金琦淳，張延麗

（無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

0 引 言

OBE（Outcome-based Education），是一種基于結(jié)果（學(xué)習(xí)產(chǎn)出）的教育模式，也叫做成果導(dǎo)向教育、能力導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育。在OBE工程教育系統(tǒng)中，教師必須對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)有清晰的認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)確的定位，尋求設(shè)計(jì)合適的課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和課堂生態(tài)，并通過(guò)考核評(píng)價(jià)持續(xù)改進(jìn)教學(xué)，從而有效促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，保證預(yù)期目標(biāo)的達(dá)成[1-2]。

CDIO代表構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)施（implement）和運(yùn)作（operate），其核心理念是將教學(xué)和工程實(shí)踐緊密結(jié)合，二者相輔相成，相得益彰。以產(chǎn)品從構(gòu)思到運(yùn)行的整個(gè)生命周期為載體，依托工程項(xiàng)目實(shí)踐，構(gòu)建理實(shí)一體化的教學(xué)模式，讓學(xué)生通過(guò)“學(xué)中做、做中學(xué)”強(qiáng)化工程知識(shí)和應(yīng)用能力[3]。

單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期系統(tǒng)的工程，需要結(jié)合人才需要、專業(yè)目標(biāo)、課程定位、學(xué)生實(shí)際等情況，在教學(xué)中不斷探索和改進(jìn)，有效提高工程應(yīng)用人才培養(yǎng)的質(zhì)量。因此，運(yùn)用OBE-CDIO工程教育模式，梳理課程教學(xué)內(nèi)容，合理增加課程難度，拓展課程深度，全面優(yōu)化課程質(zhì)量，打造具有“兩性一度”（即創(chuàng)新性、高階性和挑戰(zhàn)度）的實(shí)踐“金課”。

1 基于OBE模式的課程重構(gòu)

1.1 確立課程目標(biāo)和定位

OBE理念注重學(xué)習(xí)產(chǎn)出，最終強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生通過(guò)知識(shí)學(xué)習(xí)獲得的應(yīng)用與實(shí)踐能力，培養(yǎng)的是適應(yīng)社會(huì)、市場(chǎng)發(fā)展需求的具有良好技術(shù)應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)的人才。因此，課程教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置從知識(shí)、能力和素質(zhì)三方面明確對(duì)畢業(yè)生各項(xiàng)能力的支撐：（1）知識(shí)目標(biāo)主要是掌握扎實(shí)的單片機(jī)控制技術(shù)、電工電子技術(shù)和測(cè)試技術(shù)等理論知識(shí)；（2）能力目標(biāo)主要是掌握相關(guān)工程知識(shí)，提高工程實(shí)踐能力，掌握利用單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)或產(chǎn)品開發(fā)的基本流程，具備根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造和產(chǎn)品開發(fā)的初步能力；（3）素質(zhì)目標(biāo)主要是提高系統(tǒng)思維、自主學(xué)習(xí)、合作溝通、批判創(chuàng)新等綜合能力，成為具有現(xiàn)代工程素質(zhì)的技能人才。課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)矩陣及與工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的匹配度見表1。

表1 課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)矩陣及與工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的匹配度

1.2 構(gòu)建金字塔形和階梯式教學(xué)知識(shí)體系

工程教育專業(yè)認(rèn)證堅(jiān)持以學(xué)生為中心，著重強(qiáng)調(diào)知識(shí)的應(yīng)用性和創(chuàng)新性，根據(jù)培養(yǎng)需要構(gòu)建能服務(wù)于培養(yǎng)目標(biāo)的知識(shí)體系。按照畢業(yè)所需達(dá)到的知識(shí)、能力和素質(zhì)等方面的要求，重構(gòu)課程內(nèi)容。采用“項(xiàng)目→任務(wù)→模塊→知識(shí)點(diǎn)”的金字塔形結(jié)構(gòu)（如圖1），首先，自頂向下逐層組織教學(xué)內(nèi)容；其次，根據(jù)課程目標(biāo)研發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將項(xiàng)目分解為不同子任務(wù)，子任務(wù)由不同模塊構(gòu)成，在模塊中提煉知識(shí)點(diǎn)；最后，自底向上組織教學(xué)，并結(jié)合“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)→綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)→創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)”三級(jí)階梯式實(shí)驗(yàn)類型，由淺到深、循序漸進(jìn)地開展實(shí)踐教學(xué)，從而將各單元串接起來(lái)，綜合制作完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖1 金字塔和階梯式知識(shí)體系

