基于OBE的《单片机原理及应用》课程教学设计与实践

张 欣

(长春工程学院 电气与信息工程学院，长春 130012)

一、引言

成果导向教育(Outcome based education，OBE)作为一种新的教育理念于1981年由Spady等人提出。该理念一经提出便很快得到广泛的重视与认可，并已经成为美国、英国等国家教育改革的主流理念。美国工程教育认证协会全面接受了这一理念，并将其贯穿于工程教育认证标准的始终[1]。2013年6月，我国被接纳为《华盛顿协议》签约成员，这标志着我国开始进行与国际实质等效的工程教育专业认证过程。专业认证倡导的主要理念之一即为成果导向理念，强调专业教学设计和教学实施以学生接受教育后所取得的学习成果为向导，并对照毕业生核心能力和要求，评价专业教育的有效性。因此使用成果导向教育理念引导工程教育教学的改革，具有现实意义。

《单片机原理及应用》是长春工程学院2014版电气工程及其自动化专业培养方案中专业基础课之一。该门课程是一门理论与实践结合较紧密的课程，在理论教学方面，着重于基本理论和基本设计方法的讲解；在培养实践应用能力方面，着重使学生树立工程观点，结合实验与课程设计等实践教学手段，使学生具有分析和解决电气工程相关领域单片机控制系统方面的复杂工程问题的能力。

OBE理念强调关注“教育产出”即“学生学到了什么”，因此《单片机原理及应用》课程教学模式按照“反向设计，正向施工”的基本思路[2]，以培养目标和毕业要求为出发点，设计科学合理的课程大纲，采用匹配的教学内容和教学方法，对学生是否达成毕业要求进行合理考核，最终还要评价课程的达成情况，并进行相应的持续改进。基于OBE理念的课程教学设计流程如图1所示。

图1 基于OBE理念的课程教学设计流程图

二、OBE课程目标成果的设定

根据应用型人才的需求特点和毕业要求，确定《单片机原理及应用》课程的目标成果：

目标1：熟练掌握单片机的内部结构及特性、指令系统的基本构成及特点，能够运用单片机基本理论，恰当地表述电气工程领域的单片机控制系统问题。

目标2：能够运用单片机的基本理论，对单片机控制系统进行分析和评价，并能提出优化途径。

目标3：能够运用单片机的基本理论，根据单片机控制系统设计要求，设计系统硬件电路、编写软件程序和进行软硬件调试，并能根据调试结果不断改进系统性能。

目标4：能够运用单片机工作原理及接口技术，根据实验要求设计合理、可行的实验方案；能够正确选用实验设备中的功能模块搭建硬件平台，编写软件程序，实验过程中能安全、规范地操作实验设备；能够通过软硬件调试不断完善实验方案，从而得出合理有效的实验成果。

三、OBE课程教学设计

以着重培养学生的创新意识、创新思维和创新能力为切入点，以学生的实践能力培养与社会生产密切结合为着重点，设计多元化多层次的课程教学体系[3]。

1.第一层次：理论教学，根据课程目标1、2、3确定三大教学模块，即单片机基本理论、单片机控制系统分析及评价、单片机控制系统设计与调试。各模块课程教学内容设计如表1所示。

表1 理论教学内容设计

2.第二层次：课程实验。针对电气工程及其自动化专业学生，根据课程目标4确定三个实验环节，即实验预习及实验方案设计、实验过程、实验成果。突出体现学生的个性化发展这个教学理念，在个性化工程素质培养的基础上，引导、启发、鼓励学生大胆创新。

3.第三层次：开展课外科技及创新教育活动。包括大学生创新创业训练项目、大学生科技竞赛和科研项目等方式，并进一步实现将课外科技活动项目向综合性、设计性实验教学项目转化，从而推进实践教学效果的提高。

四、复杂工程问题在OBE课程中的体现

解决复杂工程问题的能力是工程专业毕业生必须具备的最基本素质[4]。针对电气工程及其自动化专业学生，《单片机原理及应用》课程需要实现使学生具有识别、表达和分析电气工程相关领域单片机控制系统方面的复杂工程问题的能力。

