摘" 要：針對某高校電工電子類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室大部分成員單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)能力不足、學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確等問題，提出一種基于成果導(dǎo)向教育理念的單片機(jī)項(xiàng)目化培訓(xùn)改革方案，方案以成果為導(dǎo)向，采取項(xiàng)目驅(qū)動、夯實(shí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)知識、注重項(xiàng)目特色、構(gòu)建師生互評的評價(jià)體系的思路制定培訓(xùn)目標(biāo)和持續(xù)改進(jìn)遞進(jìn)式培訓(xùn)內(nèi)容。經(jīng)過四年的實(shí)踐探索，培訓(xùn)改革取得良好效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，提升了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，鍛煉了學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)培訓(xùn)；OBE理念；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室

文章編號：1671-489X（2025）02-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.02.

0" 引言

成果導(dǎo)向教育（OBE，Outcome-Based Educa-tion）也稱為能力導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育[1]，是指教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的導(dǎo)向是學(xué)生通過教育過程最后取得的學(xué)習(xí)成果。OBE理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生取得什么樣的成果，取得這些成果的緣由，如何有效幫助學(xué)生取得成果，如何了解學(xué)生是否取得成果。更深的一層內(nèi)涵是要求先明確學(xué)習(xí)成果，采用多元彈性的個(gè)性化學(xué)習(xí)，學(xué)生通過學(xué)習(xí)過程完成自我實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)，教師根據(jù)成果反饋改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)[2]。

在實(shí)施基于OBE理念的教學(xué)過程中，孫駟洲等[3]

提出引入OBE理念，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力為目標(biāo)，整合實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)模式，將項(xiàng)目化和遞進(jìn)教學(xué)模式貫穿單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力；王佳等[4]提出以成果導(dǎo)向?yàn)槟繕?biāo)，采取項(xiàng)目驅(qū)動、反向設(shè)計(jì)、正向?qū)嵤┑脑O(shè)計(jì)思路確定課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，持續(xù)改進(jìn)課程考核方式；張欣[1]研究和設(shè)計(jì)了基于OBE理念的教師考核與學(xué)生自我評價(jià)相結(jié)合的實(shí)踐課程評價(jià)體系，并通過實(shí)踐驗(yàn)證了實(shí)踐教學(xué)改革與課程評價(jià)體系的合理性和有效性。

借鑒以上學(xué)者的改革模式，以某高校電工電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室為例，筆者提出基于OBE理念的單片機(jī)項(xiàng)目化培訓(xùn)改革方案。該方案以成果導(dǎo)向和“厚基礎(chǔ)、重特色”為培訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計(jì)路線，以項(xiàng)目化開發(fā)為驅(qū)動，制定遞進(jìn)式培訓(xùn)目標(biāo)和內(nèi)容，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)其實(shí)踐動手能力，鍛煉其項(xiàng)目設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維和工程問題分析與解決能力。

1" 單片機(jī)培訓(xùn)模式現(xiàn)狀分析

1.1" 缺乏單片機(jī)開發(fā)板設(shè)計(jì)過程

目前，大部分學(xué)生在單片機(jī)學(xué)習(xí)過程中購買市面上的51單片機(jī)學(xué)習(xí)板，并獲取廠家提供的學(xué)習(xí)資料，以及結(jié)合Protues仿真軟件對一些簡單的功能模塊進(jìn)行調(diào)試。同時(shí)，在其后的一些項(xiàng)目開展過程中，學(xué)生設(shè)計(jì)的樣機(jī)普遍采用“單片機(jī)開發(fā)板+各類功能模塊+杜邦線”的連接方式進(jìn)行組裝調(diào)試。這就導(dǎo)致很多學(xué)生使用專用軟件繪制項(xiàng)目樣機(jī)PCB板和電子元器件焊接的能力比較弱，時(shí)常無法對樣機(jī)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，難以進(jìn)一步優(yōu)化硬件電路設(shè)計(jì)。

