基于OBE理念的嵌入式系统课程教学改革探索

杨彦 赵玲峰 刘晶晶

摘要：传统嵌入式系统课程在职业院校教学中存在学生积极性不高，学与用脱节严重的问题。本文借鉴OBE以学习成果为导向，以学生为中心的理念，对嵌入式系统教学进行改革和探索。文中重构了教学内容，采用多样化教学方式，改进考核评价方式，对教学实践有一定的指导意义。

关键词：OBE;教学改革;嵌入式系统

1. 嵌入式系统课程教学现状及存在问题

（1）课程内容范围广，课时有限

嵌入式系统课程是电子信息类专业的一门专业课程，其综合性及实践性非常强，它通常涉及到微机原理与接口、计算机编程语言、通信原理、操作系统甚至通信网基础等知识[1]。而近年来，电子信息类的新技术层出不穷，电子信息专业需要学习的课程越来越多，总的学分却没有增加，甚至有呈减少的趋势。再者，由于本课程的知识覆盖面广，知识点多，并且各个知识点之间体系跨度还比较大，所以老师教授难，学生课堂上容易跟不上老师的进度，学习压力大。

（2）教学模式传统，教学效果不佳

嵌入式系统传统课程教学中，课程结构不合理，教学模式单一，导致学生学习兴致不高，学习效果差。传统教学中，课程结构以理论教学为主，实验教学为辅，理论教学学时比例过高，实践教学学时不足。嵌入式系统是一门实践性很强的课程，学生完成本课程的学习后，应当理解嵌入式系统的硬件架构、嵌入式实时操作系统的运作原理、嵌入式应用软件的开发流程和方法等基础知识，应具备基本的嵌入式系统软、硬件开发能力，可以胜任简单的嵌入式系统硬件系统设计工作、软件编程以及产品维护工作。

然而，当前的嵌入式系统课程大多采用传统的教学模式，比如理论课程教授场地大多选择黑板教室或一般的多媒体教室，主要讲授嵌入式系统的基本理论知识和概念，忽视了学生的兴趣和实际工程需求，调动不了学生学习的积极主动性，课堂氛围较为沉闷。而且，传统的嵌入式系统实验课，仍以验证性实验为主，一堂实验课下来，学生仅仅是观摩了一下系统的软、硬件工作的现象及流程，无法掌握嵌入式系统软、硬件开发能力。

（3）考核方式落后，与社会需求脱节

目前，嵌入式系统课程的考核方式在国内高校中大多还是采用闭卷形式，试卷题目传统，考核的重点在于传统教材里，嵌入式系统的基本概念和一些固定公式的僵化应用。然而，学生学习此课程的主要目的是为了掌握系统解决嵌入式工程问题的能力。本课程仍然缺乏类似于企业工作中项目完成制的综合KPI考核手段，教师不好准确评价学生对该课程的应用熟练程度。这也就导致学生们即使修完嵌入式系统这门课，且成绩良好，也很难在毕业时直接到企业承担嵌入式系统项目的开发工作。

2. OBE教学理念简介

OBE（Outcomes based Education），即以学习成果为导向的教育，又可称为需求导向教育、目标导向教育或能力导向教育。起源于美国的基础教育改革，于1981年由美国学者Spady W.D.率先提出[2]，其核心理念是教师根据现实需求制定学生的预期学习结果，以学习成果为中心和起点，重新设计课程的教学体系，实施个性化培养方案，通过考核结果反馈，持续改进教学，最终保证预期教学目标的达成。

3. 基于OBE理念的教学改革

3.1 教学改革模式

（1）明确学习成果

基于OBE理念教学的首要问题，就是明确学生预期的学习成果或学习目标。在制定预期学习成果时，教师不仅要考虑教师知识背景和学生自身的具体情况，还要结合本校层次、教学场所大小和教学实验设备的数量等，制定符合综合实际情况的预期成果标准。如设置的预期目标偏低，学生很轻松就能达到要求，则学生确实应有的努力和锻炼，会弱化课程对毕业生的要求，达不到培养目标;如设定的目标盲目偏高、不切实际、不符合教学规律，学生容易因为非常努力也做不到，产生深深的挫败感，从而早早放弃或采用其他不正当的手段通过考核，就会事倍功半。

