基于OBE理念的智能仪表课程教学改革

蓝和慧，席文平，张 健

基于OBE理念的智能仪表课程教学改革

蓝和慧，席文平，张 健

(辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001)

智能仪表是一门实践性、综合性较高的课程。为提高教学质量，将OBE教学理念融入到课程的教学改革过程中，从教师科研项目的引入与真题真做、周考核式的过程监督与信息反馈、答辩与现场演示的项目验收等几方面，构建了与工程实际相结合的新型教学模式。实践表明，基于OBE理念的教学改革不仅解决了传统教学方式中存在的问题，而且提高了教学质量，考试平均分和及格率得到了大幅提升，同时激发了学生的学习动力，增强了学生的动手实践能力。

智能仪表；OBE；教学改革；实际工程项目

成果导向教育（Outcome Based Education）通常简称为OBE，是指教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果（Learning outcomes）[1]。OBE理念强调学生的实际学习成果，而不是学生的学习过程。在课程建设中，教师应该基于学习成果开展教学[2]。

智能仪表课程是测控技术与仪器专业的重要专业课程，是针对前序课程的C语言程序开发、模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理及接口技术、嵌入式技术等课程内容，在面对工程实际问题时的设计方法，并根据工程需要对智能仪表的抗干扰技术、检测算法和控制算法进行课堂教学。

一、智能仪表课程在传统教学中存在的问题

智能仪表课程的总学时中一般包括理论学时和实验学时。以辽宁工业大学测控技术与仪器专业为例，智能仪表课程的总学时为48学时，其理论学时为36学时，授课内容包括智能仪表的概述、构成智能仪表的主机电路、过程输入/输出通道、人机接口电路、通信原理与接口、抗干扰技术、监控程序和测量与控制算法等；实验学时为12学时，实验项目包括双路定时器实验、温度采集报警实验和单片机与上位机通信实验。

课程理论知识教学环节存在的问题在于教学方法、手段陈旧。教师是以教材的章节顺序，依次讲述每个知识点[2]，虽然已经采用多媒体辅助手段，通过图片、动画或视频的方式对部分难于理解的内容进行了相应的演示，并且针对重点内容开设出相应的实验，但由于该课程的工程实践性较强，实验环节也仅仅停留在实验箱上，学生在课程结束后，对于智能仪表的理解仍然不够，无法从实际情况出发，有针对性地对智能仪表进行设计、开发与维护。因此，为使课程适应“向应用型转型”的发展需要和智能检测与控制技术的发展，使学生更加深入地掌握智能仪表的设计方法、提高学生的工程实践能力与创新能力，在保持课程原有学时不变的情况下，将实验学时进行转换，搭建满足学生进行智能仪表自主实践的平台，构建“理论与工程相结合、团队与分工相结合、评价与反馈相结合、答辩与演示相结合”的新型教学模式，对测控技术与仪器专业的智能仪表课程进行教学改革与创新。

二、OBE教学改革目标

基于OBE的智能仪表课程改革目标：以培养学生智能仪表开发能力、创新能力和实际动手能力为成果导向，以能够达到熟练掌握智能仪表的设计过程、针对不同的工程环境进行抗干扰设计，并合理利用各种滤波算法对信号进行检测，同时可以很好地利用控制算法对执行器进行控制为预期目标，通过课堂理论授课与工程实例相结合的方式，让学生利用课余时间进行相关内容的设计，完成实物制作和调试，帮助学生深刻理解智能仪表的设计和调试过程，掌握智能仪表在实际应用中需要考虑的各种因素和仪表的抗干扰技术。

三、OBE教学改革的实施过程

OBE要求学生通过具有挑战性的任务，例如提出项目建议、完成项目策划、开展案例研究和进行书面报告等，来展示他们的能力。这样的任务，能够让学生展示思考、质疑、研究、决定和呈现的能力。因此，在智能仪表课程教学改革的实施过程中，通过如下几个环节完成教学改革目标。

（一）设置实际工程项目

智能仪表的设计与开发，不能简单地理解为对前序课程知识点的整合与连接，例如单片机与嵌入式芯片的编程、C语言的应用、A/D与D/A转换器、人机接口电路设计等理论设计，应该注重的是设计与开发的过程，这其中包括了对于实际项目的方案论证、器件的合理性选型、成本分析与预算、仪表的功能实现等内容，只有通过实际的工程项目训练，才能达到对智能仪表设计研发过程的深入理解，这也正是OBE教学改革的主要出发点。笔者通过多年的工程实践和教学，结合学生自身的特点，总结并提炼出与工程实际相关的题目，如表1所示。

表1 实际工程项目列表

序号项目编号项目名称 1ZNYB-2021-01车载信号检测与控制装置 2ZNYB-2021-02具有自诊断功能的光控照明灯 3ZNYB-2021-03多功能信号检测与波形发生器 4ZNYB-2021-04农业大棚环境监控装置 5ZNYB-2021-05小球滚动控制装置