1.2" 缺乏綜合程序整合能力，程序編寫混亂

培訓(xùn)過程涉及單片機(jī)的基本概念、硬件結(jié)構(gòu)、I/O口、中斷定時(shí)器、串行口、PWM等知識點(diǎn)，但知識點(diǎn)之間相互獨(dú)立。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程僅限于對單一功能的驗(yàn)證，未能運(yùn)用所學(xué)理論知識點(diǎn)進(jìn)行延伸設(shè)計(jì)，未能對多個(gè)功能進(jìn)行整合調(diào)試，以致他們無法了解單片機(jī)各個(gè)功能之間千絲萬縷的關(guān)系，缺乏工程設(shè)計(jì)意識[5-6]。同時(shí)，學(xué)生在編寫程序過程中對一些變量函數(shù)命名、程序注釋和程序結(jié)構(gòu)設(shè)置不夠重視，從而導(dǎo)致程序編寫混亂，自身和他人閱讀程序比較吃力，移植和維護(hù)代碼困難，反映其缺乏程序代碼系統(tǒng)性設(shè)計(jì)思維。

1.3" 缺乏閱讀原廠用戶手冊的經(jīng)歷

以往的單片機(jī)教學(xué)或培訓(xùn)過程中，教師主要依據(jù)課本和PPT進(jìn)行教學(xué)，但在實(shí)際的單片機(jī)開發(fā)過程中，所用的核心控制器型號和封裝較多，功能也有所區(qū)別。一般的教材僅針對某一型號、某一封裝的核心控制器所具備的功能和部分功能程序代碼進(jìn)行解析，而原廠提供的控制器用戶手冊是對某一系列核心控制器、各類技術(shù)參數(shù)、特性功能、寄存器、底層驅(qū)動函數(shù)代碼的詳細(xì)說明，覆蓋面較廣。只有學(xué)會閱讀用戶手冊，才能更好地了解所用的核心控制器的各項(xiàng)功能，才能進(jìn)一步加深自身對控制器功能程序代碼設(shè)計(jì)的理解。

1.4" 缺乏有效的考核評價(jià)機(jī)制

目前，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室未制定具體的考核評價(jià)機(jī)制，在參加單片機(jī)培訓(xùn)過程中，學(xué)生能力的提升未能得到正式的認(rèn)可和評價(jià)。同樣，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的單片機(jī)培訓(xùn)、學(xué)術(shù)競賽和項(xiàng)目研發(fā)過程未能及時(shí)收到學(xué)生給予的效果反饋。

2" 制定OBE理念的培訓(xùn)目標(biāo)

為培養(yǎng)基礎(chǔ)寬厚、專業(yè)知識扎實(shí)、實(shí)踐能力較強(qiáng)、具有一定解決實(shí)際問題能力和學(xué)術(shù)研究能力，符合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求的電氣工程背景的電氣電子類復(fù)合應(yīng)用型人才[7]，筆者采用反向設(shè)計(jì)、正向?qū)嵤┑姆椒?，以?xiàng)目驅(qū)動、夯實(shí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)知識、注重項(xiàng)目特色、構(gòu)建師生互評的評價(jià)體系的思路制定培訓(xùn)目標(biāo)和培訓(xùn)課程內(nèi)容，從而完成以學(xué)生為中心的單片機(jī)培訓(xùn)改革[3]?；贠BE理念的培訓(xùn)改革目標(biāo)如下。

1）具備扎實(shí)的電工電子類基礎(chǔ)知識：通過對電路、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)三門課程相關(guān)基礎(chǔ)電路進(jìn)行理論分析、軟件仿真與焊接調(diào)試，鞏固學(xué)生對理論知識的理解。

