基于CDIO-OBE理念和課程群的教學改革研究

【中圖分類號】G642.0【文獻標識碼】A

【文章編號】1002-4107（2025）08-0011-04

一、引言

2021年4月，習近平總書記在清華大學考察時強調(diào)，推進新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)?！八男耚"建設(shè)瞄準了科技前沿和關(guān)鍵領(lǐng)域，著力加快培養(yǎng)緊缺人才。在這樣的背景下，培養(yǎng)具有社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力的時代新人正在成為高等教育改革發(fā)展的最強音。

在當前大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興技術(shù)蓬勃發(fā)展的大背景下，高等教育正經(jīng)歷數(shù)智時代的巨大變革，高校的專業(yè)建設(shè)和課程建設(shè)應(yīng)更注重學科交叉、產(chǎn)業(yè)融合，充分利用數(shù)智化發(fā)展成果，緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿，加強對學生社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。

文章以“嵌入式\"課程為例，介紹基于CDIO-OBE理念和課程群的教學改革方案設(shè)計。“嵌入式”是一門綜合性、實踐性很強的課程。嵌入式系統(tǒng)涵蓋的內(nèi)容非常廣泛，嵌入式技術(shù)在智能汽車、5G通信、航空航天等傳統(tǒng)領(lǐng)域及大模型時代“云邊端\"協(xié)同智能發(fā)展等新興領(lǐng)域都有應(yīng)用。CDIO-OBE是將CDIO[構(gòu)思（Conceive）設(shè)計（De-sign）、實現(xiàn)（Implement）運行（Operate）]工程教育模式和OBE（OutcomeBasedEducation，成果導向教育）理念相結(jié)合，對“嵌入式\"這類工程性、實踐性很強的課程較為適用。

二、嵌入式\"課程教學現(xiàn)狀分析

電子信息工程專業(yè)自2021年開始探索課程群的建設(shè)?！扒度胧絓"課程作為首批參與課程之一，在課程內(nèi)容、教學方法和考核方式上進行了初步改革，并取得了一定成效。課程群作為一種構(gòu)建課程間知識鏈條、促使多門課程融合協(xié)同的獨特方式，有助于為學生提供更立體、更直觀的知識應(yīng)用場景，有利于學生由淺入深、由點帶面地對課程知識進行理解和掌握。首批參與課程群建設(shè)的有“嵌入式”“可編程邏輯器件”和“智能終端開發(fā)技術(shù)\"3門課程，課程設(shè)計中采用了自主設(shè)計的“智能小車\"作為3門課程融合的\"載體\"3。學生利用3門課程所學的專業(yè)知識分別實現(xiàn)了小車的數(shù)據(jù)采集和控制功能，如傳感器部分、電機與舵機控制部分、通信部分和APP設(shè)計部分等，為課程融合提供了新途徑。隨著專業(yè)課程群建設(shè)的持續(xù)推進，“嵌入式\"課程對3年來課程實施過程中出現(xiàn)的問題進行了梳理和總結(jié)，主要有以下幾個方面。

（一）實踐課程缺乏理論指導

“嵌人式”課程的實踐學時占課程總學時的三分之二，因此，課程群建設(shè)的初步探索階段將重點放在了設(shè)計3門課程融合的載體及配套的教學方案設(shè)計上，課程的實施過程則緊緊圍繞智能小車的功能實現(xiàn)，使得整個課程設(shè)計缺乏針對實踐課程的理論指導，因而，有必要引人合適的教學理念對課程進行系統(tǒng)設(shè)計。

（二）實踐內(nèi)容設(shè)計有待改進

“嵌入式”課程實踐內(nèi)容設(shè)計包括基礎(chǔ)知識和綜合實踐2部分。由于學時有限，基礎(chǔ)知識部分對原課程內(nèi)容做了刪減，將部分內(nèi)容留給學生自主學習，基礎(chǔ)知識部分的實踐內(nèi)容則緊緊圍繞綜合實踐項目所需的知識點來進行。從知識完整性上來看，此部分的設(shè)計還可以再進行優(yōu)化。

綜合實踐部分主要是以智能小車的控制為目標的軟硬件設(shè)計，即學生通過3門課程知識的綜合應(yīng)用來實現(xiàn)小車的整體功能。這樣的設(shè)計體現(xiàn)了課程群的優(yōu)勢，不足之處是該設(shè)計不夠靈活。實踐證明，學生由于解決不了STM32和FPGA之間的通信問題，使得綜合設(shè)計的效果大打折扣。另外，由于沒有Java語言基礎(chǔ)，學生在基于AndroidStudio的APP設(shè)計上也困難重重，亟須找到替代方案。

從整體課程內(nèi)容設(shè)計上，大部分實踐過程還是跟著教師設(shè)計好的思路走，學生自主設(shè)計環(huán)節(jié)較少，不利于對學生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。

（三）課程內(nèi)容對新技術(shù)、新領(lǐng)域的涉及不足

由于學時有限，“嵌人式”課程在教學過程中對科技前沿的案例涉及較少，這與嵌入式技術(shù)在各重要領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用是不匹配的。在今后的課程設(shè)計中，應(yīng)逐步加人嵌人式技術(shù)在各個領(lǐng)域，尤其是前沿領(lǐng)域中應(yīng)用的介紹，并循序漸進地引入一些科教融匯案例的設(shè)計。

