楊彥 趙玲峰 劉晶晶

摘要：傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)課程在職業(yè)院校教學(xué)中存在學(xué)生積極性不高，學(xué)與用脫節(jié)嚴(yán)重的問題。本文借鑒OBE以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心的理念，對嵌入式系統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行改革和探索。文中重構(gòu)了教學(xué)內(nèi)容，采用多樣化教學(xué)方式，改進(jìn)考核評價(jià)方式，對教學(xué)實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：OBE;教學(xué)改革;嵌入式系統(tǒng)

1. 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

（1）課程內(nèi)容范圍廣，課時(shí)有限

嵌入式系統(tǒng)課程是電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)課程，其綜合性及實(shí)踐性非常強(qiáng)，它通常涉及到微機(jī)原理與接口、計(jì)算機(jī)編程語言、通信原理、操作系統(tǒng)甚至通信網(wǎng)基礎(chǔ)等知識[1]。而近年來，電子信息類的新技術(shù)層出不窮，電子信息專業(yè)需要學(xué)習(xí)的課程越來越多，總的學(xué)分卻沒有增加，甚至有呈減少的趨勢。再者，由于本課程的知識覆蓋面廣，知識點(diǎn)多，并且各個(gè)知識點(diǎn)之間體系跨度還比較大，所以老師教授難，學(xué)生課堂上容易跟不上老師的進(jìn)度，學(xué)習(xí)壓力大。

（2）教學(xué)模式傳統(tǒng)，教學(xué)效果不佳

嵌入式系統(tǒng)傳統(tǒng)課程教學(xué)中，課程結(jié)構(gòu)不合理，教學(xué)模式單一，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興致不高，學(xué)習(xí)效果差。傳統(tǒng)教學(xué)中，課程結(jié)構(gòu)以理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔，理論教學(xué)學(xué)時(shí)比例過高，實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)不足。嵌入式系統(tǒng)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，學(xué)生完成本課程的學(xué)習(xí)后，應(yīng)當(dāng)理解嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的運(yùn)作原理、嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)流程和方法等基礎(chǔ)知識，應(yīng)具備基本的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)能力，可以勝任簡單的嵌入式系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作、軟件編程以及產(chǎn)品維護(hù)工作。

然而，當(dāng)前的嵌入式系統(tǒng)課程大多采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，比如理論課程教授場地大多選擇黑板教室或一般的多媒體教室，主要講授嵌入式系統(tǒng)的基本理論知識和概念，忽視了學(xué)生的興趣和實(shí)際工程需求，調(diào)動(dòng)不了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，課堂氛圍較為沉悶。而且，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課，仍以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，一堂實(shí)驗(yàn)課下來，學(xué)生僅僅是觀摩了一下系統(tǒng)的軟、硬件工作的現(xiàn)象及流程，無法掌握嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)能力。

（3）考核方式落后，與社會需求脫節(jié)

目前，嵌入式系統(tǒng)課程的考核方式在國內(nèi)高校中大多還是采用閉卷形式，試卷題目傳統(tǒng)，考核的重點(diǎn)在于傳統(tǒng)教材里，嵌入式系統(tǒng)的基本概念和一些固定公式的僵化應(yīng)用。然而，學(xué)生學(xué)習(xí)此課程的主要目的是為了掌握系統(tǒng)解決嵌入式工程問題的能力。本課程仍然缺乏類似于企業(yè)工作中項(xiàng)目完成制的綜合KPI考核手段，教師不好準(zhǔn)確評價(jià)學(xué)生對該課程的應(yīng)用熟練程度。這也就導(dǎo)致學(xué)生們即使修完嵌入式系統(tǒng)這門課，且成績良好，也很難在畢業(yè)時(shí)直接到企業(yè)承擔(dān)嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目的開發(fā)工作。

2. OBE教學(xué)理念簡介

OBE（Outcomes based Education），即以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的教育，又可稱為需求導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育或能力導(dǎo)向教育。起源于美國的基礎(chǔ)教育改革，于1981年由美國學(xué)者Spady W.D.率先提出[2]，其核心理念是教師根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求制定學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果，以學(xué)習(xí)成果為中心和起點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)課程的教學(xué)體系，實(shí)施個(gè)性化培養(yǎng)方案，通過考核結(jié)果反饋，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)，最終保證預(yù)期教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