2）掌握電路板繪制軟件，熟悉電路板生產(chǎn)工藝和SMT焊接流程：熟練使用嘉立創(chuàng)EDA軟件繪制項(xiàng)目樣機(jī)電路板PCB，熟悉PCB設(shè)計(jì)圖紙下單生產(chǎn)操作流程和生產(chǎn)工藝要求、電子元器件SMT加工焊接流程。

3）提高以單片機(jī)為核心的綜合設(shè)計(jì)能力：能夠根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)需求制定軟硬件設(shè)計(jì)方案，結(jié)合數(shù)模電和單片機(jī)設(shè)計(jì)知識，設(shè)計(jì)綜合性控制裝置或設(shè)備。

4）扎實(shí)的項(xiàng)目開發(fā)報(bào)告書撰寫能力：能夠根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告要求，在充分了解和理解項(xiàng)目任務(wù)、研究內(nèi)容與樣機(jī)功能等情況下，指導(dǎo)或參與項(xiàng)目開發(fā)報(bào)告撰寫工作。

3" 制定基于OBE理念的培訓(xùn)改革措施

3.1" 夯實(shí)電工電子類基礎(chǔ)知識

通過錄制電阻、電容、電感、二極管等基礎(chǔ)元件的功能、特性參數(shù)講解視頻，三極管放大電路、MOS管開關(guān)電路、運(yùn)算放大電路、全波整流、變壓器等基礎(chǔ)應(yīng)用電路的工作原理和仿真教學(xué)講解視頻，采用線上自學(xué)、線下驗(yàn)證的方式對學(xué)生的電工電子基礎(chǔ)知識進(jìn)行鞏固。其中積分運(yùn)算電路仿真如圖1所示，通過仿真畫面能夠?qū)崟r(shí)觀察到電路中各點(diǎn)電壓、電流和波形的變化，使得學(xué)生更容易理解知識點(diǎn)。

3.2" 培養(yǎng)單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)能力

以STC8H4K64S4單片機(jī)為核心，集成程序燒寫模塊、電子時(shí)鐘、觸摸識別、獨(dú)立機(jī)械按鍵識別以及引出單片機(jī)所有I/O口，作為單片機(jī)程序調(diào)試和功能驗(yàn)證的最小系統(tǒng)開發(fā)平臺。該平臺3D渲染如圖2所示，單片機(jī)采用LQFP-32封裝，發(fā)光二極管、電阻、電容均為0805封裝，另有SOP-8和SOP-16封裝的電子元器件。采用表貼片封裝電子元器件，有助于核心開發(fā)平臺小型化和美觀化，同時(shí)為鍛煉學(xué)生焊接能力埋下伏筆。

所有參與培訓(xùn)的學(xué)生均需通過嘉立創(chuàng)EDA軟件繪制單片機(jī)最小系統(tǒng)開發(fā)平臺的原理圖和PCB，并外發(fā)生產(chǎn)。同時(shí)，學(xué)生還需焊接開發(fā)平臺所有元器件，焊接過程不僅能加強(qiáng)學(xué)生對常規(guī)電子元器件的識別能力，還能鍛煉學(xué)生焊接的動手能力、解決焊接問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的耐心和細(xì)心。

3.3" 提高學(xué)生閱讀原廠用戶手冊能力

采用由易到難的遞進(jìn)式培訓(xùn)方式，培訓(xùn)授課內(nèi)容先以課本、PPT和仿真為主，閱讀芯片原廠用戶手冊為輔，主要通過直觀化、形象化和通俗化的方式對授課內(nèi)容進(jìn)行講解，以便學(xué)生更好地理解知識點(diǎn)。而后以學(xué)生閱讀芯片原廠用戶手冊、實(shí)物硬件調(diào)試驗(yàn)證為主，教師利用PPT講解重點(diǎn)與難點(diǎn)為輔，更專業(yè)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙χR點(diǎn)進(jìn)行講解，促使學(xué)生逐漸形成專業(yè)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)研究思維。

