曹一鵬 吳昊 毛艷娥

摘? ? 要：文章針對“單片微型計算機原理及應用”課程的強實踐性特征，以及教學中的“四重四輕”問題，提出了基于OBE-CDIO理念對“單片微型計算機原理及應用”課程教學進行了改革，闡述了教學改革的理論支持以及實施過程，以學生發(fā)展為中心，以成果導向教育OBE為目標，以CDIO的四個環(huán)節(jié)為著手點對課程教學進行改革，并堅持持續(xù)改進以達到工程教育專業(yè)認證的標準，從而提升學生的自主學習能力、工程實踐動手能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

關鍵詞：“單片微型計算機原理及應用”課程；OBE-CDIO；四重四輕；專業(yè)認證；工程實踐能力

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1002-4107（2023）07-0074-04

作者簡介：曹一鵬（1981—），男，吉林大安人，沈陽航空航天大學計算機學院講師，主要從事單片機教學及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究。

基金項目：2021年遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目“基于數(shù)字孿生的《單片微型計算機原理及應用》混合教學模式改革研究”（遼教辦〔2021〕254號）；2022年遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目（優(yōu)質(zhì)教學資源建設與共享項目）“以跨校修讀為基礎、以提升工程實踐能力為導向的‘單片微型計算機原理及應用課程改革的探索與實踐”（遼教辦〔2022〕160號）；2022年沈陽航空航天大學教學改革項目“基于提升學生工程能力的單片機實踐教學體系的改革與實踐”（JG2022001）

在教育全球化的大背景下，為應對產(chǎn)業(yè)技術的不斷升級創(chuàng)新，高等教育改革也隨之不斷革新，工程教育成為當前高校教育界廣泛研究探討的話題，尤其是工科高校，更是將工程教育專業(yè)認證作為一項提高工科專業(yè)畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量中重要的一環(huán)來實施。在2016年，我國成功加入《華盛頓協(xié)議》后積極開展工程教育專業(yè)認證，要求國內(nèi)各高校（尤其是工科類的高校），根據(jù)工程教育專業(yè)認證的三個基本思想（以學生為中心、以學習成果為導向、持續(xù)改進）推進工程教育改革的不斷創(chuàng)新，使工程教育得到更高質(zhì)量的提升；促進與工業(yè)界及產(chǎn)業(yè)界的聯(lián)系，提高行業(yè)人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應度，以培養(yǎng)優(yōu)秀的工程應用及創(chuàng)新人才；促進與國際工程教育的互認，逐步提高我國工程技術人才的國際影響力及競爭力[1-2]。

沈陽航空航天大學（下文簡稱“沈航”）是一所以工科為主的高校，學校正在積極推進各工科專業(yè)的工程教育專業(yè)認證?！皢纹⑿陀嬎銠C原理及應用”（以下簡稱“單片機”）課程是沈航的校級平臺課，同時也是遼寧省一流課程，學校大多數(shù)工科專業(yè)均修讀該門課程，所以“單片機”課程也必須要進行針對工程教育專業(yè)認證的改革，以提升工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

一、“單片微型計算機原理及應用”課程教學體系存在的問題

“單片機”課程具有強實踐性的特征，沈航開設的“單片機”在課內(nèi)和課外均配有實踐環(huán)節(jié)，但仍以課內(nèi)實驗為主，輔以課設設計、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)。然而，在通過工程教育認證之前，沈航的“單片機”課程教學體系仍存有以下不足。

1.重知識傳授，輕能力培養(yǎng)。任課教師將理論知識的傳授看得較重，將實驗作為課程理論知識的補充，實驗的目的僅僅是驗證理論知識，對“單片機”整個開發(fā)流程未做或較少涉及，所以對學生的工程能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)較為不足。

2.重課上講授，輕課下實踐。課堂教學中存在著以任課教師的講授為主的問題，但近年來受縮減學時學分的影響，實踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)大多放到課下完成，課上任課教師與學生互動較少，缺乏翻轉(zhuǎn)課堂的有效實施，學生做出來的優(yōu)秀案例也得不到很好的展示，導致學生對于復雜工程問題的思考積極性不高。