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，一是要突出與社會(huì)、工程的結(jié)合，讓學(xué)生在“用中學(xué)”和“用中研”；二是要突出與業(yè)界新技術(shù)、新方法和新器件的結(jié)合，緊跟業(yè)界技術(shù)潮流，使學(xué)生具有更高的技術(shù)起點(diǎn)；三是要突出與工程教育專業(yè)認(rèn)證的接軌，使學(xué)生能夠達(dá)成認(rèn)證指標(biāo)體系中的能力要求。最終，將單片機(jī)及相關(guān)聯(lián)課程知識(shí)在5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中進(jìn)行重構(gòu)，具體項(xiàng)目包括：基于單片機(jī)的多功能計(jì)算器設(shè)計(jì)、多功能電子秤設(shè)計(jì)、多功能可重構(gòu)智能小車設(shè)計(jì)、四旋翼飛行器設(shè)計(jì)和分揀搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)。

2 CDIO工程教育模式下教學(xué)實(shí)施

2.1 教學(xué)實(shí)施模式

將CDIO理念融入整個(gè)教學(xué)過(guò)程，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體，將課程實(shí)踐環(huán)節(jié)大致分為構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作四個(gè)階段。教師和學(xué)生的活動(dòng)是兩個(gè)并行的CDIO互動(dòng)教學(xué)模式流程，在整個(gè)實(shí)施的過(guò)程中，學(xué)生作為教學(xué)活動(dòng)的主體，是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主持人，負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程；教師作為項(xiàng)目的主導(dǎo)者，是教學(xué)過(guò)程的組織、輔導(dǎo)和評(píng)估人員。

2.2 教學(xué)實(shí)施進(jìn)程

按照并行CDIO互動(dòng)教學(xué)模式流程，課程的具體教學(xué)實(shí)施過(guò)程有四個(gè)階段。（1）構(gòu)思階段。教師課前通過(guò)泛雅平臺(tái)發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容與任務(wù)，劃分實(shí)驗(yàn)小組，提供相關(guān)軟件、網(wǎng)站、實(shí)驗(yàn)器材等學(xué)習(xí)資料，利用課堂詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)過(guò)程及要求，并對(duì)小組方案進(jìn)行考核；學(xué)生課后通過(guò)資料查閱和相互交流，自頂向下進(jìn)行系統(tǒng)功能需求分析、任務(wù)分解、模塊論證，提出初步設(shè)計(jì)思路和方案。（2）設(shè)計(jì)階段。教師對(duì)相應(yīng)模塊知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講授后，定期到學(xué)生實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)巡查指導(dǎo)硬件設(shè)計(jì)與搭建、軟件編程與調(diào)試，并對(duì)小組完成情況進(jìn)行考核，提出修改意見；學(xué)生自底向上開展模塊設(shè)計(jì)，進(jìn)行元器件選型、參數(shù)計(jì)算、焊接制板、仿真測(cè)試等。（3）實(shí)施階段。教師由淺入深、由易到難地傳授軟硬件綜合設(shè)計(jì)調(diào)試方法，指導(dǎo)學(xué)生逐步改進(jìn)優(yōu)化整體系統(tǒng)；學(xué)生進(jìn)行模塊集成、任務(wù)優(yōu)化、系統(tǒng)調(diào)試，最終形成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，并按要求撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。（4）運(yùn)作階段。教師組織項(xiàng)目路演和答辯，并對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新點(diǎn)等進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，綜合判分；學(xué)生操作演示實(shí)物作品，并制作PPT，進(jìn)行匯報(bào)交流。

3 基于OBE-CDIO教育模式的案例設(shè)計(jì)實(shí)踐

以多功能電子秤實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，詳細(xì)論述案例設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程，主要包括：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程與要求、實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系構(gòu)建。

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)

設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為控制核心的多功能電子秤，實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)層與拓展層兩部分，基礎(chǔ)層為電子秤日常使用的基本功能，主要任務(wù)是：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)量程0~5 kg，測(cè)量誤差±2 g的稱重系統(tǒng)；完成清零、去皮、單價(jià)輸入和總金額計(jì)算功能；能以數(shù)字方式顯示物體質(zhì)量、單價(jià)和總金額；當(dāng)物體質(zhì)量超出量程范圍時(shí)，有超重警示功能。拓展層為根據(jù)不同小組興趣自由選擇設(shè)計(jì)的特色功能，主要任務(wù)是：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，用于營(yíng)業(yè)詳情的記錄與導(dǎo)出顯示；實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘顯示功能，可更新調(diào)整時(shí)間，并在系統(tǒng)掉電后仍能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)；實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能，用于對(duì)物體質(zhì)量、單價(jià)和總金額等數(shù)據(jù)的播報(bào)，要求至少完成1項(xiàng)上述任務(wù)或其他自定任務(wù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與要求