3. 基于OBE理念的教學(xué)改革

3.1 教學(xué)改革模式

（1）明確學(xué)習(xí)成果

基于OBE理念教學(xué)的首要問題，就是明確學(xué)生預(yù)期的學(xué)習(xí)成果或?qū)W習(xí)目標(biāo)。在制定預(yù)期學(xué)習(xí)成果時(shí)，教師不僅要考慮教師知識背景和學(xué)生自身的具體情況，還要結(jié)合本校層次、教學(xué)場所大小和教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量等，制定符合綜合實(shí)際情況的預(yù)期成果標(biāo)準(zhǔn)。如設(shè)置的預(yù)期目標(biāo)偏低，學(xué)生很輕松就能達(dá)到要求，則學(xué)生確實(shí)應(yīng)有的努力和鍛煉，會弱化課程對畢業(yè)生的要求，達(dá)不到培養(yǎng)目標(biāo);如設(shè)定的目標(biāo)盲目偏高、不切實(shí)際、不符合教學(xué)規(guī)律，學(xué)生容易因?yàn)榉浅Ｅσ沧霾坏?，產(chǎn)生深深的挫敗感，從而早早放棄或采用其他不正當(dāng)?shù)氖侄瓮ㄟ^考核，就會事倍功半。

（2）優(yōu)化改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式

嵌入式系統(tǒng)作為一門電子信息類專業(yè)工程類的專業(yè)課，實(shí)踐性和實(shí)效性很強(qiáng)，與企業(yè)的具體用工需求密切相關(guān)，其首要目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是解決嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的工程問題并跟上電子信息類技術(shù)發(fā)展的潮流。其一，教學(xué)內(nèi)容上，應(yīng)聚焦于如何解決當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，使學(xué)生在畢業(yè)后能迅速勝任相關(guān)的工作崗位;其二，就時(shí)效性，當(dāng)前教材中講授的內(nèi)容大部分是經(jīng)典內(nèi)容，教材跟不上嵌入式系統(tǒng)技術(shù)日新月異的更新速度。而且，由于課時(shí)有限，教師不可能在課堂上將所有涉及的最新技術(shù)全部講授，這需要教師對各種新技術(shù)深入調(diào)研、學(xué)習(xí)后，圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)，選擇當(dāng)前工業(yè)界主流的開發(fā)技術(shù)，及時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容。其三，教學(xué)形式上，傳統(tǒng)的教室板書教學(xué)或PPT教學(xué)，更適合本學(xué)科的基本概念和基本理論的講授。而對于嵌入式工程設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用問題解決，它覆蓋不了眾多的開發(fā)技術(shù)和開發(fā)平臺，跟不上技術(shù)迭代的步驟。教師應(yīng)采用多樣化的教學(xué)形式，比如引入企業(yè)的多人合作項(xiàng)目制，增加在實(shí)驗(yàn)室或?qū)嵱?xùn)室組織教學(xué)活動(dòng)的比例，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

（3）制定合理且個(gè)性化的考核標(biāo)準(zhǔn)

對于學(xué)習(xí)產(chǎn)出結(jié)果達(dá)成度的評價(jià)需要從基礎(chǔ)理論、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)踐能力三個(gè)層次進(jìn)行考察和量化，不同層次應(yīng)采用差異化的考核手段?；A(chǔ)理論考核可采用開卷筆試的形式作答，重點(diǎn)考查學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)基本概念的理解，以及應(yīng)對基礎(chǔ)項(xiàng)目的編碼及查錯(cuò)能力，其占總成績的比重約40%。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)通過學(xué)生對基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的驗(yàn)證進(jìn)行考核，以實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的復(fù)現(xiàn)程度和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范程度進(jìn)行量化;綜合實(shí)踐能力則通過綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行考核，以實(shí)際項(xiàng)目功能和性能的完成程度及設(shè)計(jì)報(bào)告的規(guī)范程度進(jìn)行量化，實(shí)踐部分其占總成績的比例約為60%，具體的占分比重和學(xué)習(xí)成果達(dá)成度量化方法通過試點(diǎn)不斷調(diào)整。實(shí)踐課程的評估可通過項(xiàng)目導(dǎo)入的方式，教師對每位同學(xué)及團(tuán)隊(duì)的成果進(jìn)行評價(jià)，團(tuán)隊(duì)成果得分作為基礎(chǔ)分，每位同學(xué)所負(fù)責(zé)的功能模塊和完成情況作為各自的加分項(xiàng)，具體比重可在課程實(shí)踐中不斷優(yōu)化。

3.2 學(xué)院層次及學(xué)生特點(diǎn)情況分析

（1）學(xué)院層次

本校目前定位于應(yīng)用型本科（以前的三本院?；颡?dú)立學(xué)院），且正逐漸向職業(yè)本科方向發(fā)展，因此相較于學(xué)術(shù)型本科院校，在教學(xué)上我們更注重學(xué)生實(shí)踐能力，培養(yǎng)應(yīng)用型人才，教學(xué)核心環(huán)節(jié)是實(shí)踐教學(xué)[3]。