（2）优化改进教学内容和教学形式

嵌入式系统作为一门电子信息类专业工程类的专业课，实践性和实效性很强，与企业的具体用工需求密切相关，其首要目标应当是解决嵌入式系统相关的工程问题并跟上电子信息类技术发展的潮流。其一，教学内容上，应聚焦于如何解决当前嵌入式系统工程应用中出现的问题，使学生在毕业后能迅速胜任相关的工作岗位;其二，就时效性，当前教材中讲授的内容大部分是经典内容，教材跟不上嵌入式系统技术日新月异的更新速度。而且，由于课时有限，教师不可能在课堂上将所有涉及的最新技术全部讲授，这需要教师对各种新技术深入调研、学习后，围绕学习目标，选择当前工业界主流的开发技术，及时调整授课内容。其三，教学形式上，传统的教室板书教学或PPT教学，更适合本学科的基本概念和基本理论的讲授。而对于嵌入式工程设计、工程应用问题解决，它覆盖不了众多的开发技术和开发平台，跟不上技术迭代的步骤。教师应采用多样化的教学形式，比如引入企业的多人合作项目制，增加在实验室或实训室组织教学活动的比例，以提高学生的学习效率。

（3）制定合理且个性化的考核标准

对于学习产出结果达成度的评价需要从基础理论、验证性实验和综合实践能力三个层次进行考察和量化，不同层次应采用差异化的考核手段。基础理论考核可采用开卷笔试的形式作答，重点考查学生对嵌入式系统软硬件结构基本概念的理解，以及应对基础项目的编码及查错能力，其占总成绩的比重约40%。验证性实验通过学生对基本实验內容的验证进行考核，以实验内容的复现程度和实验报告的规范程度进行量化;综合实践能力则通过综合实验的设计进行考核，以实际项目功能和性能的完成程度及设计报告的规范程度进行量化，实践部分其占总成绩的比例约为60%，具体的占分比重和学习成果达成度量化方法通过试点不断调整。实践课程的评估可通过项目导入的方式，教师对每位同学及团队的成果进行评价，团队成果得分作为基础分，每位同学所负责的功能模块和完成情况作为各自的加分项，具体比重可在课程实践中不断优化。

3.2 学院层次及学生特点情况分析

（1）学院层次

本校目前定位于应用型本科（以前的三本院校或独立学院），且正逐渐向职业本科方向发展，因此相较于学术型本科院校，在教学上我们更注重学生实践能力，培养应用型人才，教学核心环节是实践教学[3]。

（2）学生特点分析和解决方针

A.抽象思维能力弱

本校的学生大部分数学和外语基础都较差，对工科课程中的原理分析和数学公式推导兴趣不大，且即使在课堂上认真听講，课后反馈仍然是大部分人听不懂或一知半解。因此针对这个特点，在课程内容组织的时候，涉及数学公式和原理部分，应着重讲解公式的来源，基本原理、应用场合及应用需要注意的地方，弱化公式的推导。

B.学习主动性较差

应用型和职业院校的学生与一本学生相比，不仅学习基础上有差距，更主要是学习习惯上，不如一本学术好，学习主动性较差。他们也大都明白，从长期来看，大学里是需要认真学习的，但一旦实施起来，还是惰性占了上风，难以长期坚持主动学习。针对这个弱点，可以在课程教授的过程中，把课程的最后学习成果，划分为若干个阶段性的短期成果，每个短期成果尽量具体且富有趣味性，对学生的感官有一定的正向刺激性，以此来吸引和激励学生不断去完成一个个短期阶段性成果，最终完成长期的最后学习成果的目的。

C.学习两级分化严重

应用型院校在学生招录的时候，因为相当一部分同学是通过第二、第三志愿，甚至是补录招收入校的，所以学生的分数差距较大。这就导致入校后，学习出现两极分化严重，此时如果使用统一的考核标准，如标准定高了，大批的学生挂科，定低了，对学得较好的学生达不到提高锻炼的效果。针对这个特点，我们可以把学生划分为2～3人的小团队，团队可自由组合，但建议优生和差生搭配组合，考核以团队为对象。在指定考核标准时，可以以团队中较优秀的学生为基准，制定较高的标准，把考核目标任务划分为若干个子任务，团队各成员分工合作，完成力所能及的子任务。这样既个性化了考核目标，又培养了团队合作能力。

3.3 教学改革实施具体案例设计

（1）学习成果的确定

基于3.2节分析，本校定位于应用型本科，培养的是适应社会、市场发展需求的具有良好技术应用能力和综合素质的人才。因此，课程教学目标的设置从知识、能力和素质三方面明确对毕业生各项能力的支撑：

A.知识目标主要是掌握扎实的嵌入式系统的结构及接口技术、实时操作系统的控制技术和测试技术等理论知识;