3.重知識點講解，輕知識點之間聯(lián)系。教師授課主要采用講授、討論及案例相結合等教學方法，針對每章重要知識點能夠作出詳細的講解，使得學生能夠較好地掌握知識點，但各知識點之間的聯(lián)系講授不夠，不利于學生全面深入地掌握單片機系統(tǒng)的開發(fā)流程，難以提升學生的系統(tǒng)分析能力。

4.重考試結果，輕學習過程。在學生評價方面，仍采用“一考定成績”為主的評價方式，缺少過程化和精細化的考核，無法滿足以學生為中心的多樣化及能力化要求，無法準確評價學生的學習成果，更做不到持續(xù)改進授課內(nèi)容和方法。

綜上，“單片機”課程若不進行適應發(fā)展的改革，仍采用傳統(tǒng)教學模式，將無法達到工程教育能力培養(yǎng)的目標。

二、教學改革的理論支持

OBE（Outcomes Based Education）是最早出現(xiàn)在美國與澳大利亞的中小學基礎教育改革中的一種重視學習產(chǎn)出的教學模式，其核心思想是學校、教師、管理人員等對學生畢業(yè)時應達到的能力具有清晰地設計，通過“反向設計，正向?qū)嵤保瑢で筮m合的教育模式及方法來促使學生達到這些預期目標，即教育者更看重如何培養(yǎng)學生學習能力和獲得怎樣的學習成果[3]。CDIO工程教育模式（C：構思Conceive、D：設計Design、I：實現(xiàn)Implement、O：運行Operate）是國際工程教育創(chuàng)新的研究成果，在2011年，其創(chuàng)始人愛德華·克勞利（Edward?Crawley）因?qū)υ撃Ｊ降难芯繕s獲被譽為“工程界的諾貝爾獎”的美國工程院“戈登獎”[4]。CDIO工程教育模式是指以項目為載體，學生從主動、實踐、課程及其之間聯(lián)系等多方面學習工程知識，旨在培養(yǎng)學生的工程專業(yè)基礎知識、系統(tǒng)工程能力、個人能力及團隊合作能力[5]。從上述兩大理論的核心思想可以得出，OBE可以作為目標，CDIO可以作為手段，通過將OBE與CDIO有效結合與互補，能夠有效地實現(xiàn)培養(yǎng)綜合型人才的既定目標，并確定了學生對“單片機”課程的整體預期學習產(chǎn)出，又根據(jù)該預期學習成果，構建教學目標，反向設計該門課程的教學內(nèi)容和方法，按照CDIO開展教學，針對“構思、設計、實施、運行”四環(huán)節(jié)設計項目式訓練方法，形成OBE-CDIO有效結合的教學模式。通過應用該教學模式可提升學生的工程應用能力、終生學習能力、團隊交流能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[6]。

三、課程改革的實施

本文以沈航的“單片機”課程為載體，初步探索基于OBE-CDIO教學模式的改革工作與效果。“單片機”課程改革遵循的改革思路如圖1所示。

（一）構思（Conceive）——重新梳理教學大綱，制定教學目標

在課程改革前的教學大綱中，各章節(jié)的教學目標多為要求學生對重要概念和SFR（特殊功能寄存器）的記憶，以及對基本應用的理解，卻沒有重視通過多知識點的融合提升學生分析、解決具有高階性、創(chuàng)新性及挑戰(zhàn)度的復雜工程問題能力，更沒有體現(xiàn)出課程思政對課程本身以及學生自身發(fā)展帶來的益處。

筆者及教學團隊基于OBE的教育理念，根據(jù)國家發(fā)展要求及行業(yè)需求，確定學生的學習成果和能力，重新梳理教學大綱，構思培養(yǎng)學生能力的方向，結合課程思政設計課程教學目標。另外，由于“單片機”課程一般開設在第五、六學期，因此側重于使用高級別的布魯姆認知深度來表示，使學生對所學習的“單片機”專業(yè)知識、應達到的能力形成較為清晰的認識。

