基于OBE-CDIO工程教育模式下的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)研究

陳培余

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325016）

0 背景

OBE是一種以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向的教育理念。在教學(xué)的過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)能力，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識后的反饋成果。CDIO分別代表：構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作，是以產(chǎn)品從研發(fā)到運(yùn)行的整個(gè)生命周期為載體，將工程項(xiàng)目與課程教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合的教學(xué)模式。在教學(xué)過程中，要求通過實(shí)際的項(xiàng)目場景設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容，基于項(xiàng)目化教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐工程能力。單片機(jī)課程是浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院人工智能學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，是后續(xù)傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等課程的前導(dǎo)課程，也是學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)競賽、電子設(shè)計(jì)競賽的核心基礎(chǔ)。該課程對接物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，注重培養(yǎng)學(xué)生工程分析問題和解決問題的能力。隨著時(shí)代的發(fā)展，單片機(jī)在儀器儀表、家用電器、智能控制等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。為適應(yīng)未來社會發(fā)展的崗位技能需求，本文將OBE理念和CDIO理念進(jìn)行有機(jī)融合，提出基于OBE-CDIO工程教育模式下的教學(xué)理念，通過優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)，引入項(xiàng)目化教學(xué)案例，完善課程標(biāo)準(zhǔn)來提高課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的軟件編程調(diào)試能力、工程分析問題能力和綜合素質(zhì)能力。

1 教學(xué)內(nèi)容的改革

1.1 確定教學(xué)目標(biāo)

OBE理論注重學(xué)習(xí)課程后的產(chǎn)出，要求學(xué)生重點(diǎn)學(xué)習(xí)單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)技術(shù)技能，培養(yǎng)具備實(shí)踐技術(shù)創(chuàng)新能力且適應(yīng)企業(yè)崗位技能需求的人才。結(jié)合人才培養(yǎng)方案設(shè)置和課程的特點(diǎn)，課程的教學(xué)目標(biāo)分為知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)和思政目標(biāo)四個(gè)方面。（1）知識目標(biāo)：掌握單片機(jī)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作原理、中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理、串口通信的工作原理以及LCD液晶顯示的工作原理等。（2）能力目標(biāo)：能進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及軟硬件系統(tǒng)的綜合調(diào)試能力。（3）素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生查找資料、利用資料的能力，以及培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致、規(guī)范的職業(yè)素養(yǎng)。（4）思政目標(biāo)：始終貫徹“崇德尚能，知行合一”的校訓(xùn)為教學(xué)理念，以“奮進(jìn)的互聯(lián)新時(shí)代”為思政主線，培養(yǎng)創(chuàng)新奮進(jìn)、家國親情、感恩奉獻(xiàn)的新時(shí)代應(yīng)用技術(shù)人才。課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法如表1所示，課程與中國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的匹配度如表2所示。

