用UWB技术）、低功耗数据传输方式NB?IoT、供电模块。

各种通信协议及信息传递方式：串行口通信方式的实现、NB?IoT无线传输模式的实现、AT指令的通信格式、设计数据采集端和云端的通信协议等。

相关编程技术：下位机与室内外定位模块的通信，开发手机app。实时了解设备的运行状态，以更好地掌握工控领域的实时信息，提高生产效率，降低安全隐患。

2.项目分块、学生分组设计

采集端：单片机、室内外定位模块与监测设备一体化设计。通过单片机的实时数据采集、NB?IoT的无线传输，以及串口通信的协同作用，完成信息采集工作，并将数据上传至企业私有云平台。

手机app：系统的设备监测数据通过无线网络传输，将分散的设备状态信息上传至企业私有云平台。运维工程师或用户下载安装手机app，远程监视设备状态及位置信息，及时发现并应对紧急情况，实现高效便捷的运维处理和确保设备的安全运行。

服务器端：服务器是系统中提供特定服务的计算机系统，其主要职责是存储用户数据，为客户端提供服务，并实时处理客户端的数据请求。

信息交互：包括采集模块及定位模块与下位机的信息交互、下位机和私有云的信息交互、客户端通过手机app与私有云端的信息交互。

（四）系统功能的具体实现与测试

系统设计：上位机主要指的是手机app的编程，采用Android Studio编程工具，并使用Java语言完成上位机的设计[9]，具体包括授权登录模块、条件查询模块、实时监控模块、汇总统计模块等。上位机的数据来源于企业私有云平台，能够实时获取云端信息，从而实现对设备的在线监测。下位机采用低功耗的STM32主控芯片，在Keil uVision5开发环境中，使用C语言来实现其具体功能，包括室内外模块的位置信息采集、与单片机的交互、室内基站模块和标签模块的交互，以及NB?IoT与企业私有云的通信等。

室内定位：在室内定位中基于UWB技术[10]，采用DWM1000距離传感器，并运用球形定位算法来完成室内设备的精确定位。UWB终端的位置确定是利用通过几何关系来计算圆的交叉点，从而精确地获取位置信息。

室外定位：BC20模块集成了一款高性能的GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）芯片，支持GPS、GLONASS、北斗、Galileo等多个系统，从而实现多系统联合定位。通过嵌入式的GNSS功能，BC20模块可以协助用户获取精确的坐标和时间信息。STM32单片机通过发送AT指令与BC20模块建立通信，进而控制BC20模块执行特定的操作。

手机app：手机端软件设计采用分层结构设计，包括用户界面层、用户功能层、中间件层以及操作系统层。使用Android Studio编程工具，调用JDBC的API来连接企业私有云端数据库，从而获取设备状态及位置信息。同时，编写UI界面用于数据展示，并调用高德地图API和图表控件来美化和优化信息的呈现方式，实现实时交互和信息交换。

（五）检验实施效果，并评价结果

在项目化教学过程中，教师应实时记录工作状态，并密切关注每个环节的进展情况。

优化过程：参与课堂教学、实验教学及毕业设计等环节，深入了解其教学模式的整个过程，并展示相应的理论成果。在特色教学模式的基础上，将理论成果实际应用于教学中，反复优化实践中出现的错位问题，并探索出最佳方案。

检验结果：选取部分教学班作为试验点，对其进行项目化教学模式改革，并对实施效果进行定量分析。经过反复试验与优化，最终形成效果良好的高校编程类课程教学模式，为创新型人才培养提供有力的理论指导。同时，组织学生参与各类人才选拔和学科竞赛，以检验学生的学习效果。

定性能力评价：通过组织学生参与各类人才选拔竞赛、学科竞赛，以及基于各种创新创业项目的实践表现，可以有效检验学生的学习效果。

三、结语

培养软硬件技术型人才是时代所需。因此，实施编程能力的提升方案能有效解决高分低能的问题，将知识模块与思维训练有机结合。在基于OBE理念的项目化教学方案实施过程中，不仅有效培养和锻炼了学生的创新能力，还提升了他们的专业素养，从而实现了人才培养的多重目标。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 刘国瑞.国家重大战略转换期高等教育现代化的定位与思路[J].高等教育研究，2020，41（5）：1-9.

[2] 安勇.工程教育专业认证改进工作质量提升的深度思考[J].中国高等教育，2018（23）：38-40.

[3] 耿晓伟.基于OBE理念的实践教学体系改革：以安全工程专业为例[J].实验技术与管理，2019，36（7）：192-196.

[4] 张男星.以OBE理念推进高校专业教育质量提升[J].大学教育科学，2019（2）：11-13.

[5] 杨长龙，李莉，贾宏葛，等.基于OBE的人才培养目标制定机制及程序[J].高分子通报，2019（12）：74-77.

[6] JANSSEN T ， BERKVENS R ， WEYN M . RSS?based localization and mobility evaluation using a single NB?IoT cell[J]. Sensors， 2020， 20（21）：6172.

[7] 丁一钧，聂电开，武存山.基于北斗系统和物联网的野外图像采集设备防盗定位系统设计[J].物联网技术，2020，10（9）：31-32.

[8] 郭起轩，仲梁维.基于安卓平台的重点设备远程监测系统设计[J].软件导刊，2018，17（4）：115-117.

[9] 王高杰，靳东安.基于NB?IoT的全球定位设计与实现[J].中国新通信，2020，22（1）：28-30.

[10] 姬生月，孙嘉文，宋云记，等.基于北斗短报文的远海实时精密单点定位[J].国防科技大学学报，2021，43（6）：74-84.

［责任编辑：梁金凤］