工程实际项目的提出应具有实际应用意义，同时还要考虑在教学环节中的可实施性，既要让学生能够在项目实施过程中体会智能仪表在实际工程中的具体应用方法，又要让学生能够利用课余时间完成项目。因此，项目任务书的编制显得尤为重要。每个题目的项目任务书按照“项目实施目的”“项目需要完成的主要内容”“项目要求达到的技术指标”等几方面进行编制。

1. 项目实施目的。主要让学生了解完成该项目后，可以锻炼哪方面能力，掌握哪方面技能，同时也引导学生为完成项目着重学习哪方面的知识。如,题目为“农业大棚环境监控装置”的实施目的为：通过对该项目的设计与制作，掌握智能仪表模拟量输入、开关量输入、开关信号输出、人机接口技术、通信技术、硬件电路等设计方法和软件编写方法；掌握软件滤波算法的使用方法；学习智能仪表设计的全过程；掌握智能仪表相关文档的编写方法。

2. 项目需要完成的主要内容。根据不同的题目，分别以要点的形式列出不同的要求。学生将根据给出的主要内容完成每个项目。要点列出的越详细，学生对任务的要求越明确，在项目实施过程中思路越清晰。同时，该部分内容也将作为项目完成时验收的主要依据。如，题目为“车载信号检测与控制装置”中主要任务的一个要点是“利用Cu50对车内和车外的温度进行检测”，明确指定温度测量方案必须使用Cu50来实现。这样做的目的在于锻炼学生模拟电路设计与应用能力。学生可以通过复习学过的“电路”“模拟电子技术”“测控电路”等相关课程的内容，设计一个完整的温度信号检测通道，充分体会传感器信号采集、放大、滤波等电路在智能仪表前向通道设计中的重要性，提高学生综合应用所学知识的能力。

3. 项目要求达到的技术指标。实际工程项目中除了需要完成所有的任务要求外，更看重的是技术指标的实现。因此，为了更好地让学生体会工程项目与理论设计的不同，需要为相关的参数指定技术指标。如，在“多功能信号检测与波形发生器”题目中给出的一项技术指标为“模拟信号输出的频率可调范围为100 Hz～10 kHz，步进频率为10 Hz”。

（二）组建项目组

合作学习始于独立自主的个性化学习，由此形成差异性学科知识和学习体验。由于某些困难问题或复杂项目依靠个人力量难以完成，于是组成合作学习小组[4]。

学生根据自己的特长和对前序课程的掌握程度，自行申报加入各个项目组。每个组由5名学生组成，并选出1名组长，由组长对每个组员进行任务分工，并督促组员完成项目的设计与制作。为鼓励每名学生在项目组中都能够积极完成项目内容、提高学生的参与度，并充分体会工程项目实施的全过程，在教学改革中，为每个项目组设置系数总和为4.6，要求每名队员的系数设定在0.6～1.0之间。每个项目组由组长对成员进行分工，并根据所完成内容的工作量进行系数设置。大部分项目组采取了组长为1.0系数、组员均为0.9系数的分配方案。这种系数分配方案得到了所有参与项目学生的认可，并都能积极参与各个项目的实施过程。

（三）过程监督与反馈

虽然OBE理念强调学生的实际学习成果，但对于整个过程的监督、指导和反馈是必不可少的。毕竟对于学生来讲，从项目的角度出发，缺少了很多的实际经验和动手能力，对有些环节处于一种陌生的状态，如果教师只是简单地通过布置任务和项目结束时的考核，并不能对学生的学习过程起到良好的指导作用。因此，教师在教学改革过程中投入的精力和参与程度，决定了最终成果的实际效果。

为了能够辅助学生更好完成项目的设计与制作，以“周”为实践考核节点，要求学生每周提交一次“项目阶段性考核表”。在考核表中需要根据各自项目组的实际进度，完成“本次考核任务完成情况”“任务未按时完成情况说明”和“下阶段任务安排”等内容，由教师对各个项目的进度情况和出现的问题进行及时点评与指导。在“项目阶段性考核表”中填写“教师考核意见”，并反馈给各个项目组，项目组成员根据反馈的信息，找到项目设计过程中出现的问题，进行及时调整。

教学改革本身就是一个艰难的过程，尤其是增加了实际动手操作的环节，学生的积极参与配合对于教学改革的结果起到了至关重要的作用。教师的悉心指导与全程把控能够影响学生的参与度。学生在完成项目的过程中，看到教师对于他们提交的“项目阶段性考核表”能够认真地阅读、帮助分析问题，并利用课余时间对他们进行指导，他们有了获得感，会更加积极努力地参与项目。

例如，在“具有自诊断功能的光控照明灯”项目的第一周考核中，组长在对组员进行任务分工后，每天都按照题目要求组织队员进行研讨，并进行详细地记录，其中的一天记录为：“周二，选择单片机作为微控制器，以及研究光敏元件的前向通道，选择光敏元件的时候，考虑性能以及精度问题，在征求老师意见后，选择了光敏电阻传感器模块，输出信号为模拟电压信号，工作电压为3.3～5V，大致确定前向通道，传感器模块经过AD转换成数字信号到单片机进行处理。”而且说明了未按时完成的情况：“单片机引脚可能不够用，单片机扩展电路芯片未选择；出现霍尔元件光源故障检测电路的接法问题。”指导教师收到考核表后，有针对性地提出了考核意见：“前期工作完成很好，方案确定比较合理。单片机引脚不够用的问题，不建议使用扩展模块，还是要综合分析，如果51单片机无法满足要求，建议使用32位嵌入式芯片作为核心。”