表1 教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法

表2 課程與中國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的匹配度

1.2 重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

OBE理念注重以學(xué)生為中心，教師為主導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)專業(yè)知識的應(yīng)用性和創(chuàng)新性，以實(shí)際工程案例激活課堂，任務(wù)驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向，學(xué)習(xí)成果為檢驗(yàn)。根據(jù)人才培養(yǎng)方案中課程應(yīng)支撐畢業(yè)生所需達(dá)到的知識、能力、素質(zhì)和思政目標(biāo)的要求，重構(gòu)了課程教學(xué)內(nèi)容。采用“線上預(yù)習(xí)→項(xiàng)目需求分析→明確任務(wù)→知識精講→項(xiàng)目實(shí)施→答疑解惑→評價(jià)總結(jié)→課后拓展→成果展示”的形式進(jìn)行知識傳授。首先學(xué)生通過超星學(xué)習(xí)通平臺觀看任務(wù)書并進(jìn)行相關(guān)知識點(diǎn)的預(yù)習(xí)。其次通過視頻或?qū)嵨锵驅(qū)W生展示要完成的作品，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，然后根據(jù)項(xiàng)目需求重新組織教學(xué)內(nèi)容，并對照課程目標(biāo)剖析任務(wù)點(diǎn)，將任務(wù)細(xì)分為若干個(gè)子任務(wù)點(diǎn)，每個(gè)實(shí)訓(xùn)小任務(wù)都要求覆蓋特定的理論知識，有漸進(jìn)的梯度。課中進(jìn)行項(xiàng)目的實(shí)施練習(xí)、答疑解惑和評價(jià)總結(jié)。最后課后布置創(chuàng)新性拓展任務(wù)，分小組分工合作完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，調(diào)研物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈，以提升職業(yè)綜合能力為培養(yǎng)目標(biāo)，將單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程內(nèi)容重構(gòu)為7個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。具體項(xiàng)目內(nèi)容為：跑馬燈系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)量計(jì)數(shù)器系統(tǒng)、樓梯照明燈系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示秒表系統(tǒng)、單片機(jī)雙機(jī)通信系統(tǒng)、基于LCD1602人機(jī)交互界面顯示系統(tǒng)、電壓采集系統(tǒng)。

2 以學(xué)生為中心，采用CDIO模式實(shí)施教學(xué)

2.1 多手段導(dǎo)入項(xiàng)目任務(wù)，讓學(xué)生了解課程內(nèi)容，激活學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣

首先，向?qū)W生展示實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)作品，比如電子設(shè)計(jì)大賽、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)大賽的制作成品和視頻，以及往屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)和實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)的作品，這些單片機(jī)實(shí)際產(chǎn)品或作品可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，通過作品展示讓學(xué)生了解單片機(jī)具體可以開發(fā)哪些實(shí)際的產(chǎn)品。其次，借助51job求職網(wǎng)站搜索單片機(jī)課程將來可以從事哪些具體的崗位，讓學(xué)生提前了解這些崗位應(yīng)該具備的職業(yè)技能和崗位技能要求。最后，介紹本課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容框架以及人才培養(yǎng)方案課程體系中所處的位置。通過對本課程大致的了解，便于學(xué)生合理規(guī)劃自己的時(shí)間，制訂相應(yīng)的學(xué)習(xí)計(jì)劃。

2.2 開放教學(xué)場所，建立線上資源

OBE強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以課程目標(biāo)結(jié)果為導(dǎo)向調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。學(xué)生在課堂內(nèi)學(xué)習(xí)時(shí)間是短暫的，為學(xué)生建立超星學(xué)習(xí)通線上教學(xué)資源，并配備單片機(jī)開發(fā)板，引導(dǎo)學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后自學(xué)和擴(kuò)展實(shí)踐。另外拓展實(shí)踐場所，不局限于教室，帶領(lǐng)一些對單片機(jī)項(xiàng)目開發(fā)有興趣的學(xué)生進(jìn)入雙師創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室，提供常用的儀器設(shè)備和電子元器件，通過電子設(shè)計(jì)大賽和項(xiàng)目化演練提升單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的技能。

3 實(shí)施校內(nèi)課外實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生工程項(xiàng)目的應(yīng)用能力

校內(nèi)實(shí)訓(xùn)課程結(jié)合OBE-CDIO理念進(jìn)行項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生作為實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)的主體，教師布置任務(wù)，學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行4個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)施。項(xiàng)目構(gòu)思階段，確定小組組長，根據(jù)每個(gè)學(xué)生的特點(diǎn)進(jìn)行各自的分工，對項(xiàng)目提出初步的方案構(gòu)想。項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段包括：器件選型和采購、硬件設(shè)計(jì)、實(shí)物焊接制作、軟件設(shè)計(jì)、任務(wù)模塊化。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)階段：對項(xiàng)目進(jìn)行功能測試。項(xiàng)目運(yùn)行階段：項(xiàng)目小組進(jìn)行實(shí)訓(xùn)報(bào)告的撰寫和PPT的制作。通過校內(nèi)實(shí)訓(xùn)，學(xué)生了解了產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)實(shí)施流程，團(tuán)隊(duì)合作意識和實(shí)際工程項(xiàng)目開發(fā)能力都得到了鍛煉。