1.必须运用深入的工程原理经过分析才可能得到解决。这是中国工程教育专业认证协会界定的“复杂工程问题”所必须具备的特征，在《单片机原理及应用》课程所有4个目标中均有体现。在理论教学中，必须深入掌握单片机基本理论，经过分析与提炼，才能达到恰当表述、分析和解决电气工程领域的单片机控制系统问题，能够设计系统软、硬件并完成调试，并能根据调试结果不断改进系统性能。在实验教学中，从方案设计、实验系统搭建、软件编程、实验设备调试到实验现象分析与记录等环节，需要学生运用深入的单片机相关知识和原理，经过深入分析才能得到解决。

2.涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突。在理论与实验教学中，系统软、硬件设计及系统调试过程涉及多方面的技术，如单片机接口技术、传感器技术、模拟电子技术、数字电子技术、计算机仿真技术等。尤其在解决单片机控制系统复杂工程问题时，还需要考虑多方面的工程因素，如所设计单片机控制系统的适用领域、环境气候、性价比、实验设备、实验安全、制作安装等因素。多种技术和各因素之间可能存在一定冲突。

3.具有较高的综合性，包括多个相互关联的子问题。《单片机原理及应用》课程有1项设计性实验——模拟量控制直流电机转速实验。该项实验覆盖单片机接口技术、软件编程等多项教学内容，围绕单片机控制系统的分析与设计展开，达到复杂工程问题解决能力的培养要求。此外，对于设计性实验，要求在实验前预先设计实验方案、根据实验设备给定的功能模块搭建实验硬件平台、编写实验程序、预先使用Proteus软件对所设计的软硬件进行模拟仿真调试，再进入实验室进行实验设备调试，记录实验现象，并在实验后编写实验报告，做好实验总结。因此设计性实验涉及多项教学内容和多方面技术，具有较高的综合性。

五、OBE课程的考核、评价及持续改进

《单片机原理及应用》课程的考核以考核培养目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握情况和应用能力为重点内容，包括平时考核和期末考核两部分。平时考核评价由作业、测验(该两项对应课程目标1、2、3)和实验(对应课程目标4)构成，分别占平时成绩的30%、20%和50%。期末考核采取闭卷笔试方式，考核内容覆盖课程目标1、2、3的全部内容。平时成绩、期末成绩、总评成绩均采用百分制，在总评成绩中，平时成绩和期末成绩所占权重分别为0.3和0.7。各考核环节所占分值、比例也可以根据教学需求进行调整。各项考核目标分值分配表如表2所示。其中，平时成绩中的实验考核成绩50分，将从实验预习(20%)、实验过程(30%)和实验成果(50%)三方面评定成绩。

表2 各项考核目标分值分配表

课程目标达成情况使用课程分目标达成度和课程总目标达成度来评价，其公式如式1和式2所示。

(式1)

课程总目标达成度=

(式2)

式1中的目标额定分值按表1各目标的总评成绩计算得到。根据专业认证要求，将课程分目标达成度和课程总目标达成度目标值设置为0.7。针对《单片机原理及应用》课程，以长春工程学院2018～2019(1)学期，电气工程及其自动化专业2016级学生该门课程成绩为例，计算该课程分目标达成度和课程总目标达成度如表3所示。

根据表3课程目标达成度计算结果可知，学生在目标3的达成度为0.65，没有达到0.7的预期目标值。分析原因有二：一是期末试卷相关目标3的试题较难；二是单片机控制系统软、硬件设计能力是一种综合能力，不但要求学生学习理论知识，还要求学生必须将所学知识融会贯通，并反复实践，才能真正掌握和提高系统设计能力，因此目标3是本门课程的难点。基于以上原因提出持续改进措施：一是在今后的课程学习过程中，进一步强调在理论课程和实验教学过程中要求学生自学和应用PROTEUS仿真软件，这在一定程度上可帮助学生提高对单片机的理解能力和系统设计能力，从而提高目标3的的达成度；二是不断优化课堂教学内容，增加系统软硬件设计实例讲解，并在课上及课后增加目标3相关习题的训练强度，从而强化学生单片机系统设计的能力。

表3 电气工程及其自动化专业2016级《单片机原理及应用》课程达成度

六、结束语

综上所述：引入OBE理念能够增强教学的实效性，通过成果导向教学模式既能够为学生搭建起通往成果的发展平台，又能够让学生产生强烈的求知欲望，从而激发学生自主学习的积极性。引入OBE理念能够实现学生学习成果的量化，通过计算达成度可直观评价学生达成学习成果的内涵和个人的学习进步，并提出相应持续改进措施进行有针对性的课程改革与探索，从而直观地掌握课程是否符合应用型人才培养的需要。