基于OBE模式的“電子工程設計”課程改革

晏 涌， 劉學君， 藍 波 ， 周義明， 亢 勇

(1. 北京石油化工學院 信息工程學院， 北京 102617；2. 北京石油化工學院 安全工程學院， 北京 102617)

教育部2016年4月8日發布的《中國工程教育質量報告》顯示，2014年，我國工程教育在校生規模占全國普通高校本、專科在校生總數的38.2%，規模位居世界第一[1]。同時《報告》表明，工科畢業生在專業知識、邏輯思維、工具使用、研究能力、職業道德等方面的表現得到企業充分肯定，但在前沿知識、創新能力、外語交流能力、分析解決工程問題能力、行業法律法規意識等方面評價相對較低。工程教育如何適應工程科技飛速發展是當前迫切需要解決的問題，也依然是近幾年我國工程教育的改革和發展方向[2-5]。

2010年，我校成為全國首批61所“卓越工程師教育培養計劃”試點高校，也是北京地區10所獲批高校中唯一的一所地方本科院校，其自動化專業進入首批試點專業[5]。在這個背景下，為了進一步加強我校本科學生在創新能力、分析解決工程問題能力等方面的能力培養，“電子工程設計”課程遵循“成果導向教育”(outcome-based education， OBE)的工程教育模式、依托自動化專業人才培養模式進行了持續改革。本課程設計小型溫度測量與控制系統項目，重新設計目標、內容和考核體系，并采用多種方式反饋修正教學內容和方式，近5年的實施結果表明，該課程可以有效地提高學生的工程實踐能力和創新能力。

1 OBE工程教育模式

OBE是以預期學習產出為中心來組織、實施和評價教育的結構模式。在OBE教育模式中，教育者必須對學生畢業時應達到的能力及其水平有清楚的構想，然后尋求設計適宜的教育結構來保證學生達到這些預期目標[6-8]。OBE模式的教育理論基礎是:

(1) 泰勒原理，確定教育目標—選擇教育內容—組織教育經驗—評價教育計劃。

(2) 布魯姆的掌握學習理論，學生具備必要的認知結構是掌握學習的前提，學生積極的情感特征是“掌握學習”的內在因素，反饋—矯正性系統是“掌握學習”的核心[9]。

由此，總結出“控制學習”和“合作學習”2大教學法。“控制學習”是一種因材施教的課堂應用[10]。OBE教育模式就是圍繞“定義預期學習產出—實現預期學習產出—評估學習產出”這條主線而展開，學生產出評估構成了教育質量持續改進的閉環。

2 OBE教育模式在本課程中的實施

2015年底，我校自動化專業中國工程教育專業認證驗收工作的申請得到教育部批準，并于2017年6月順利通過了中國工程教育專業認證。該專業的培養目標是“面向生產一線的自動化系統工程師”，本課程是電子技術理論課程之后的一門核心實踐類課程，總學時6周加12學時實驗，分2個階段來實施，有力地支撐了專業認證建設與驗收，顯著提高了學生的畢業要求的達成度。

2.1 構建課程的預期學習產出

根據OBE教育模式，學生預期學習產出先于教學內容而存在，課程資源開發、學生管理和輔導等活動都要圍繞預期學習產出而展開，明確學生的預期學習產出，反推教學過程再進行評估，形成閉環的內循環系統。結合工程教育專業認證標準的12條畢業要求，構建了本課程支撐自動化專業畢業要求的9項指標點，見表1。

表1 電子工程設計課程支撐自動化專業畢業要求課程教學目標

緊密圍繞自動化專業的培養目標，以電子類軟硬件小項目設計為載體，將該課程的預期學習產出分為知識、能力、素質3個層面，旨在融合學生的“電路原理”“模擬電子技術”“數字電子技術”“C語言程序設計”“單片機原理與應用”等電子產品設計相關理論和技術，培養學生分析解決問題能力、實際動手能力、信息資料查詢獲取能力、自主學習能力、文本撰寫能力，以及良好溝通交流能力、團隊合作意識和小型電子系統設計的工程理論素質。