4 基于OBE-CDIO教育模式的案例設(shè)計(jì)實(shí)踐

以數(shù)碼管顯示秒表課程項(xiàng)目為例講解OBECDIO教育模式在教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用。教學(xué)上主要分為教師教和學(xué)生學(xué)兩個(gè)并行的CDIO模式，具體的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如表3所示。構(gòu)思階段：教師通過超星學(xué)習(xí)平臺發(fā)布任務(wù)的具體要求為，定時(shí)器1采用工作方式1，16位定時(shí)模式，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示秒表，當(dāng)數(shù)碼管顯示60s的時(shí)候開啟蜂鳴器，響亮1s后，關(guān)閉蜂鳴器。學(xué)生通過觀看作品，了解本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)。設(shè)計(jì)階段：教師把任務(wù)細(xì)分為多個(gè)小任務(wù)，包括蜂鳴器的IO口輸出原理、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的原理、定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作原理和初值計(jì)算，以及數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示秒表的流程圖；學(xué)生實(shí)施硬件平臺搭建，Keil編譯環(huán)境下進(jìn)行軟件開發(fā)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)階段：教師進(jìn)行軟件功能模塊化整合，提供項(xiàng)目指導(dǎo)手冊。學(xué)生對照項(xiàng)目指導(dǎo)手冊進(jìn)行硬件搭建和代碼調(diào)試實(shí)現(xiàn)。運(yùn)作階段：教師對項(xiàng)目進(jìn)行答疑總結(jié)，布置課外拓展性任務(wù)，如實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能、系統(tǒng)上下電數(shù)據(jù)保存功能等。學(xué)生進(jìn)行小組討論，明確分工，并通過查閱資料實(shí)現(xiàn)拓展性功能，形成PPT進(jìn)行項(xiàng)目匯報(bào)。基于OBE-CDIO的教學(xué)策略，學(xué)生經(jīng)歷需求分析、查閱資料、學(xué)習(xí)探究、方案設(shè)計(jì)、軟硬件綜合調(diào)試、系統(tǒng)測試、課外拓展訓(xùn)練、匯報(bào)總結(jié)等環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)獨(dú)立的知識傳授相比，教學(xué)內(nèi)容具備實(shí)際工程項(xiàng)目化特點(diǎn)，有效改善學(xué)生專業(yè)技能的掌握程度。

表3 教師教和學(xué)生學(xué)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

5 教學(xué)改革的成效

基于OBE-CDIO的教育理論下的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程改革方案，取得了良好的教學(xué)效果。主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：（1）以學(xué)生為中心展開的教學(xué)，讓學(xué)生參與到整個(gè)項(xiàng)目的過程，使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)查閱資料進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)的過程，學(xué)生的職業(yè)技能、團(tuán)隊(duì)協(xié)助、分析問題與處理問題能力得到了提升。（2）通過組建校內(nèi)電子設(shè)計(jì)興趣小組，學(xué)生參與到競賽和科研當(dāng)中，通過以賽促學(xué)使學(xué)生的項(xiàng)目開發(fā)能力和創(chuàng)新能力都得到提高。在2021年的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)大賽和全國電子設(shè)計(jì)大賽中，學(xué)生在比賽中均取得了優(yōu)異的成績。

6 結(jié)語

本文提出了基于OBE-CDIO工程教育模式下單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程改革。以O(shè)BE學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，發(fā)揮以學(xué)生為主體，在CDIO工程教育模式下實(shí)施理論和實(shí)踐教學(xué)，發(fā)揮以學(xué)生為主體，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，鍛煉了學(xué)生工程項(xiàng)目的分析和解決問題能力。