基于OBE模式及CDIO模型的“數字電子技術實驗”課程教考模式探討與實踐

摘要：為了滿足應用型人才的需求，在“新工科”背景下，多數工科專業開設了“數字電子技術實驗”課程，旨在增強學生對數字電路基礎知識的掌握和實踐能力。隨著社會經濟與科技的飛速發展，實驗手段與設備層出不窮，不斷創新與推出，這促使相關專業的人才培養目標不斷修訂。為了使學生能更快適應這些培養目標，我們不斷探索新的教考模式，夯實基礎，讓學生掌握該領域先進的實驗手段和方法，引導他們自主探究，勇于創新。本文圍繞這一目標，基于OBE（Outcome-Based Education） 教學模式進行設計，運用CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate） 模型對“數字電子技術實驗”課程的教學及考核模式進行了探討與實踐。

關鍵詞：數電實驗；OBE；CDIO；教學考核

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）09-0121-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

《數字電子技術實驗》作為電氣自動化類工科專業（如自動化、電氣工程、建筑電氣與智能化等） 的核心基礎課程，融合了硬件器件、電路及軟件設計，是培養學生數字邏輯思維、構建數字框架，以及提升分析、設計及調試數字單元電路和數字系統工程實踐能力的重要環節。該課程在培養學生專業能力和創新思維方面發揮著關鍵作用，具有強烈的工程實踐性，在專業培養方案中占據核心地位，是后續課程的基礎。然而，當前該課程實踐環節存在一些問題，直接影響了教學效果。具體問題包括：實驗項目內容缺乏創意，未與工程實際緊密結合；實驗教學過程中“教師講、學生做”，忽視了學生的主體性和能動性；實驗實施方案單一，無法滿足學生個體差異化需求；實驗驗收標準重結果輕過程，難以客觀準確地給出每位學生的量化評價[1-2]。

隨著工程人才國際流動性的增強以及中國工程教育專業認證的蓬勃發展，基于學習產出的OBE（Out?come Based" Education） 理念已成為國內大部分高校的共識[3]。OBE理念強調以學生為中心，根據不同學生的特點制定多樣化的實踐目標和實踐策略，并注重教師對實踐過程各環節的設計，包括組織、管理、控制和評價等，以助力學生達成學習成果。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即構思-設計-實現-運行） 理念作為工程教育的新方向，將理論與實踐有機結合，旨在培養學生的工程實踐綜合能力，包括工程基礎知識、個人能力、創新能力、團隊協作等[4-5]。理念關注教學目標“（ 為了什么” OBE ） ，而CDIO理念則強調實施過程“（ 如何實現”） 。這兩種理念的先進性在于，將教學的實施設計為以實現教學目標為宗旨的、可量化、可考核、可追溯的過程。

因此，我們積極探索以學生為中心、以應用為導向的《數字電子技術實驗》課程改革。在當今快速變化的技術和教育環境中，工程教育需要不斷革新，以培養能夠應對全球挑戰的高素質人才。OBE和CDIO 這兩種教育理念的結合，為工程教育提供了一種極具前瞻性的方法。OBE-CDIO教育模式的融合，能夠有效地幫助學生發展全面的工程技能。OBE提供了明確的學習目標和評估標準，強調以學生學習成果為導向，關注學生在學習過程結束時能夠達到的具體能力和技能，從而改變了傳統的以教師教學為中心的模式。CDIO則為實現這些目標提供了具體的實施路徑，其框架提供了一種系統性的工程教育方法，強調通過實踐和項目導向的學習來培養學生的工程能力。通過真實的工程項目和實踐經驗，學生能夠將理論知識轉化為實際能力，更好地適應現代工程領域的需求。

總之，OBE-CDIO教育模式代表了工程教育的一種先進理念，不僅注重知識傳授，更強調能力培養和實踐應用。將OBE-CDIO理念融入《數字電子技術實驗》教學改革中，將實驗任務分解為規模由小到大、設計難度階梯分布的若干子任務，調動學生積極性。通過由淺入深地將學習成果目標和專業課程知識貫穿于教學各環節，學生的工程素養和創新能力在階梯式教學中得到循序漸進的提升。這對于培養“高素質、應用型、創新型”人才具有重要意義。

1《 數字電子技術實驗》課程面臨的問題與現狀

目前，實驗項目多以驗證型和設計型為主，但項目之間缺乏關聯性。學生難以通過完整的需求分析、設計、仿真、制作、測試等流程來掌握工程實踐的步驟，也無法熟練掌握現代技術所需的仿真平臺、FPGA 或大規模集成電路等技術，因此難以支持復雜的數字電路實驗。這導致學生在解決復雜工程問題的能力上存在不足，后續參與學科競賽和畢業設計時出現技術斷層和能力欠缺的問題。