（二）設計（Design）——整理教學資源，設計教學手段和方法

OBE-CDIO教育理念的核心是以學生為中心，以學生獲得的能力為導向，對于知識點，學生應該做到的是理解而非簡單的記憶，這就要求改變以教師為中心的授課方式，教師在授課中要注重培養(yǎng)學生具有解決開放問題的能力，而非只具有解決有固定答案問題的能力[7]。筆者以下從理論授課、實踐操作兩個環(huán)節(jié)來闡述OBE-CDIO理念在“單片機”授課中的設計。

在理論授課環(huán)節(jié)，筆者在設計課程內(nèi)容及實現(xiàn)方式時，重視教育部對示范性金課的要求，重點設計具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的案例。先拋出案例，進而分析其中用到的知識和技術，重視多知識點的融合，并將這些知識點和技術進行詳細的分析與講解。學生在學習過程中，要不斷總結開發(fā)單片機系統(tǒng)的方法和技術，理順各知識點之間的內(nèi)部聯(lián)系，提升自己分析、解決復雜工程問題的能力。

在實踐操作環(huán)節(jié)，筆者盡量減少驗證性實驗的學時，較多地安排具有設計性和綜合性的實驗。但由于學生學習能力、前期的相關知識儲備及實踐動手能力不同，所以筆者將實踐項目分為三類，即基本實驗、綜合設計型實驗、學生自主立題的開放型實驗。對于基本實驗，主要是以各章重要的知識點為載體，目的是提高學生的學習興趣，進而提升學生的實踐動手能力。對于綜合設計型實驗，利用專項設計，使學生熟悉并理解單片機系統(tǒng)的開發(fā)設計流程，目的是培養(yǎng)學生綜合設計及單片機系統(tǒng)開發(fā)能力。對于學生自主立題的開放型實驗，利用沈航計算機學院的本科生進教師研究室的政策，鼓勵優(yōu)秀的本科生進入教師的研究室，以教師科研項目為依托，立足產(chǎn)教融合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力及工程實踐能力。通過以上三個環(huán)節(jié)構建出如圖2所示的階梯式實踐教學模式，按科學規(guī)律循序漸進地培養(yǎng)學生的各項工程實踐能力。

另外，在設計理論課程及實驗內(nèi)容時，筆者及教學團隊深入挖掘“單片機”課程中蘊含的思政元素，尤其是通過案例引入知識點，注重案例中蘊含的精神、思想、價值等思政內(nèi)容，在潛移默化中提升學生的思想道德品質(zhì)，做到習近平總書記要求的“全員、全程、全方位育人”。教學團隊通過課程思政內(nèi)容的無聲融入，增強學生的學習興趣，提高學習動力，進而提升學生的工程實踐能力[8]。

（三）實現(xiàn)（Implement）——借助跨校修讀，拓展學生的知識面

在實踐中，教學團隊積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的混合式跨校修讀教學模式，借助于遼寧省推行的“酷學遼寧”平臺，堅持以學生為主體，學生發(fā)展為中心，以學生的學習成果為導向，改變傳統(tǒng)教學的灌輸式授課方式，構建“做中學、用中學、練中學”的3L（Learning by doing，Learning by using，Learning by training）人才培養(yǎng)的新模式，著力提升學生的工程實踐能力。

跨校修讀分為建課方和用課方，雙方共同制定教學計劃。課前，要求學生在通過“酷學遼寧”平臺觀看建課方教師的授課視頻，完成布置的思考題。課中，改革團隊教師拋出在設計階段精心準備的案例，通過理論分析、仿真演示及實際構建，要求學生進行討論分析，回答出教師提出的問題，最后教師認真講解本章的知識點以及與前序知識點之間的聯(lián)系，并進行總結歸納。課后，通過布置作業(yè)、拓展閱讀、實操訓練等方式提高學生對知識的掌握情況，最后，用課方將學生的掌握情況反饋到建課方教師，雙方通過針對學生的學習成果進行持續(xù)改進。整個實現(xiàn)階段師生工作學習內(nèi)容如表1所示。

