OBE-CDIO工程教育模式下單片機與嵌入式系統綜合課程設計的教學改革

金琦淳，張延麗

（無錫城市職業技術學院 機電工程學院，江蘇 無錫 214153）

0 引 言

OBE（Outcome-based Education），是一種基于結果（學習產出）的教育模式，也叫做成果導向教育、能力導向教育或需求導向教育。在OBE工程教育系統中，教師必須對人才培養目標有清晰的認識和準確的定位，尋求設計合適的課程教學目標、教學內容和課堂生態，并通過考核評價持續改進教學，從而有效促進學生的學習，保證預期目標的達成[1-2]。

CDIO代表構思（conceive）、設計（design）、實施（implement）和運作（operate），其核心理念是將教學和工程實踐緊密結合，二者相輔相成，相得益彰。以產品從構思到運行的整個生命周期為載體，依托工程項目實踐，構建理實一體化的教學模式，讓學生通過“學中做、做中學”強化工程知識和應用能力[3]。

單片機與嵌入式系統綜合課程設計教學改革是一項長期系統的工程，需要結合人才需要、專業目標、課程定位、學生實際等情況，在教學中不斷探索和改進，有效提高工程應用人才培養的質量。因此，運用OBE-CDIO工程教育模式，梳理課程教學內容，合理增加課程難度，拓展課程深度，全面優化課程質量，打造具有“兩性一度”（即創新性、高階性和挑戰度）的實踐“金課”。

1 基于OBE模式的課程重構

1.1 確立課程目標和定位

OBE理念注重學習產出，最終強調的是學生通過知識學習獲得的應用與實踐能力，培養的是適應社會、市場發展需求的具有良好技術應用能力和綜合素質的人才。因此，課程教學目標的設置從知識、能力和素質三方面明確對畢業生各項能力的支撐：（1）知識目標主要是掌握扎實的單片機控制技術、電工電子技術和測試技術等理論知識；（2）能力目標主要是掌握相關工程知識，提高工程實踐能力，掌握利用單片機進行應用系統或產品開發的基本流程，具備根據工程項目實際需求進行設備技術改造和產品開發的初步能力；（3）素質目標主要是提高系統思維、自主學習、合作溝通、批判創新等綜合能力，成為具有現代工程素質的技能人才。課程教學目標的實現矩陣及與工程教育認證標準的匹配度見表1。

表1 課程教學目標的實現矩陣及與工程教育認證標準的匹配度

1.2 構建金字塔形和階梯式教學知識體系

工程教育專業認證堅持以學生為中心，著重強調知識的應用性和創新性，根據培養需要構建能服務于培養目標的知識體系。按照畢業所需達到的知識、能力和素質等方面的要求，重構課程內容。采用“項目→任務→模塊→知識點”的金字塔形結構（如圖1），首先，自頂向下逐層組織教學內容；其次，根據課程目標研發實驗項目，將項目分解為不同子任務，子任務由不同模塊構成，在模塊中提煉知識點；最后，自底向上組織教學，并結合“驗證性實驗→綜合設計性實驗→創新研究性實驗”三級階梯式實驗類型，由淺到深、循序漸進地開展實踐教學，從而將各單元串接起來，綜合制作完成實驗項目。

圖1 金字塔和階梯式知識體系

在進行實驗項目設計開發時，一是要突出與社會、工程的結合，讓學生在“用中學”和“用中研”；二是要突出與業界新技術、新方法和新器件的結合，緊跟業界技術潮流，使學生具有更高的技術起點；三是要突出與工程教育專業認證的接軌，使學生能夠達成認證指標體系中的能力要求。最終，將單片機及相關聯課程知識在5個實驗項目中進行重構，具體項目包括：基于單片機的多功能計算器設計、多功能電子秤設計、多功能可重構智能小車設計、四旋翼飛行器設計和分揀搬運機器人設計。

2 CDIO工程教育模式下教學實施

2.1 教學實施模式

將CDIO理念融入整個教學過程，以實驗項目為載體，將課程實踐環節大致分為構思、設計、實施和運作四個階段。教師和學生的活動是兩個并行的CDIO互動教學模式流程，在整個實施的過程中，學生作為教學活動的主體，是實驗項目的主持人，負責整個設計過程；教師作為項目的主導者，是教學過程的組織、輔導和評估人員。

