OBE理念下智慧教室监控系统案例设计

王玉香 章晓忠

摘  要：将基于学习产出的教育模式（Outcome Based Education，OBE）引入单片机课程实践教学之中，设计了智慧教室监控系统的教学案例。系统可实现手动控灯和自动控灯、时钟显示、语音播报等功能。在实践中，以目标成果为导向，分功能模块，设计不同难度的学习目标，将虚拟仿真和实物搭建相结合，训练和培养学生基础模块知识、系统分析设计能力、专业素养和人文素养，循序渐进，并将融入思政元素和培养能力贯穿案例教学全过程，为其他专业课程实践教学提供参考。

关键词：教育模式 智慧教室 单片机 教学案例

中图分类号：TU855；TP368.1；TP273

Case Design of the Intelligent Classroom Monitoring System Based on the OBE Concept

WANG Yuxiang  ZHANG Xiaozhong

（Bozhou Vocational and Technical College， Bozhou，Anhui Province， 236800 China）

Abstract：This paper introduces the educational model based on outcome-based education （OBE） into the practice teaching of the single-chip microcomputer course， and designs the teaching case of the intelligent classroom monitoring system which can realize functions such as the manual control and automatic control of lights， clock display and voice broadcast. In practice， guided by the target outcome， it designs learning goals with different difficulties based on different functional modules and combines virtual simulation and physical construction to train and cultivate the basic module knowledge， system analysis and design ability， professional literacy and humanistic literacy of students gradually， and it runs the integration of ideological and political elements and ability training through the whole process of case teaching， so as to provide reference for the practical teaching of other professional courses.

Key Words：Educational pattern; Smart classroom; Single-chip microcomputer；Teaching case

党的二十大报告提出：“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。”新工科背景下，高职院校如何肩负好人才培养的重任，如何培养基础扎实、知识面广、思维活跃、善于创新，能利用交叉融合学科解决实际问题，可以直接对接行业需求的综合素质和人文素养俱佳的高素质应用型人才，一直是各高校研究的热点【1】。

OBE理念强调以最终教育成果为目标导向，以学生为中心，利用逆向思维，解决学生“学什么”“为什么学”“怎么学”“如何判断学习效果”4个问题，并在问题解决过程中不断改进和完善，进而达成教育目标。OBE是工程教育认证中最普遍、最核心的教育理念【2-4】。基于此，将OBE理念引入《单片机原理及应用》课程实践教学之中，以智慧教室监控系统综合案例设计为例，开展实践教学、课程思政教学探究，将知识、能力、素养（思政效果）作为教学目标，并融会贯通，实现学生心行合一，培养学生灵活获取知识的能力、解决实际问题的能力、职业素养和人文素养的全面发展【5-6】。

1  OBE理念下系统设计目标的确定

以“智慧教室监控系统设计”为设计目标，学生根据设计目标，在前期基础知识学习和基础模块应用练习的基础上，结合资料查阅，完成系统方案的论证、元件模块选型、系统仿真、硬件搭建、系统调试、报告撰写和考核汇报【7-8】。在各环节开展过程中，教师结合过程化考核情况，调整教学。同时，在此过程中，教师将学生的团结协作、节能环保等素养和理念，创新能力和解决实际问题能力，单片机知识掌握和系统设计能力作为案例实施的目标成果。

为便于学生主动参与，本案例项目设计背景选取学校教室这个学生熟悉的场合。目前的普通教室是通过开关手工控灯的，经常出现教室无人，灯还亮着的情况。设计引导学生基于“节能降耗、绿色环保、科技服务于生活”的理念，针对教室这一场所，提出智慧教室监控系统的设计目标。这个设计的基本要求是具备自动/手动控灯、当前教室人数检测、时钟显示、语音播报等功能，学生也可以在此基础上进行功能扩展。

结合目标成果，按照设计目标，分功能模块将学习目标划分成不同等级，并据此评价学生学习效果，监控最终成果的达成情况。

2  OBE理念下系统硬件设计

系统结构图如图1所示，功能模块包括手动控灯的模块、可实现自动控灯的模块、时钟显示模块、语音播报模块以及扩展功能模块等。

根据系统基本要求，引导学生在前期知识学习和练习的基础上，结合资料查阅，通过讨论，确定可行方案，并依据可行方案，完成模块选型、程序编写、仿真调试、硬件搭建和软硬联调。根据系统实现方式和效果不同，将学习目标划分为3个等级，并据此评价学生。

等级1。采用内部时钟实现数码管时钟显示，且时间可调，在人数检测的基础上实现按人数按区自动控灯、手动控灯、语音播报。本部分训练与考核学生基础的输入和输出设备的能力，即独立按键和对数码管的灵活使用；以及语音模块、检测模块的简单应用和系统的综合设计能力。

等级2。采用内部时钟实现1602液晶或者12864液晶时钟显示，且时间可调，在人数检测的基础上实现按人数按区自动控灯、手动控灯、语音播报。本部分训练和考核学生独立按键和对液晶显示模块的灵活使用，以及复杂系统的综合设计能力。

等级3。实现液晶时钟显示，且时间可调，在人数检测的基础上实现按人数按区自动控灯、依据时间自动控灯，且开灯时区可调、依据光照度控灯、手动按区控灯、语音播报以及其他扩展功能。本部分训练和考核学生复杂的系统综合设计能力和独立思考解决问题的能力。