（四）運行（Operate）——細化考核方式，培養(yǎng)學生多方面能力

通過對課程進行構思、設計、實現(xiàn)三階段改革之后，教學團隊改變以往僅通過一次期末考試就決定學生成績的考核方式，加大過程考核比重，將總評成績設定由觀看視頻時長、線上測試成績、小組討論、實驗成績、期中成績、期末成績等幾部分，通過增加這些考核環(huán)節(jié)來提升學生的多方面能力，如：工程實踐動手能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、語言表達能力及團隊協(xié)作能力等，并注重培養(yǎng)學生的高級工程思維。另外，在期末考試中，增加一些具有開放性答案的試題，對學生是否具有解決開放問題的能力進行考查。考核方式和能力對應關系如圖3所示。

四、課程的持續(xù)改進

工程教育專業(yè)的一個重要理念就是持續(xù)改進，因此教學團隊結合學生學習情況、考試情況和學生工程實踐能力提升情況，認真總結改革成果，持續(xù)改進教學目標。教學團隊通過學校督導聽課、任課教師互相聽課、學生評價教師等多種手段尋找教學中的問題與不足；通過計算教學目標的達成，分析課程中授課方法和手段的不足，提出合理化的改進建議；與專業(yè)的思政課教師共同討論，形成協(xié)同育人教學團隊，發(fā)揮課程思政的思想引領作用；側重將理論知識和動手能力高度融合，更加強調(diào)將知識轉(zhuǎn)化為實際運用的能力，使學生成為學習的主體與中心。

五、結語

培養(yǎng)具有工程實踐能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的綜合素質(zhì)人才是工程教育專業(yè)認證的核心目標，在OBE-CDIO理念指導下對“單片機”課程教學進行改革，以學生發(fā)展為中心，以成果產(chǎn)出為導向，反向設計教學目標，正向?qū)嵤┙虒W過程，持續(xù)改進，循序漸進地培養(yǎng)學生的工程實踐能力。該教學改革成果目前已經(jīng)推廣到其他課程的教學當中，并且“單片機”課程隸屬的沈航計算機科學與技術專業(yè)也已成功通過工程教育專業(yè)認證。經(jīng)實踐證明，基于OBE-CDIO理念的教學深受學生、家長、企業(yè)的歡迎，極大地激發(fā)了學生的自主學習能力、創(chuàng)新能力、工程實踐能力以及社會適應能力，為國家發(fā)展和社會需要培養(yǎng)優(yōu)秀的單片機行業(yè)人才。

參考文獻：

[1]? 王宏，于曉，韓家新，等.融合CDIO-OBE的雙線程交互式教學模式探索與應用[J].計算機教育，2018（9）.

[2]? 華爾天，計偉榮，吳向明.中國加入《華盛頓協(xié)議》背景下工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索與實踐[J].中國高教研究，2017（1）.

[3]? 周雙喜，韓震，黃強.CDI0-OBE工程教育模式的材料力學實踐教學研究與探索[J].實驗室研究與探索，2018（8）.

[4]? 李明忠，任林芳，焦運紅.美國高等工程教育改革的主要特征——以戈登獎獲獎項目為例[J].高等教育研究，2018（1）.

[5]? 王碩旺，洪成文.CDIO：美國麻省理工學院工程教育的經(jīng)典模式——基于對CDIO課程大綱的解讀[J].理工高教研究，2009（4）.

[6]? 李剛，秦昆，萬幼川，等.面向新工科的遙感實驗教學改革[J].高等工程教育研究，2019（3）.

[7]? 顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（下）[J].高等工程教育研究，2012（5）.

[8]? 曹一鵬，潘琢金，吳昊，等.課程思政視角下的“單片微型計算機原理及應用”課程教學探索與實踐研究[J].工業(yè)和信息化教育，2022（5）.

[責任編輯? 韓曉雨]