在教学改革中，所有项目组均能够按照预定的时间节点，完成各自项目的调研、文献检索、方案论证、器件的选型与采购、硬件电路焊接、软件程序的调试等工作。

（四）项目的验收与评价

在项目结束后，各项目组按照要求，撰写了结题报告，并积极、认真地准备了验收的作品和答辩所需的PPT。在自述与答辩环节中，学生从项目背景、方案的提出、器件的选型、电路工作原理、软件流程、实际运行效果等几方面进行了自述，教师对项目组进行了有针对性地提问。每个项目组的成员都进行了积极的准备，并在答辩环节中争先恐后地回答问题。

答辩环节后，每个项目组对自己的作品进行了现场演示与讲解。项目评分标准如表2所示。在最终的项目考核中，所有项目均通过考核，项目考核得分表如表3所示。

表2 项目考核评分标准

得分项目考核要点说明 设计原理（20分）按照任务书要求，电路原理设计是否齐全，电路原理图绘制是否规范。 电路板焊接（10分）电子元器件布局是否合理，电路焊接是否规范。 演示效果（30分）任务数要求功能是否实现，精度是否满足要求。 自述+答辩（20分）自述环节是否使用PPT，是否对设计内容进行完整清晰讲解。 设计报告（20分）是否完成了项目的资料查阅、方案论证、器件选型、电路原理设计、软件流程设计、成本预算等内容。

表3 项目考核得分表

项目编号得分情况总分 设计原理（20分）电路板焊接（10分）演示效果（30分）自述+答辩（20分）设计报告（20分） ZNYB-2021-0120930201998 ZNYB-2021-0218928181891 ZNYB-2021-0318910171872 ZNYB-2021-0420930191896 ZNYB-2021-05181027201893

四、OBE教学改革的实施效果

基于OBE的教学改革，从项目的提出、组建项目组到阶段性考核，再到最终的结题验收，所有环节都是以提高学生的工程实践能力为出发点，较比传统单纯的课堂教学模式，得到了较好的教学效果，达到了OBE教学改革的目的。其效果主要体现在如下几方面：

第一，学生对课程的理解、对理论知识的掌握程度得到了大大的提升，在期末的理论考试中，所有参加项目的学生成绩全部在80分以上，说明学生在项目的设计与制作过程中，针对遇到的问题进行了理论知识的学习，把原来的被动学习，转变成了主动学习；把原来对知识点的死记硬背，转变成了带着问题的学习。

第二，通过教学改革的实施，学生将前序课程当中所学过的内容进行了比较系统地复习，并且通过项目将大部分的知识点连接在了一起，形成了立体知识结构。

第三，学生实现了从单纯对书本上理论知识的学习向工程实际应用地转变。

第四，在教学改革实施的过程中，虽然遇到了各种困难，但学生依然努力寻求解决方案，体现出了坚忍不拔的意志品质。

另外，通过智能仪表课程教学改革，让学生充分意识到实践与理论之间存在一定差距。项目的实施并不是想象中的接线、下载程序就能完成的，需要融会更多的知识。同时，为考试而学的东西是远远不够的，只有通过自己的亲身实践，才能进一步加深对理论知识的学习，在实践能力上得到提升。

五、结束语

OBE理念以学生为中心，以最终需要实现的人才培养目标为导向，将其融入教育的全过程，可以极大地激发学生的学习兴趣，提高人才培养质量，为构建适应社会发展需求的新工科人才培养体系提供切实可行的理论与实践模式。

基于OBE的智能仪表课程教学改革，将OBE教学理念融入到了教学改革的全过程，改善了智能仪表课程在传统的教学方式中存在的不足。通过实际工程项目引入，让学生将学过的片状知识点整合到一起，形成了立体的知识结构；通过实际动手完成项目，将理论知识与生产实践相结合。在实现真题真做并完成项目的同时，学生们体会到了智能仪表在工程项目当中的实际应用意义和智能仪表开发的全过程，同时也加强了学生们的沟通能力、表达能力，提高了学生团队协作意识。

[1] 李志义, 朱泓, 刘志军, 等. 用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J]. 高等工程教育研究, 2014(2): 29-34, 70.

[2] 闫鹏. 基于成果导向教育理念的高校专业课程改革与实践[J]. 黑龙江科学, 2021(11): 72-73.

[3] 张齐, 华亮, 徐一鸣.“智能仪表与设计”课程教学改革实践[J]. 广东化工, 2018(22): 117+119.

[4] 董庆华, 郭广生. 混合式学习环境下合作学习模型的建构及实证研究[J]. 高等工程教育研究, 2020(6): 176-181

：10.15916/j.issn1674-327x.2022.04.028

G642.4

B

1674-327X (2022)04-0110-04

2021-11-01

蓝和慧(1979-)，男，北京人，副教授。

(责任编辑：付春玲)