基于OBE-CDIO模式下应用型本科单片机课程的教学改革

关键词：OBE-CDIO；单片机；工程实践

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）03-0165-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

嵌入式系统技术在工业4.0和智能制造的背景下迅猛发展，单片机作为其核心，广泛应用于仪器、物联网控制设备和通信装置等领域，推动了控制设备的智能化、自动化和高效化，为现代工业提供了关键技术支持。自我国2016年加入《华盛顿协议》以来，工程教育认证加速推进，尤其是应用型本科院校，亟需通过工程教育改革提升学生的实践能力，培养适应数智化发展的技术人才[1]。然而，当前单片机课程过于注重理论教学，实践训练多依赖仿真，导致学生难以获得实践成就感，且统一的实践任务未能兼顾不同基础的学生，导致学习兴趣不高。针对这些问题，提出基于OBE-CDIO模式的课程改革，强调成果导向和工程模式培养学生的实践能力，提升教学效果。

1 OBE与CIDO工程教育理念相结合

OBE（Outcome Based Education）是基于成果导向教育的教育理论，以学生为中心，强调最终的学习成果。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是以工程教育为理念，更注重学生的知识、能力、素质为一体的综合实践能力，二者的结合已成为国际工程教育改革的主流[2]。在单片机及应用课程的教学过程中，基于OBE理念，明确学生的预期学习成果，并据此设计课程方案，培养学生的自主学习和实践能力。在实践过程中结合CDIO理念，通过让学生全程参与项目的构思、设计、实现和运行，将教学与实际工程应用紧密结合，形成“项目为载体，任务为主线”的教学模式，以提升学生的综合实践能力和学习成就感。

2基于OBE-CDIO模式下的单片机课程目标

单片机课程要求学生掌握单片机的原理、程序设计和应用。该课程的教学目标又可以分为知识目标、能力目标、素质目标和思政目标。1）知识目标：掌握单片机硬件结构、定时器/计数器及串口通信原理，并了解系统扩展方法。2）能力目标：熟练使用Proteus仿真软件和Keil进行单片机编程与项目设计，并借助开发板进行硬件调试。3）素质目标：培养学生查阅和利用资料的能力，增强创新意识、严谨细致的职业素养及良好的团队协作精神。4）思政目标：将“科技创新、爱国情怀、工匠精神、职业素养、科学精神、学习方法养成”等思政元素有机融入实践教学。

教学目标的实现方法如表1所示。

3重构知识体系

按照毕业所需达到的知识、能力和素质等方面的要求，基于OBE理念，重新构单片机实践项目内容，建立“基础实验项目”“综合型实验项目”“设计开放型实验项目”的三级阶梯式实践项目体系，由浅到深、循序渐进地开展实践教学，从而将各单元串接起来，综合制作完成实验项目[3]。

同时，针对不同基础的学生，将每个项目内容又分为为基础层和拓展层（如表2所示） 。对于基础层内容，主要是以单片机各章重要的知识点为载体，实现项目的基本功能，提高学生的学习兴趣，进而提升学生的实践动手能力。对于拓展层内容，利用专项设计，在实现基础功能的基础上拓展额外功能，学生需查阅资料，收集信息，培养学生对单片机系统开发能力及创新设计能力和工程实践能力。

4采用CDIO模式实施教学

4.1教学实施过程

实验项目在CDIO工程教育模式下实施，将CDIO理念贯穿于整个教学过程中。每个实验项目按照“项目—功能任务—知识模块—知识点”的模式分解，并将具体知识点与功能实现对应起来，增强学生学习效果。实践过程以项目为载体，将构思、设计、实施和运作四个阶段运用于课程实践环节中，提升实践能力和问题解决能力。以下以秒表设计项目为例进行详细分析，如表3所示。

1）构思阶段：教师通过学习通平台发布秒表实验项目任务和设计手册，鼓励学生自主分析秒表功能，并提出初步设计思路。基础层任务包括数码管显示数字和秒表功能设计，而拓展层任务则包含LCD显示升级、按键暂停功能和提示音功能的加入。该阶段的核心目标是激发学生的自主学习能力，通过预习理解课程背景并构建系统功能框架。