實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思路和方法進(jìn)行引導(dǎo)，對(duì)可能涉及的技術(shù)、電路、器件等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行講解，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和設(shè)置實(shí)驗(yàn)要求。

（1）基礎(chǔ)層

掌握單片機(jī)的工作原理和接口技術(shù)，設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，熟悉Altium designer、Keil Uvision、Proteus、STC-ISP等軟件的使用；合理設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)，并根據(jù)輸入電壓范圍、所需穩(wěn)壓值和最大輸出功率選擇合適的穩(wěn)壓芯片；計(jì)算并設(shè)計(jì)一種可以稱重的壓力傳感器，注意壓力測(cè)量范圍和測(cè)量精度、輸出信號(hào)形式和線性范圍等關(guān)鍵的特征參數(shù)，并利用示波器進(jìn)行測(cè)試；根據(jù)壓力傳感器的激勵(lì)信號(hào)特征，選擇或自行設(shè)計(jì)合適的信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并利用STC-ISP下載器，結(jié)合上位機(jī)軟件進(jìn)行測(cè)試；利用機(jī)械按鍵、上位機(jī)、語(yǔ)音或觸摸屏，設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)輸入電路，并利用Proteus軟件對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試；利用LED或液晶顯示器，設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)顯示電路，并利用Proteus軟件對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試；利用聲音或光照，設(shè)計(jì)一種超重警示電路，并利用Proteus軟件對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試。

（2）拓展層

任意構(gòu)思一項(xiàng)特色功能，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

完成上述步驟后，分模塊焊接、裝配、測(cè)試系統(tǒng)電路；編寫程序，綜合調(diào)試系統(tǒng)功能，記錄調(diào)試過(guò)程；撰寫課程總結(jié)報(bào)告，并分組答辯，學(xué)習(xí)不同方案的優(yōu)點(diǎn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系構(gòu)建

電子秤實(shí)驗(yàn)原理主要是稱重傳感器在被測(cè)物體的壓力作用下產(chǎn)生模擬量信號(hào)，運(yùn)用運(yùn)算放大電路和濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字量信號(hào)傳送至單片機(jī)，單片機(jī)讀取被測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行程序運(yùn)算，通過(guò)顯示模塊顯示物體質(zhì)量等數(shù)據(jù)；當(dāng)物體的質(zhì)量超出稱重范圍時(shí)，警示單元將提示用戶進(jìn)行合理使用；此外，用戶可使用數(shù)據(jù)輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)單價(jià)輸入等功能。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)方案具備多樣性和層次性（如圖2），可滿足不同能力水平的學(xué)生需求，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

圖2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)方案

作為一個(gè)完整的工程實(shí)踐項(xiàng)目，需要經(jīng)歷查閱資料、收集信息、學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟硬件調(diào)試、測(cè)試標(biāo)定、匯報(bào)總結(jié)等過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的理論和實(shí)踐引導(dǎo)（如表2），助其構(gòu)建實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系。

表2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)與指導(dǎo)內(nèi)容

4 結(jié)束語(yǔ)

OBE-CDIO工程教育模式下課程的改革與實(shí)踐遵循了“金課”建設(shè)的“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，利用OBE工程教育理念反向設(shè)計(jì)了知識(shí)、能力、素質(zhì)有機(jī)融合的課程目標(biāo)，重構(gòu)了教學(xué)內(nèi)容；采用CDIO工程教育模式實(shí)施理論和實(shí)踐教學(xué)，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，體現(xiàn)了創(chuàng)新性。金字塔形和階梯式實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系的構(gòu)建層層遞進(jìn)，自頂向下設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，提升了知識(shí)的深度和廣度，體現(xiàn)了高階性；自底向上實(shí)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)提升了實(shí)踐學(xué)習(xí)的探究度，使學(xué)生在教師主導(dǎo)的模式，投入更多精力全程參與實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)，切實(shí)提高教育教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)水平，體現(xiàn)了挑戰(zhàn)度。