OBE理念下可編程器件及應(yīng)用課程的教學(xué)改革

宗榮芳 孫巧榆 李威震

江蘇海洋大學(xué)電子工程學(xué)院 江蘇連云港 222005

0 引言

可編程器件及應(yīng)用課程是電子信息類本科生的一門重要專業(yè)課程，課程內(nèi)容涉及數(shù)字電子技術(shù)、可編程邏輯器件、硬件描述語言、信號處理等較多理論知識，通過課程的學(xué)習(xí)可使學(xué)生掌握數(shù)字電路系統(tǒng)分析、設(shè)計和開發(fā)的基礎(chǔ)知識，在實(shí)際應(yīng)用中具有解決復(fù)雜工程問題的能力和素質(zhì)。成果導(dǎo)向教育OBE（Outcome Based Education）是以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的教育理念，其教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程最后取得的學(xué)習(xí)成果[1]。為積極推進(jìn)教育教學(xué)改革，本文將工程認(rèn)證的OBE 核心理念貫徹到可編程器件及應(yīng)用課程的理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過江蘇海洋大學(xué)在線學(xué)習(xí)平臺、騰訊會議、QQ 學(xué)習(xí)群、線下教學(xué)等方式開展教學(xué)。下面從優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容、深化教學(xué)模式改革、促進(jìn)教學(xué)持續(xù)改進(jìn)、提升課堂育人效果等方面研究從傳統(tǒng)的“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”的教學(xué)模式，探討可編程器件及應(yīng)用課程行之有效的教學(xué)方法，力圖在教學(xué)中達(dá)到實(shí)現(xiàn)學(xué)生的知識獲取和能力培養(yǎng)。

1 以成果導(dǎo)向?yàn)榻逃砟睿瑑?yōu)化教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容

可編程器件及應(yīng)用課程的教學(xué)內(nèi)容是應(yīng)用PLD器件進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，即以計算機(jī)為工具，在EDA 軟件開發(fā)平臺上，用硬件描述語言（VHDL）實(shí)現(xiàn)對數(shù)字系統(tǒng)的邏輯描述，再將這些設(shè)計文件（程序）用專門的軟件工具自動完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合和優(yōu)化，然后進(jìn)行邏輯仿真，直至生成可下載到特定目標(biāo)芯片的適配文件，最后用可編程邏輯器件作為下載對象完成復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計。

1.1 課程教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)新的工程認(rèn)證畢業(yè)要求和畢業(yè)要求觀測點(diǎn)，電子工程學(xué)院對電子信息工程專業(yè)制定了新的培養(yǎng)方案和課程設(shè)置與畢業(yè)要求關(guān)系矩陣表，其中可編程器件及應(yīng)用課程所要支撐的畢業(yè)要求有兩個，一是能研究分析信號與智能信息處理等領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論，二是能使用針對信號與智能信息處理等領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題的現(xiàn)代工具。學(xué)院培養(yǎng)方案確定該課程屬于專業(yè)核心課程，課程依據(jù)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)來制定教學(xué)大綱，確立課程目標(biāo)和育人目標(biāo)，具體畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)及支撐關(guān)系如表1所示。

表1 課程畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)及支撐關(guān)系

課程根據(jù)支撐畢業(yè)要求對應(yīng)的指標(biāo)點(diǎn)2-3 和5-1 制定了詳細(xì)教學(xué)目標(biāo)，目標(biāo)內(nèi)容如下。

目標(biāo)1：了解EDA 技術(shù)的發(fā)展動態(tài)、設(shè)計工具及可編程器件的典型芯片；熟練掌握硬件描述語言（VHDL）基本語法要素、基本語句、描述風(fēng)格，VHDL 的程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)對象。使學(xué)生能綜合所學(xué)知識解決數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。

目標(biāo)2：掌握利用EDA 工具軟件和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計流程進(jìn)行相應(yīng)硬件電路的設(shè)計，能對所做的設(shè)計進(jìn)行功能仿真、時序仿真、程序下載，并進(jìn)行時序分析。使學(xué)生能針對具體工程問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計、仿真分析等。

1.2 課程教學(xué)內(nèi)容

合理的課程內(nèi)容架構(gòu)能幫助學(xué)生更加明確對課程的把握，引導(dǎo)學(xué)生有目的地去自學(xué)一些知識點(diǎn)，鍛煉學(xué)生自學(xué)的能力，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[2]。

可編程器件及應(yīng)用課程教學(xué)內(nèi)容以VHDL 語言為基礎(chǔ)，教材采用情境教學(xué)方式，教材通過案例引入相關(guān)語法知識、語句及程序結(jié)構(gòu)等相關(guān)內(nèi)容，知識點(diǎn)比較分散，短時間消化理解相對比較困難，導(dǎo)致學(xué)生課程內(nèi)容掌握有限，因此有必要整合課程教學(xué)體系，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，明確教學(xué)重難點(diǎn)，使課程內(nèi)容體系具有科學(xué)性、先進(jìn)性、實(shí)用性。教學(xué)內(nèi)容設(shè)計時將課程內(nèi)容分為設(shè)計載體、設(shè)計輸入、EDA開發(fā)工具及實(shí)驗(yàn)平臺4 個主要分支，課程內(nèi)容的大體主體框架如圖1所示。