2.2 教學實施進程

按照并行CDIO互動教學模式流程，課程的具體教學實施過程有四個階段。（1）構思階段。教師課前通過泛雅平臺發布實驗項目內容與任務，劃分實驗小組，提供相關軟件、網站、實驗器材等學習資料，利用課堂詳細講解實驗過程及要求，并對小組方案進行考核；學生課后通過資料查閱和相互交流，自頂向下進行系統功能需求分析、任務分解、模塊論證，提出初步設計思路和方案。（2）設計階段。教師對相應模塊知識點進行講授后，定期到學生實踐現場巡查指導硬件設計與搭建、軟件編程與調試，并對小組完成情況進行考核，提出修改意見；學生自底向上開展模塊設計，進行元器件選型、參數計算、焊接制板、仿真測試等。（3）實施階段。教師由淺入深、由易到難地傳授軟硬件綜合設計調試方法，指導學生逐步改進優化整體系統；學生進行模塊集成、任務優化、系統調試，最終形成單片機應用系統，并按要求撰寫實驗報告。（4）運作階段。教師組織項目路演和答辯，并對該項目的設計方案、設計思路、關鍵技術、創新點等進行點評，綜合判分；學生操作演示實物作品，并制作PPT，進行匯報交流。

3 基于OBE-CDIO教育模式的案例設計實踐

以多功能電子秤實驗項目為例，詳細論述案例設計開發過程，主要包括：實驗內容與任務、實驗過程與要求、實驗知識體系構建。

3.1 實驗內容與任務

設計一個以單片機為控制核心的多功能電子秤，實驗分為基礎層與拓展層兩部分，基礎層為電子秤日常使用的基本功能，主要任務是：設計并制作一個量程0~5 kg，測量誤差±2 g的稱重系統；完成清零、去皮、單價輸入和總金額計算功能；能以數字方式顯示物體質量、單價和總金額；當物體質量超出量程范圍時，有超重警示功能。拓展層為根據不同小組興趣自由選擇設計的特色功能，主要任務是：實現數據存儲功能，用于營業詳情的記錄與導出顯示；實現時鐘顯示功能，可更新調整時間，并在系統掉電后仍能準確計時；實現語音播報功能，用于對物體質量、單價和總金額等數據的播報，要求至少完成1項上述任務或其他自定任務。

3.2 實驗過程與要求

實驗開始前，對完成實驗項目的思路和方法進行引導，對可能涉及的技術、電路、器件等相關知識進行講解，規劃實驗進程和設置實驗要求。

（1）基礎層

掌握單片機的工作原理和接口技術，設計單片機最小系統電路，熟悉Altium designer、Keil Uvision、Proteus、STC-ISP等軟件的使用；合理設計供電系統，并根據輸入電壓范圍、所需穩壓值和最大輸出功率選擇合適的穩壓芯片；計算并設計一種可以稱重的壓力傳感器，注意壓力測量范圍和測量精度、輸出信號形式和線性范圍等關鍵的特征參數，并利用示波器進行測試；根據壓力傳感器的激勵信號特征，選擇或自行設計合適的信號調理和模數轉換電路，并利用STC-ISP下載器，結合上位機軟件進行測試；利用機械按鍵、上位機、語音或觸摸屏，設計一種數據輸入電路，并利用Proteus軟件對其進行仿真測試；利用LED或液晶顯示器，設計一種數據顯示電路，并利用Proteus軟件對其進行仿真測試；利用聲音或光照，設計一種超重警示電路，并利用Proteus軟件對其進行仿真測試。

（2）拓展層

任意構思一項特色功能，設計并實現工程應用。

完成上述步驟后，分模塊焊接、裝配、測試系統電路；編寫程序，綜合調試系統功能，記錄調試過程；撰寫課程總結報告，并分組答辯，學習不同方案的優點。

3.3 實驗知識體系構建

電子秤實驗原理主要是稱重傳感器在被測物體的壓力作用下產生模擬量信號，運用運算放大電路和濾波電路對信號進行調理，再通過A/D轉換器進行模數轉換，將得到的數字量信號傳送至單片機，單片機讀取被測數據，進行程序運算，通過顯示模塊顯示物體質量等數據；當物體的質量超出稱重范圍時，警示單元將提示用戶進行合理使用；此外，用戶可使用數據輸入設備實現單價輸入等功能。實驗項目實現方案具備多樣性和層次性（如圖2），可滿足不同能力水平的學生需求，充分發揮學生的主觀能動性。

圖2 實驗項目實現方案

作為一個完整的工程實踐項目，需要經歷查閱資料、收集信息、學習研究、方案論證、系統設計、軟硬件調試、測試標定、匯報總結等過程。在實驗教學中，應加強對學生的理論和實踐引導（如表2），助其構建實驗知識體系。

表2 實驗項目教學與指導內容

4 結束語

OBE-CDIO工程教育模式下課程的改革與實踐遵循了“金課”建設的“兩性一度”標準，利用OBE工程教育理念反向設計了知識、能力、素質有機融合的課程目標，重構了教學內容；采用CDIO工程教育模式實施理論和實踐教學，充分發揮了學生的主體作用，體現了創新性。金字塔形和階梯式實驗知識體系的構建層層遞進，自頂向下設計教學內容，提升了知識的深度和廣度，體現了高階性；自底向上實施系統設計提升了實踐學習的探究度，使學生在教師主導的模式，投入更多精力全程參與實驗，從而實現課程培養目標，切實提高教育教學質量和人才培養水平，體現了挑戰度。