2.2 實現預期學習產出

為了實現預期學習產出，在教學過程設計中充分考慮該專業培養目標和專業特點，遵循3個原則(涵蓋電子技術課程的相應知識點；突出控制和系統的思想；具有應用性、綜合性和設計性)設計了小型溫度測量與控制系統作為教學載體，貫穿課程始終[11-13]。該系統的控制流程為一個閉環的反饋控制系統(見圖1)。系統分為變送器、A/D模塊、控制模塊、D/A模塊、顯示、直流電源6大模塊(見圖2)。

圖1 小型溫度測量與控制系統的控制流程圖

圖2 小型溫度測量與控制系統的組成框圖

系統由硬件和軟件組成，需要學生同時完成硬件模塊的設計和焊接，同時還要依托軟件的程序設計進行調試，最后完成溫度采集與控制。在學習過程中教師講授和學生自主學習相結合，任務量飽滿，也存在較大的學習難度。為了讓學生達到預期學習產出、順利完成所有學習任務，對這門課程進行了精心設計，注重軟件仿真與硬件實驗相結合，以典型案例來教授軟件(Multisim、Altium Designer、Keil)的使用。

(1) 項目教學法。系統每個模塊的實現均采用項目教學法，以變送器模塊為例。首先給出學生具體設計目標與指標，如測量溫度范圍、輸出電壓范圍、測量誤差等，其中輸出電壓的選擇要考慮后面控制模塊的選型，這也體現系統思想。然后要求學生利用一定的時間查閱相關文獻資料，用Multisim仿真軟件設計至少2個電路方案，進行參數計算、仿真、元器件選擇并對方案做成本和技術分析，確定實施方案，焊接、調試、答辯驗收。項目的實施體現了以學生為中心、教師為主導，學生自主學習、教師答疑解惑這樣的學習過程。

(2) 漸近式、遞進式的教學策略。在教學過程中還采用學習、應用、總結、再學習、再應用、再總結的漸近式、遞進式的教學策略。對被控對象的特征參數進行采集和數據分析是自動控制的第一個環節，因此安排學生完成的第一階段任務為溫度的測量與顯示。實現測溫之后進入下一個環節，要完成升溫、降溫控制，即開環控溫。在現實生活中，有很多控制系統需要根據設定數據對被控對象進行控制，因此要求學生用最簡單的乒乓算法來實現閉環控溫。學有余力的學生，要求用自動控制原理的經典算法PID算法來實現。在這個過程中引導學生從淺入深、從易到難地學習。

(3) 同伴互教法。圖3所示為學習金字塔，可以看出，主動學習的學習效果優于被動學習。“以學生為中心”的理論也指出:當懂得的學生知道困難點在哪里時，采用同伴互教的方法是最好的。在本課程的學習中，學生是2人一組來完成電路的設計、焊接、調試等全部過程。學生采用自由組隊的形式。建議理論知識強和動手能力強的學生搭配組隊，鼓勵優秀學生去帶領能力相對較弱的學生，讓具有不同學習能力的學生都能完成學習任務。學習過程中通過同伴討論、同伴互教、在做中學，強化學生主動學習意識，提高了自主學習能力，鍛煉了團隊合作能力。

圖3 學習金字塔

2.3 評估學習產出

為了了解本課程對該專業畢業要求的支撐度、評估學習產出并進行有效的持續改進，設計了調查問卷及達成度評價表等多種評價和反饋機制。

(1) 學生調查問卷設計。學生的調查問卷分為2份，均采用匿名形式，一份是“電子工程設計”能力指標達成度調查問卷，另一份是“電子工程設計”學習效果及教學狀況調查問卷。第一份問卷對應9個指標點，滿意度從高到低為10～0分。第二份問卷設計了14道客觀題、2道主觀題，分別從學習效果、學習狀況、教師授課情況等方面要求學生做出評價，并指出課程實施過程中存在的問題并提出合理化建議和改進措施。

(2) 達成度評價表設計。達成度計算是更科學的評價方法。課程為百分制，考核方式共4種，分別是儀器儀表使用(10分)、軟硬件驗收(60分)、報告撰寫(10分)、過程評價(20分)。考核環節與指標體系的關聯關系如表2所示，包含課程對指標點的權重系數、4種考核環節的權重，以及考核環節對指標點的權重系數，根據此表可計算分項達成度和個人、班級、年級的達成度。