圖1 課程內(nèi)容框架

教學(xué)內(nèi)容設(shè)計從易到難、循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生去學(xué)習(xí)知識，培養(yǎng)學(xué)生積極主動去解決問題。在自主學(xué)習(xí)安排上準(zhǔn)備一些問題，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上檢驗(yàn)獨(dú)立學(xué)習(xí)效果，教師根據(jù)學(xué)習(xí)效果可以更清晰地評價學(xué)生，然后在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上加以改善，形成一個良性的循環(huán)。

2 融合多種智慧教學(xué)工具，深化教學(xué)模式改革

現(xiàn)在的智慧教學(xué)工具有很多，可根據(jù)課程特點(diǎn)和以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向選擇合適的教學(xué)方式。課程教學(xué)以騰訊會議、超星學(xué)習(xí)通、QQ 教學(xué)群等學(xué)習(xí)平臺為依托，探索“理論課堂+網(wǎng)絡(luò)空間”及“線上+線下”的教學(xué)新模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享，通過線上、線下各種渠道、分組討論等教學(xué)活動加強(qiáng)生生互動、師生互動，打破“教室”和“課堂”的限制，拓寬教師與學(xué)生的聯(lián)系渠道[3]。多種教學(xué)模式相結(jié)合，可以把學(xué)生不會的知識點(diǎn)更快地掌握，學(xué)生的主體地位得到充分體現(xiàn)。

2.1 課程教學(xué)方法

課程運(yùn)用情境式、案例式、交流互動等多種教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的溝通能力、科學(xué)思維能力、實(shí)踐能力等。

課程教學(xué)可通過對典型案例的分析，讓學(xué)生掌握利用可編程器件設(shè)計復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的基本方法。課堂教學(xué)中通過多媒體課件、線上學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學(xué)方式，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成。對難點(diǎn)與重點(diǎn)內(nèi)容采用循序漸進(jìn)的方法，將基礎(chǔ)理論和實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，提升課程的教學(xué)效果。課程的理論教學(xué)提出一種“AIRD”教學(xué)方法，即采用“電路案例分析（Analyze）+功能實(shí)現(xiàn)思想（Ideology）+VHDL 描述實(shí)現(xiàn)（Realize）+實(shí)例仿真演示（Demo）”的教學(xué)方法，將軟件設(shè)計與硬件電路描述結(jié)合起來，使學(xué)生真正掌握授課內(nèi)容。實(shí)踐教學(xué)采用“學(xué)生硬件描述語言實(shí)現(xiàn)+教師針對性講解仿真示范+隨堂輔導(dǎo)”的教學(xué)方法，使學(xué)生實(shí)踐能力得到培養(yǎng)。

2.2 課程教學(xué)實(shí)施

在課程教學(xué)實(shí)施過程中，秉承“成果導(dǎo)向、學(xué)生中心、持續(xù)改進(jìn)”的OBE理念，提出“以學(xué)生為中心”的課程教學(xué)方案，教學(xué)實(shí)施過程中設(shè)計在線課程資源，綜合運(yùn)用不同教學(xué)工具。

課程加大在線課程開發(fā)，在江蘇海洋大學(xué)課程在線教學(xué)平臺構(gòu)建集“教學(xué)、輔導(dǎo)、交流、考核”為一體的網(wǎng)絡(luò)在線課程，利用在線平臺的各種功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，網(wǎng)址為https://mooc1.chaoxing.com/course/208310735.html，與學(xué)生進(jìn)行討論互動等課堂活動，發(fā)布任務(wù)、作業(yè)和測試等多種教學(xué)環(huán)節(jié)，課程所有教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)統(tǒng)計頁面如圖2所示。

圖2 在線課程教學(xué)實(shí)施統(tǒng)計頁面

設(shè)計教學(xué)實(shí)施過程包括備課、課前、課中、課后和反思等環(huán)節(jié)。為使學(xué)生的最終學(xué)習(xí)成果目標(biāo)達(dá)成，課前，發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)點(diǎn)，內(nèi)容為相關(guān)教學(xué)知識點(diǎn)和教學(xué)視頻；課上，根據(jù)教學(xué)安排對每個知識點(diǎn)進(jìn)行講解，課堂上不定時利用學(xué)習(xí)通點(diǎn)名簽到功能，了解學(xué)生出勤情況；課后，課程教師可及時查看學(xué)生每天每個時間段進(jìn)行章節(jié)學(xué)習(xí)的情況，頁面如圖3所示。同時學(xué)生通過學(xué)習(xí)通在線平臺提交課后作業(yè)或課后測驗(yàn)，形成課前-課上-課后的課程閉環(huán)。