根据设计内容和现有条件，选择STC12C5A60S2单片机。人数检测采用两个漫反射光电开关E18-D80NK，有人通过时输出低电平，也就是逻辑为“0”，没人通过时输出高电平，即逻辑为“1”，感应距离为3～80 cm，通过尾部旋钮可调节。为了统计当前教室人数，这里采用2个光电开关，并排安装在门框墙的内外侧，选取距离地面1.4 m的位置，调节感应距离和安装间距，使对面墙壁等障碍物不影响人数检测，两个光电开关之间也互不影响。两个光电开关设为门外为A、门内为B，则A输出先由“1”变“0”，接着B输出由“1”变“0”，则教室人数加1；若先B由“1”变“0”，再A由“1”变“0”，则教室人数减1，其他情况忽略不计。单片机根据以上信号变换情况，统计当前教室人数。选择SYN6288语音合成模块，采用串行工作方式 。控灯方式选择可通过按键实现，也可通过液晶屏实现按键切屏和模式选择，其中，通过独立按键实现控制是基本功能要求，而通过液晶屏实现的按键切屏和模式选择作为扩展功能。

3  OBE理念下系统软件设计

学习目标的等级1和等级2中，开机后，显示模块显示小时、分钟、秒，通过设置键可以将时间设置为当前时间；开机时播报开机提示语，例如：“节能环保、人人有责”等宣传语或者人文关怀语。默认为自动控灯模式，控制依据是教室人数。通过按键可以实现手动控灯模式的切换，在手动控灯模式下，手控模式指示灯被点亮。学习目标的等级3中，增加按时间和按光照度自动控灯，且开灯时区可调功能。

其中，K1是时间设置按键，第一次按下时，进入时间设置模式，而第二次按下时，退出时间设置模式；K2为调节小时的按键，每按一次，小时数加1；K3为调节分钟的按键，每按一次，分钟数加1；K4为手动控灯模式切换按键，第一次按下，则进入手动控灯模式，且手控模式指示灯亮，而第二次按下，则退出手动控灯模式，且模式指示灯灭；K5为手动控灯键，默认初始状态室内灯全关闭，设教室可容纳60人，划分为4个区域，第一次按下，1区灯亮，第二次按下，1～2区灯亮，第三次按下，1～3区灯亮，第四次按下，1～4区灯亮。在自动模式下，教室当前人数M小于或者等于10个时，1区灯亮；人数在10～20（含20）个时，1～2区灯亮；人数在20～30（含30）个时，1～3区灯亮；人数大于30个时，灯全亮。

学习目标的等级3中的自动控灯模式，除满足相应人数，还需结合是否在开灯时间内和光照度是否充足这2个条件作为亮灯或者灭灯的依据。

编写好的程序通过Proteus进行仿真调试，完成后，再结合实验开发板或者自己搭建的硬件平台，完成实物的搭建和综合调试。其中，学习目标的等级1的仿真效果图如图3所示，焊接的实物图如图4所示。

4 学习效果评价

根据系统设计目标，结合不同学习目标等级，分功能模块，按照完成情况对学生的系统学习进行评价。学生以团队方式完成，并各自汇报在系统目标实现过程中具体负责的任务。最终成绩包括设计过程中团队合作情况和学生体现的职业素养、人文素养、最终作品完成效果、汇报情况和报告撰写情况等。在系统设计过程中，教师会随堂观察指导和解答，并根据学生的完成情况，动态地调整教学的内容和进度。学习目标各阶段关键考察点及效果评价如表1所示。

5 结语

基于OBE理念，以智慧教室监控系统设计为例，开展教学案例设计，采用虚拟仿真和实物平台相结合的训练方式。通过确定系统设计目标、系统结构构建、元件和模块选型、系统软件设计、系统仿真、系统实物搭建和调试、报告撰写和汇报、效果评价等环节和步骤，通过设计的3个学习目标等级，循序渐进从基础知识的理解和应用训练考察到系统综合设计能力的训练考察，再到复杂系统的综合设计能力训练考察和创新能力、解决实际问题能力的训练考察，学生最终完成此项目后，将获得预期的学习效果。

参考文献

[1] 梁晔，徐刚.新工科背景下基于OBE理念的课程目标设计与实施：以兰州城市学院信号与系统课程为例[J].甘肃高师学报，2023，28（2）：84-88.

[2] 韩明，李燕，孟军英.基于OBE的计算机网络课程混合式教学改革研究[J].石家庄学院学报，2023，25（3）：126-130.

[3] 王永立，樊淑华，杨同文，等.基于OBE教育理念的《免疫学》教学方法探讨[J/OL].中国免疫学杂志：1-9[2023-07-24].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/22.1126.R.20230721.1658.006.html.

[4] 史慧，方润平，戴军，等.基于OBE理念的医学免疫学课程思政教学设计[J/OL].中国免疫学杂志：1-6[2023-07-24].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/22.1126.R.20230721.1807.018.html.

[5] 王春武，欧松森，李嘉琪，等.基于OBE单片机混合式教学的校园门禁系统设计[J].高师理科学刊，2023，43（4）：87-91.

[6] 阳熠，谢国雄，葛浩.OBE教育理念下单片机实验教学案例设计：以万年历时钟为例[J].文山学院学报，2023，36（2）：74-78.

[7] 王玉香，张喜红，刘玉梅.用于沉浸式教学的智慧教室监控系统设计[J].喀什大学学报，2022，43（6）：108-112.

[8] 王玉香，张喜红，杨清志.基于热释电红外传感器的教学案例设计[J].上饶师范学院学报，2017，37（6）：45-49，58.