（2）學(xué)生特點(diǎn)分析和解決方針

A.抽象思維能力弱

本校的學(xué)生大部分?jǐn)?shù)學(xué)和外語基礎(chǔ)都較差，對工科課程中的原理分析和數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)興趣不大，且即使在課堂上認(rèn)真聽講，課后反饋仍然是大部分人聽不懂或一知半解。因此針對這個(gè)特點(diǎn)，在課程內(nèi)容組織的時(shí)候，涉及數(shù)學(xué)公式和原理部分，應(yīng)著重講解公式的來源，基本原理、應(yīng)用場合及應(yīng)用需要注意的地方，弱化公式的推導(dǎo)。

B.學(xué)習(xí)主動(dòng)性較差

應(yīng)用型和職業(yè)院校的學(xué)生與一本學(xué)生相比，不僅學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上有差距，更主要是學(xué)習(xí)習(xí)慣上，不如一本學(xué)術(shù)好，學(xué)習(xí)主動(dòng)性較差。他們也大都明白，從長期來看，大學(xué)里是需要認(rèn)真學(xué)習(xí)的，但一旦實(shí)施起來，還是惰性占了上風(fēng)，難以長期堅(jiān)持主動(dòng)學(xué)習(xí)。針對這個(gè)弱點(diǎn)，可以在課程教授的過程中，把課程的最后學(xué)習(xí)成果，劃分為若干個(gè)階段性的短期成果，每個(gè)短期成果盡量具體且富有趣味性，對學(xué)生的感官有一定的正向刺激性，以此來吸引和激勵(lì)學(xué)生不斷去完成一個(gè)個(gè)短期階段性成果，最終完成長期的最后學(xué)習(xí)成果的目的。

C.學(xué)習(xí)兩級分化嚴(yán)重

應(yīng)用型院校在學(xué)生招錄的時(shí)候，因?yàn)橄喈?dāng)一部分同學(xué)是通過第二、第三志愿，甚至是補(bǔ)錄招收入校的，所以學(xué)生的分?jǐn)?shù)差距較大。這就導(dǎo)致入校后，學(xué)習(xí)出現(xiàn)兩極分化嚴(yán)重，此時(shí)如果使用統(tǒng)一的考核標(biāo)準(zhǔn)，如標(biāo)準(zhǔn)定高了，大批的學(xué)生掛科，定低了，對學(xué)得較好的學(xué)生達(dá)不到提高鍛煉的效果。針對這個(gè)特點(diǎn)，我們可以把學(xué)生劃分為2～3人的小團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)可自由組合，但建議優(yōu)生和差生搭配組合，考核以團(tuán)隊(duì)為對象。在指定考核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以以團(tuán)隊(duì)中較優(yōu)秀的學(xué)生為基準(zhǔn)，制定較高的標(biāo)準(zhǔn)，把考核目標(biāo)任務(wù)劃分為若干個(gè)子任務(wù)，團(tuán)隊(duì)各成員分工合作，完成力所能及的子任務(wù)。這樣既個(gè)性化了考核目標(biāo)，又培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作能力。

3.3 教學(xué)改革實(shí)施具體案例設(shè)計(jì)

（1）學(xué)習(xí)成果的確定

基于3.2節(jié)分析，本校定位于應(yīng)用型本科，培養(yǎng)的是適應(yīng)社會、市場發(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、能力和素質(zhì)三方面明確對畢業(yè)生各項(xiàng)能力的支撐：

A.知識目標(biāo)主要是掌握扎實(shí)的嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及接口技術(shù)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的控制技術(shù)和測試技術(shù)等理論知識;

B.能力目標(biāo)主要是掌握相關(guān)工程知識，提高工程實(shí)踐能力，掌握利用單片機(jī)和ARM等芯片進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用或產(chǎn)品開發(fā)的基本流程，具備根據(jù)工程實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)改造和產(chǎn)品維護(hù)的初步能力;

C.素質(zhì)目標(biāo)主要是提高系統(tǒng)思維、自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力，成為具有現(xiàn)代工程素質(zhì)的技能人才。

針對3.2節(jié)分析本校學(xué)生抽象思維能力弱的特點(diǎn)，綜合考慮教學(xué)成本，學(xué)生學(xué)習(xí)能力后，確定嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)成果為：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于樹莓派的遠(yuǎn)程遙控且能夠自動(dòng)避障智能小車（下簡稱自動(dòng)避障小車）。