3.4" 底層驅(qū)動函數(shù)規(guī)范化

采用功能描述的方式對變量名和函數(shù)進(jìn)行命名，即以英文詞匯為主，短命名時(shí)以完整的英文詞匯組成，長命名時(shí)以英文詞匯前三個(gè)字母或簡寫為主，且首字母為大寫。函數(shù)之間必須采用“高內(nèi)聚、低耦合”的方式，程序塊采用縮進(jìn)四空格風(fēng)格進(jìn)行縮寫，相對獨(dú)立的程序塊之間、變量說明之后必須有空行。程序代碼有效注釋量必須在50%以上，注釋內(nèi)容要清楚明了、含義準(zhǔn)確。函數(shù)前面必須給出足夠且精練的功能和例子說明。其中流水燈驅(qū)動函數(shù)程序代碼如圖3所示。

3.5" 制定單片機(jī)培訓(xùn)課程內(nèi)容

結(jié)合電氣行業(yè)的需求，以培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才為目標(biāo)，以電工電子類學(xué)科知識為基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)程云平臺管理系統(tǒng)技術(shù)、3D打印技術(shù)、電氣設(shè)備運(yùn)行技術(shù)等多學(xué)科知識，以研發(fā)應(yīng)用于電氣行業(yè)的特色裝置或設(shè)備為目的，制定遞進(jìn)式單片機(jī)培訓(xùn)課程內(nèi)容，具體內(nèi)容如表1所示。

4" 制定考核反饋方式

OBE理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生取得怎樣的成果。在單片機(jī)培訓(xùn)過程中，要考慮如何通過多元化彈性的方式著重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，引導(dǎo)學(xué)生獲得多樣化的學(xué)習(xí)成果。采用精細(xì)化的考核方式、遞進(jìn)式的項(xiàng)目化培訓(xùn)方式[8-9]，根據(jù)項(xiàng)目難度級別、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)成果、項(xiàng)目報(bào)告內(nèi)容撰寫、答辯等綜合評定學(xué)生的能力[10]，通過項(xiàng)目進(jìn)度記錄表反饋和分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況。以項(xiàng)目為單位，考核內(nèi)容與分值如表2所示，項(xiàng)目研發(fā)進(jìn)度記錄如表3所示。

總評成績采用“優(yōu)（≥90分）”“良（80～89分）”“中（70～79分）”“及格（60～69分）”和“不及格（＜60分）”五級核定。

5" 改革成果

自2019年逐步實(shí)施單片機(jī)培訓(xùn)改革以來，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室學(xué)生的電工電子類基礎(chǔ)知識和綜合設(shè)計(jì)能力得到提升。其中圍繞電氣類設(shè)計(jì)的作品，如“一種新型無功補(bǔ)償控制器”“一種網(wǎng)絡(luò)型單相智能電表”“電能質(zhì)量管理系統(tǒng)”，分別獲得全國大學(xué)生嵌入式芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽二等獎、首屆RISC-V MCU創(chuàng)新應(yīng)用邀請賽一等獎、全國大學(xué)生節(jié)能減排競賽三等獎。師生共發(fā)表學(xué)術(shù)論文17篇，參與單片機(jī)培訓(xùn)高達(dá)100人次，70%的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室學(xué)生進(jìn)入南方電網(wǎng)、廣東粵電等電力企業(yè)工作。

6" 結(jié)束語

將以學(xué)生為中心的OBE理念引入單片機(jī)培訓(xùn)，通過鞏固學(xué)生基礎(chǔ)知識，以遞進(jìn)式的項(xiàng)目化培訓(xùn)指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)應(yīng)用于電氣行業(yè)的項(xiàng)目樣機(jī)，以綜合性的考核評定學(xué)生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識，還使其在學(xué)術(shù)科技競賽和學(xué)術(shù)論文發(fā)表方面實(shí)現(xiàn)數(shù)量與質(zhì)量的提升。

7" 參考文獻(xiàn)

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