受經費、實驗面積等條件的限制，實驗設備無法滿足每位學生一個實驗臺的需求，也無法隨時提供實驗機會。這導致部分學生無法獨立完成實驗，影響了教學效果。同時，實驗教學模式單一，傳統的驗證性實驗已無法滿足新時代人才培養的需求。實驗缺乏開放性、研究性和創新性，學生的主動性和創造性難以得到充分激發，無法真正培養學生的問題解決能力。

課程實驗設計相對陳舊，缺乏創新性和實用性，許多實驗內容仍停留在基礎電路驗證層面，未能緊跟現代電子技術的發展趨勢。實驗項目設計與工程實際和產業需求脫節，削弱了學生的實踐能力。此外，學生考核體系也存在不足。考核未采用增量模式評分，評分標準與多級任務的難度不匹配，且未將自主性、原創性、時效性、成本等關鍵指標作為考核重點，因此對學生綜合能力的培養存在欠缺。

2 基于OBE-CDIO 的教學及考核設計

2.1 項目化任務驅動

我們將分散的實驗內容整合為一個綜合性大項目，采用任務化+項目化的教學方式，引導學生在復雜任務中進行問題拆解，培養他們結構化、模塊化的思維習慣。這一過程正好契合CDIO教育模式中的構思環節，如圖1所示。

以設計模仿網球比賽的電路為例，該項目被細分為時間控制電路、分數顯示電路、鎖存電路等多個子任務。這些子任務涵蓋了時序邏輯電路和組合邏輯電路的基本知識，包括計數器、觸發器、寄存器的設計和應用，以及基本門電路的設計等。通過完成這些子任務，學生能夠逐步實現CDIO教育模式中的設計、實現、運行環節。

在每個實驗中，學生專注于解決一個子任務，這不僅激發了他們的探究欲望，還使他們能夠逐步了解整個工程的實施步驟，明確解題思路，夯實理論基礎。

2.2 融合優質資源、多措施并舉

在保留線下教學和實驗輔導的基礎上，我們豐富了線上課程資源，構建了線上課程體系。利用超星學習通，我們分享了優質課程資源，并搭建了交流平臺（如圖2所示） 。同時，我們利用“頭歌實踐教學平臺”實現線上+線下聯動，通過趣味的“闖關”方式提升學生利用仿真平臺的能力。頭歌平臺的核心優勢在于其智能化和交互性。它構建了標準化的編程實驗環境，有效解決了傳統實驗教學中的諸多痛點。學生可以在線完成代碼編寫、即時提交和自動化評測，學習效率和反饋速度得到了極大提升。平臺不僅提供了豐富的實驗項目，還能精準診斷學生的編程能力，為個性化學習提供數據支持。從教學管理角度看，頭歌平臺實現了教學過程的數字化和可視化，教師可以便捷地布置作業、追蹤學生進度，并獲得詳細的學習分析報告。這種數據驅動的教學模式有助于精準把握教學質量，促進教學方法的持續優化。

我們采用口袋式實驗板+筆記本電腦的方式，實現了隨時隨地做實驗的初衷，使學生從被動接受實驗轉變為主動探索實驗。這種便攜式實驗方案具有顯著優勢。首先，它小型輕便，使得實驗不再局限于傳統的實驗室環境，無論是在教室還是自習室，學生都可以隨時進行科學研究和技術實踐。其次，筆記本電腦的計算和數據處理能力與口袋式實驗板的硬件接口完美結合，為實時數據采集和分析提供了強大支持。這種方式降低了實驗門檻，使學生可以更靈活地進行項目研究，隨時捕捉靈感并立即付諸實踐，提高了工作效率和研究機動性。總之，口袋式實驗板與筆記本電腦的結合代表了現代科技教育的創新發展方向，為知識探索提供了更加開放和靈活的平臺。