（2）教學(xué)內(nèi)容的確定

OBE的教學(xué)理念以學(xué)習(xí)成果為中心和起點(diǎn)，反向設(shè)計(jì)重構(gòu)課程教學(xué)體系、組織教學(xué)活動(dòng)。我們嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)成果為設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于樹莓派的遠(yuǎn)程遙控且能夠自動(dòng)避障智能小車。這款自動(dòng)避障小車系統(tǒng)及模塊劃分框圖如圖1所示：

由圖1可知，系統(tǒng)使用樹莓派作為主控，分為藍(lán)牙通信模塊，底盤及四輪驅(qū)動(dòng)模塊和超聲波避障模塊組成，選擇手機(jī)App通過藍(lán)牙進(jìn)行遙控。樹莓派采用Raspbian OS（基于linux內(nèi)核改進(jìn)），編程使用python語言。手機(jī)端編程使用JAVA語言。綜上，自動(dòng)避障小車項(xiàng)目涉及的知識點(diǎn)及教授內(nèi)容如表1所示：

由上表可知，本項(xiàng)目涉及的知識點(diǎn)廣，內(nèi)容多，且其中只有Java編程是在其他課程中已教授過，剩余知識全部在嵌入式系統(tǒng)課程中教授。如果采用傳統(tǒng)的授課方式，很難在幾十個(gè)課時(shí)的時(shí)限內(nèi)完成所有的教學(xué)任務(wù)。而采用OBE的方式，課堂上只講授項(xiàng)目中用到的相關(guān)知識，剩下的由學(xué)生用課余時(shí)間自己補(bǔ)充。

（3）教學(xué)形式的制定

為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，基于OBE理念，把表1中的知識進(jìn)行重構(gòu)，并針對不同類型的知識體系，采取不同的教學(xué)形式，課程知識體系重構(gòu)及教學(xué)形式如圖2所示：

其中，綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最終的成果就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障小車，它調(diào)用到的若干個(gè)子模塊均各自成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)主題，在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中實(shí)現(xiàn)。除此之外，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還包括一些樹莓派的基本操作及python的編程基礎(chǔ)。

（4）考核方式和考核標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)過前面對嵌入式系統(tǒng)知識體系的重構(gòu)，為了讓學(xué)生在項(xiàng)目任務(wù)過程中學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)理論知識階段迭代學(xué)習(xí)，讓知識在最短時(shí)間內(nèi)得到鞏固與應(yīng)用，而不是讓學(xué)生僅限于“記憶”知識點(diǎn)，對不同類型的知識能力，應(yīng)采取不同的考核形式和標(biāo)準(zhǔn)。對于基礎(chǔ)理論性內(nèi)容，采取開卷考試的形式，考核學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識的歸納理解、python語言的基本語法以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的原理。對于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，采用驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)結(jié)果兼實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫的考核形式;對于綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以團(tuán)隊(duì)為單位，對最終結(jié)果進(jìn)行答辯演示結(jié)合設(shè)計(jì)報(bào)告的形式進(jìn)行考核，不僅考核學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力、表達(dá)能力，還為將到來的畢業(yè)論文做一個(gè)預(yù)演。

4. 結(jié)束語

基于OBE的課程教學(xué)，是以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)的成果為導(dǎo)向，提高學(xué)生能力作為目標(biāo)，不斷創(chuàng)新教學(xué)方式和考核方式的一種教學(xué)理念。經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)踐證明，課程學(xué)習(xí)效果明顯提高，課堂出勤率都是100%。學(xué)生自主學(xué)習(xí)能動(dòng)性提高顯著，開始出現(xiàn)不少學(xué)生在課外時(shí)間自己倒騰一些電子設(shè)計(jì)的設(shè)備和產(chǎn)品，畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的多樣化比往年豐富不少。堅(jiān)持以O(shè)BE理念的教學(xué)，需要持續(xù)產(chǎn)出各種創(chuàng)意教學(xué)資源，設(shè)計(jì)多樣化的課堂互動(dòng)，投入更多精力全程參與理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這對教師來說既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。

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作者簡介：

楊彥（1979-）男，漢族，廣西南寧人，現(xiàn)任單位：廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，高級工程師，研究方向：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號處理教學(xué)與研究。

趙玲峰（通訊作者）（1982-），女，漢族，廣西桂林人，現(xiàn)任單位：廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，副教授，研究方向：信號與信息處理教學(xué)與研究。

劉晶晶（1981-），女，漢族，廣西南寧人，現(xiàn)在單位：廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，助理工程師。

基金項(xiàng)目：2020年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“基于OBE理念混合式教學(xué)改革與實(shí)踐”（2020JGB447）

2020年度廣西大學(xué)行健文理學(xué)院課程思政項(xiàng)目“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”（Y2020SZA26）