2）设计阶段。教师将系统功能分解为具体任务模块，对应相关知识点进行讲解，帮助学生理解如何将知识应用于实际项目。基础任务包括数码管显示程序设计、定时程序设计及主程序处理等，而拓展任务增加了LCD显示、按键控制和提示音等模块的设计与实现。该阶段的重点是让学生掌握模块化设计思维，逐步实现从功能单元到系统集成的逻辑思维。

3）实施阶段。学生通过编写代码并进行集成调试，完成系统功能验证。基础层任务包括系统整体调试、数码管显示和秒表功能的测试，拓展层任务则进一步验证LCD显示、按键暂停功能及提示音功能。此阶段的核心是通过测试和优化，提升学生的实践能力与问题解决能力。

4）运作阶段。学生展示秒表系统的整体功能并提出优化方案，基础层和拓展层均以系统演示和进一步优化为目标。通过此阶段，学生不仅能够验证设计成果，还能培养批判性思维和持续改进的意识，进一步增强创新能力。

与此同时，课程基于OBE理念，提供线上教学资源支持个性化学习。学生可以自主选择学习模块，灵活安排进度，与项目实践紧密结合。在智能小车竞赛中，学生通过编程与应用参与班级竞赛项目，竞赛内容涵盖程序优化、速度竞赛和障碍物躲避等。通过这种方式，学生不仅能够强化理论知识，还能在实际项目中锻炼实践能力与团队合作精神，实现个性化发展和成果导向的全面教学目标。

4.2融入思政元素，拓展学生思想维度

课程中融入思政元素，通过引入单片机在智能交通、智能变电站、智慧驾驶等电气专业发展领域的实际应用，拓宽学生视野，帮助学生解电气专业的未来发展方向，激发学习兴趣。同时，通过项目实践和竞赛活动，将职业道德和社会责任感融入教学，培养学生严谨的工匠精神和团队合作意识，塑造具备高尚品德和社会担当的新时代科技人才。同时引导学生关注技术的社会影响，培养社会责任感和爱国情怀，鼓励他们关注前沿技术并合理利用网络资源，助力科技创新。通过宽度、广度、深度和高度四个维度丰富课程内容，课程不仅在知识传授上丰富了学生的学习内容，还在思想塑造方面实现了知识育人与思想化人的教育目标[4]。

5重建考核方式，多元化评价学习效果

美国课程评论专家泰勒认为，所谓的课程考核，其目的应该是确认教学效果是否达到教学目标，而不是用来评判一个学生的好坏[5]。在这一过程中，学生不应被动地接受外界的评判，而应主动参与进来。因此，在重建考核方式时，采用多元化评价标准，结合课堂项目完成度、项目演示讲解、项目报告以及实践设计综合报告，对学生的学习效果进行全面评价。课堂项目完成度占比20%，重点考核学生在课堂项目中的完成情况与质量。项目演示讲解占比30%，评估学生对程序设计的理解、软硬件调试能力及其表达与沟通能力。项目报告占比20%，侧重考查学生项目的完整性、逻辑性和对关键知识点的分析与应用。实践综合报告占比30%，要求学生以学术论文形式撰写，结合项目内容及扩展功能，重点考查其方案分析、理论应用和撰写规范等综合能力。整个考核方式注重过程性与应用性，提升学生在知识掌握、实践能力和创新能力等方面的综合发展，确保考核与教学目标的一致性。

6结束语

本文在OBE和CDIO理念的指导下，探索了单片机课程的改革实践，通过实践项目驱动、学生为中心的教学模式，强化了学生的实践与创新能力，并建立了线上学习资源，支持学生的自主学习机制。多元化的考核方式从多个维度提升了学生的综合素质，切实达成了应用型人才的培养目标。未来的研究可以进一步优化线上线下教学资源的整合，并探索更多针对不同学生层次的个性化教学方案，提升工程教育的整体效果。