我們以學科競賽為契機，強化了“數字電子技術實驗”環節，激發了學生的興趣，拓展了教學空間。學科競賽為實驗教學注入了新的活力。相較于傳統的實驗模式，競賽導向能夠激發學生的學習積極性，培養其創新思維和實踐能力。通過參與競賽，學生能夠將理論知識與實際應用深度融合，真正理解數字電子技術的核心內涵。同時，競賽拓展了實驗教學的深度和廣度，使學生在備賽過程中突破常規教學范疇，主動學習前沿技術，探索更復雜的電路設計和系統實現。這種自主學習模式不僅能夠提升專業技能，還能培養學生的研究意識和解決問題的能力。此外，學科競賽為實驗教學提供了實踐檢驗的重要平臺，學生可以通過與其他院校、團隊的切磋比拼，客觀評估自身水平，找準差距，明確改進方向。這種競爭性環境有利于形成良性的學習生態。總之，以學科競賽為契機，可以有效強化“數字電子技術實驗”教學環節，培養高素質、創新型人才，推動專業教育不斷向前發展。

我們將科研項目和成果引入《數字電子技術實驗》課程實驗教學中，培養了學生的科學思維方法和探索精神，吸引了優秀本科學生參與教師課題研究或致力于實驗研究。首先，科研項目的引入顯著增強了實驗教學的現實性和前沿性。傳統的實驗教學往往局限于教材中的基礎實驗內容，而科研項目能夠將最新的技術發展和研究成果直接融入教學過程，拓寬學生的知識視野，使學生深入了解學科前沿和技術發展趨勢。其次，科研項目培養了學生的創新思維和解決問題的能力。通過參與實際的科研項目，學生接觸了真實的技術挑戰，學習了如何運用所學知識解決復雜的實際問題。這種實踐導向的學習方式有效提高了學生的專業素養和創新能力。再者，科研成果的引入增強了學生的學習動機和專業認同感。當學生意識到所學知識能夠直接應用于前沿科研項目時，他們的學習積極性得到了極大的提升。這種教學模式不僅激發了學生的學習興趣，還幫助他們建立了對專業的認同和熱愛。

2.3 搭建系統的課程思政體系

結合工程實際需求，我們深入挖掘思政元素，將科技、文化、工程師職業道德等社會熱點和生活實際內容融入實驗教學中。通過潛移默化的方式，引導學生具備工程師的核心素養，實現為國育人的培養目標。在工程教育和實踐中融入思政元素，不僅能提升人才培養質量，還能促進學生的全面發展。將專業知識與思政教育有機結合，可以培養出既具備扎實專業能力，又肩負社會責任的高素質工程人才。

例如，在組合邏輯電路實驗中，我們引導學生理解不同類型邏輯門電路在電路設計中的重要作用。這些門電路在不同的變化和應用場景中發揮著關鍵作用，借此引導學生體會個體與集體的關系，認識創新的重要性，理解“螺絲釘精神”和團隊精神。同時，以中國偉大的抗疫精神為例，讓學生深刻體會到偉大的工程并非一蹴而就，而是由眾多細小工作有序高效堆疊與協同完成的。

在譯碼器實驗中，我們引導學生探索認識新事物的方式方法，總結歸納事物的規律，并利用這些經驗進行改造與創新[6-8]。通過這樣的實踐教學，學生不僅能夠掌握專業知識，還能培養思政素養，為成為高素質工程人才打下堅實基礎。

2.4 完善評價體系

采用了多種考核方式，將評價體系劃分為多個階段，并根據任務的難度設定了相應的評分標準。多元化考核方式的核心價值，在于它打破了傳統單一評價模式的局限。我們結合了定性與定量評價，并重視過程性評價與結果性評價，特別注重學生在課外的自主學習能力。在此過程中，自主性和原創性被作為重要的考核指標，同時我們也增加了時效性、成本控制和改進效果等指標的權重。

具體的評價方式包括：教師評價、學生互評（生生互評、組內互評、組外互評） 以及學生自評。此外，我們還將學習通的互動參與評分和實踐教學平臺的成績納入總評，從而構建了一個多元化的評價體系。這一體系不僅得到了學生的廣泛認可，還為教學提供了科學的反饋，如圖3所示。

3 結束語

本文基于OBE-CDIO理念和模型，對《數字電子技術實驗》課程的教學改革及評價內容進行了深入探討。我們將原有按章節劃分的知識點進行了模塊化重組，實現了理論與實驗的深度融合，從而增強了課程的趣味性、實用性和挑戰性。這一改革引導學生自主構建知識體系，并深入理解基礎知識，實現了從“教我”到“我學”的主動性學習方式的轉變，有效培養了學生的創新思維，并提升了他們的學習成就感。近兩年的實施結果顯示，該教學改革取得了顯著成效：學生的課程整體成績明顯提高，他們積極參與學科競賽，實踐動手能力顯著增強，所取得的成績屢創新高。