B.能力目标主要是掌握相关工程知识，提高工程实践能力，掌握利用单片机和ARM等芯片进行嵌入式系统应用或产品开发的基本流程，具备根据工程实际需要进行相应技术改造和产品维护的初步能力;

C.素质目标主要是提高系统思维、自主学习、团队合作等综合能力，成为具有现代工程素质的技能人才。

针对3.2节分析本校学生抽象思维能力弱的特点，综合考虑教学成本，学生学习能力后，确定嵌入式系统课程的学习成果为：设计并实现基于树莓派的远程遥控且能够自动避障智能小车（下简称自动避障小车）。

（2）教学内容的确定

OBE的教学理念以学习成果为中心和起点，反向设计重构课程教学体系、组织教学活动。我们嵌入式系统课程的学习成果为设计并实现基于树莓派的远程遥控且能够自动避障智能小车。这款自动避障小车系统及模块划分框图如图1所示：

由图1可知，系统使用树莓派作为主控，分为蓝牙通信模块，底盘及四轮驱动模块和超声波避障模块组成，选择手机App通过蓝牙进行遥控。树莓派采用Raspbian OS（基于linux内核改进），编程使用python语言。手机端编程使用JAVA语言。综上，自动避障小车项目涉及的知识点及教授内容如表1所示：

由上表可知，本项目涉及的知识点广，内容多，且其中只有Java编程是在其他课程中已教授过，剩余知识全部在嵌入式系统课程中教授。如果采用传统的授课方式，很难在几十个课时的时限内完成所有的教学任务。而采用OBE的方式，课堂上只讲授项目中用到的相关知识，剩下的由学生用课余时间自己补充。

（3）教学形式的制定

为提高学生的学习兴趣和学习效率，基于OBE理念，把表1中的知识进行重构，并针对不同类型的知识体系，采取不同的教学形式，课程知识体系重构及教学形式如图2所示：

其中，综合性实验内容，最终的成果就是实现自动避障小车，它调用到的若干个子模块均各自成为一个实验主题，在验证性实验内容中实现。除此之外，验证性实验内容还包括一些树莓派的基本操作及python的编程基础。

（4）考核方式和考核标准

经过前面对嵌入式系统知识体系的重构，为了让学生在项目任务过程中学习，实现理论知识阶段迭代学习，让知识在最短时间内得到巩固与应用，而不是让学生仅限于“记忆”知识点，对不同类型的知识能力，应采取不同的考核形式和标准。对于基础理论性内容，采取开卷考试的形式，考核学生对嵌入式系统基础知识的归纳理解、python语言的基本语法以及实时操作系统的原理。对于验证性实验课内容，采用验证实验复现结果兼实验报告撰写的考核形式;对于综合性实验内容，以团队为单位，对最终结果进行答辩演示结合设计报告的形式进行考核，不仅考核学生的团队合作能力、表达能力，还为将到来的毕业论文做一个预演。

4. 结束语

基于OBE的课程教学，是以学生为中心，以学习的成果为导向，提高学生能力作为目标，不断创新教学方式和考核方式的一种教学理念。经过一段时间的实践证明，课程学习效果明显提高，课堂出勤率都是100%。学生自主学习能动性提高显著，开始出现不少学生在课外时间自己倒腾一些电子设计的设备和产品，毕业设计题目的多样化比往年丰富不少。坚持以OBE理念的教学，需要持续产出各种创意教学资源，设计多样化的课堂互动，投入更多精力全程参与理论及实验教学，这对教师来说既是机遇又是挑战。

参考文献：

[1] 赖峻，刘立程，文元美.基于OBE的“嵌入式系统”课程教学研究[J].教育现代化，2018（26）：25-26.

[2] Spady W G. Outcome-Based Education：Critical Issues and Answers [M].VA：American Association Of School Administrators，1994：1-10.

[3] 刘衍聪，李军.基于OBE理念的应用技术型人才培养方案的设计[J].中国职业技术教育，2018，（14）：72-76.

作者简介：

杨彦（1979-）男，汉族，广西南宁人，现任单位：广西农业职业技术大学，高级工程师，研究方向：北斗导航系统信号处理教学与研究。

赵玲峰（通讯作者）（1982-），女，汉族，广西桂林人，现任单位：广西农业职业技术大学，副教授，研究方向：信号与信息处理教学与研究。

刘晶晶（1981-），女，汉族，广西南宁人，现在单位：广西农业职业技术大学，助理工程师。

基金项目：2020年度广西高等教育本科教学改革工程项目“基于OBE理念混合式教学改革与实践”（2020JGB447）

2020年度广西大学行健文理学院课程思政项目“电子技术课程设计”（Y2020SZA26）