圖3 學(xué)生訪問統(tǒng)計結(jié)果

探索“大課講授、小課研討”等教學(xué)模式，線下在學(xué)校智慧教室教學(xué)，教師通過大班講授或?qū)W生分組討論等方式，及時了解學(xué)習(xí)情況，加深學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解。

3 構(gòu)建課程目標(biāo)評價體系，促進(jìn)教學(xué)持續(xù)改進(jìn)

對標(biāo)課程教學(xué)目標(biāo)，以持續(xù)改進(jìn)理念改革課程考核評價方法，從學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果兩方面進(jìn)行評價[4]。在本課程教學(xué)目標(biāo)評價達(dá)成實(shí)施過程中，采用直接評價和間接評價等方式實(shí)現(xiàn)分析教學(xué)效果，為本課程教學(xué)提供行之有效的解決方案。

直接評價根據(jù)學(xué)習(xí)通平臺上各環(huán)節(jié)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括學(xué)習(xí)通手勢簽到、課前任務(wù)點(diǎn)、課后作業(yè)及單元測試、期中考試和期末考試等完成情況，考試內(nèi)容包括教學(xué)大綱中涉及的知識點(diǎn)，題型有基本概念題、分析題、程序設(shè)計題。

2022年春學(xué)期對所實(shí)施教學(xué)班級進(jìn)行的課程目標(biāo)達(dá)成評價值分析如圖4所示，該課程共包括2個課程目標(biāo)，對應(yīng)2 個畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，按照相應(yīng)的課程評價標(biāo)準(zhǔn)計算得出課程目標(biāo)評價值1 為0.77，課程目標(biāo)評價值2 為0.81，均大于設(shè)置的閾值0.6，該課程的課程目標(biāo)全部達(dá)成。

圖4 課程目標(biāo)達(dá)成情況評價值

間接評價通過調(diào)查問卷形式進(jìn)行，按照教學(xué)大綱中課程目標(biāo)制定詳細(xì)、具體、可衡量的子目標(biāo)觀測點(diǎn)達(dá)成情況的相關(guān)問題，分非常好（10 分）、較好（8 分）、一般（6 分）、較差（4 分）、非常差（2 分）五個等級調(diào)查學(xué)生掌握知識及獲得能力的達(dá)成情況。子目標(biāo)達(dá)成情況評價值（問卷）計算方法：

子目標(biāo)的達(dá)成情況評價值（問卷）

其中ki分別取10，8，6，4，2。

最終課程目標(biāo)達(dá)成情況評價值（問卷）取子目標(biāo)的達(dá)成情況評價值（問卷）的最小值。

在所有評價環(huán)節(jié)結(jié)束后，教師要進(jìn)行課程建設(shè)研討，提出持續(xù)改進(jìn)措施，完成學(xué)院課程目標(biāo)達(dá)成情況評價報告，確保教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)課程對畢業(yè)要求的達(dá)成。

4 挖掘課程思政元素，提升課堂育人效果

根據(jù)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》精神，工學(xué)類專業(yè)課程，要注重強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)[5]。

課程思政元素包括以下幾個方面。

1）通過EDA 技術(shù)的發(fā)展史，引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心與求知欲，把課程的“要我學(xué)”轉(zhuǎn)化為“我要學(xué)”的自覺，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2）通過集成電路芯片設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)主要依靠進(jìn)口，許多電子企業(yè)的典型事例如中美貿(mào)易戰(zhàn)中的中興通訊公司事件，華為芯片斷供事件等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及愛國情懷。

3）通過實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目設(shè)計等實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在實(shí)踐過程中理論創(chuàng)新，達(dá)到實(shí)踐育人的效果，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、精益求精的態(tài)度。

5 結(jié)束語

本文以電子信息工程專業(yè)開設(shè)的可編程器件及應(yīng)用課程為例，秉承OBE 的教育理念，綜合應(yīng)用江蘇海洋大學(xué)課程教學(xué)在線平臺、智慧教學(xué)工具和EDA 開發(fā)軟件進(jìn)行課程教學(xué)改革研究，采用多樣化的教學(xué)手段和多元化的、可持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)評價方式，確保教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)課程對畢業(yè)要求的達(dá)成。

課程教學(xué)的設(shè)計與實(shí)施激發(fā)學(xué)生的求知欲，驅(qū)動學(xué)生的積極性。該課程的教學(xué)改革實(shí)踐能培養(yǎng)學(xué)生具有解決信號與智能信息處理等領(lǐng)域問題的知識、能力和素質(zhì)，具有很好的實(shí)踐意義，同時對相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)具有較好的示范應(yīng)用價值。