3 實施效果及持續改進

迄今為止，本課程已經連續在5屆自動化專業的學生中實施，課程實施結束后，要求學生填寫2份問卷調查表并對學生進行課程達成度的計算，方便教師了解課程的實施效果，以進行改進。

3.1 學生調查問卷分析

以自動化專業2011級為例，發放調查問卷166份，收回有效問卷166份，有效回收率100%。能力指標達成度調查問卷，經統計可知學生在書面和圖表交流、口頭表達，報告撰寫等方面比較薄弱。學習效果及教學狀況調查問卷選出代表性問題6項見表3。

表2 考核環節與指標體系的關聯關系

表3 “電子工程設計”學習效果及教學狀況調查問卷關鍵問題統計結果

由統計結果可知，學生對知識的融合、能力培養和提高認同度超過90%；其次，學生認為學習任務飽滿、學生在該課程上的投入時間較多、能夠積極面對困難的認同度也超過90%，80%的學生認為課程有較大難度；第三，對于教師授課水平高、責任心強、投入時間多的評價比例超過90%。整體來看學生認為該課程能有效地提高工程實踐能力。

3.2 達成度評價

表4是自動化專業2011級達成度統計表，通過分析和統計可以發現，該課程總達成度為0.81，達到了預期教學目標。其中，電子系統工程知識及認知能力、電子系統工程設計開發能力、團隊合作能力等6項指標超過0.8，超出0.75的預期目標。但是電子類產品系統分析能力、電子類產品制作、調試與測試能力，以及書面和圖表交流、口頭表達和人際交流能力等指標點的達成度相對較低，需要進行有針對性的改進。

表4 自2011“電子工程設計”指標點達成度計算統計表

3.3 持續改進

基于上述的統計分析數據，尤其是達成度較低的指標點，對該課程進行了改進。表4中有3個相對薄弱的指標點，前2個指標點屬于工程能力。通過分析發現部分學生知識基礎薄弱、系統性思維不足以及理論知識轉化為應用能力不足，需要進一步提高。因此加強教學資源建設，編寫了《電子工程設計講義》和《電子工程設計試題庫》，通過加大電路設計和仿真軟件使用的比重、增加考試環節等措施來強化訓練和改善教學過程。針對學生溝通交流、表達能力弱，在單元模塊答辯的基礎上增加結題答辯，均要求以圖、表、公式的形式進行說明。同時，為了使教學過程管理更規范，從2013級開始設計并使用了《電子工程設計實訓手冊》，該手冊里給出了所有考核方式的評分標準，使給學生的打分比以前更準確，也更客觀。該手冊還包括答辯記錄、學習日志等。手冊的使用使學生學習過程管理更規范。通過這些教學過程的改進，使得2013級、2014級所有9項指標點的達成度均超過0.8。

3.4 效益分析

近年來，基于該課程的改革和持續改進，自動化專業受益學生達450人，學生對電子工程設計相關知識的學習興趣、參與學科競賽和科研的積極性、學生綜合素質逐步提高。學生參加全國、北京市大學生電子設計競賽，以及“挑戰杯”大學生課外科技作品競賽、中國機器人大賽、中國機器人錦標賽的參賽人次、獲獎比例大幅提高。2012年以來，該專業學生獲得全國競賽一等獎6項、二等獎20項、三等獎17項，北京市競賽一等獎6項、二等獎15項、三等獎21項等多項學科競賽獎勵。5年來，發表核心期刊論文7篇、授權發明專利1項、授權實用新型專利4項，校級“十佳學生”2名、北京市優秀示范班級2個，研究生錄取率逐年遞增。

4 結語

5年來，采用OBE教育模式進行了電子工程設計課程教學改革，基于閉環反饋機制，不斷進行改進，取得了良好的改革教學效果。該課程有力地支撐了自動化專業工程認證，2017年6月，該專業順利通過了中國工程教育專業認證。

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