（四）考核評價方式有待改進

“嵌入式\"課程是一門實踐性很強的課程，在考核評價時應(yīng)更注重對學生的過程性考核。但由于學時有限、學生人數(shù)較多，教師很難有時間對學生的實踐過程進行充分、合理的考核。如果僅以考勤、實踐任務(wù)完成情況作為考核的依據(jù)，則區(qū)分度不大，且不能真實反映學生的實際學習態(tài)度和學習效果。如果以教師的主觀評價作為主要評價依據(jù)，則客觀性不足。另外，以分組方式完成綜合任務(wù)時總有學生渾水摸魚，而傳統(tǒng)的評價機制對此行為的約束卻不夠。因此，如何設(shè)計合理的考查環(huán)節(jié)以更有效地進行過程性考核，并設(shè)計更合理的終結(jié)性考核評價機制值得進一步思考。

三、“嵌入式”課程教學改革設(shè)計思路

（一）基于CDIO-OBE理念進行課程設(shè)計

北京聯(lián)合大學在制定2019版培養(yǎng)方案時就采用了OBE理念，課程教學大綱的制定也基于OBE理念。OBE理念強調(diào)成果導向、以學生為中心和持續(xù)改進，強調(diào)個性化評定。首先，制定成果和學習自標（要求）；其次，學生進行彈性的、個性化的學習；最后，在學習完成后對學習成果進行評定，評價是否達成目標，并不斷通過這種反饋對教學過程加以改進。目前，“嵌入式”課程的不斷改革求變就是一個持續(xù)改進的過程。對于“嵌入式\"這類實踐性較強的課程，融入CDIO工程教育模式對提高學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力具有實際意義。CDIO是一種基于產(chǎn)品生命周期的工程教育模式，強調(diào)工程畢業(yè)生應(yīng)具有工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力。因此，“嵌入式\"課程以CDIO-OBE理念為引領(lǐng)，重新梳理和制定課程目標，設(shè)計教學內(nèi)容，改進考核方式。

（二）以專業(yè)課程群建設(shè)為依托，合理設(shè)計課程內(nèi)容

“嵌人式”課程經(jīng)過前期的課程群建設(shè)，已經(jīng)初步形成了一個基于課程群的課程實施方案。該方案以一個智能小車為載體，使課程群中3門課程的內(nèi)容實現(xiàn)了很好地融合④。在此次改革中，課題組在原有課程群的基礎(chǔ)上，針對原課程方案中存在的問題進行了重新設(shè)計。新方案仍以課程群為依托，充分利用前后學期課程間的關(guān)聯(lián)性及同學期課程間的協(xié)同性合理設(shè)計課程內(nèi)容，既保證課程間的知識協(xié)同和融合，又充分考慮學生在實施階段可能遇到的困難，為學生提供多種可選方案。

（三）以學生為中心，循序漸進探索科教融匯新路徑

以往的“嵌入式”課程主要以硬件電路搭建和嵌入式軟件開發(fā)為主。為了滿足不同層次學生的學習需求，培養(yǎng)學生的科學精神和創(chuàng)新意識，課程應(yīng)循序漸進地探索科教融匯的新路徑。例如，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛、無人機、多傳感器融合、機器人等領(lǐng)域，循序漸進地為學生提供一些應(yīng)用或開發(fā)案例，這樣既可以豐富課程內(nèi)容，又可以開闊學生的科技視野。

四、基于CDIO-OBE理念和課程群的“嵌入式” 課程教學改革設(shè)計

（一）基于CDIO-OBE理念設(shè)計課程目標

在CDIO-OBE理念的指導下，“嵌入式\"課程目標總體分為知識目標、能力目標和素質(zhì)目標3個維度5。結(jié)合CDIO工程教育模式中提出的畢業(yè)生應(yīng)具備的工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力，以及結(jié)合課程自身的內(nèi)容和特點設(shè)計各維度目標（圖1）。

（二）基于CDIO-OBE理念和課程群的課程實施方案 設(shè)計

課程實施方案的設(shè)計以學生為中心，著力提高學生的工程實踐能力。課程共計48學時，其中32學時為實驗學時，因此，授課以理實一體的方式全程在實驗室進行。

理解嵌入式系統(tǒng)的含義和特點；了解ARM和STM32的概念；了解幾款常用的嵌入式ARM芯片；掌握嵌入式系統(tǒng)中最小系統(tǒng)的概念；熟悉嵌入式系統(tǒng)中存儲器、知識目標 GPIO、中斷、定時器/計數(shù)器、USART、DMA、ADC等基本功能部件的作用和基本工作原理；了解STM32的不同開發(fā)方式；熟悉常用的STM32庫函數(shù)；了解嵌入式操作系統(tǒng)的基本理論和幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)能熟練使用嵌入式軟硬件開發(fā)工具及各種儀器儀表能閱讀芯片手冊和電路原理圖個人專業(yè)能力 能熟練使用STM32庫函數(shù)和C語言編程實現(xiàn)特課程目標 定功能設(shè)計能力目標 自主學習能力 能基于嵌入式芯片進行簡單的系統(tǒng)設(shè)計，并能完成電路的硬件設(shè)計與實現(xiàn)、程序的編寫與調(diào)試（工程實踐能力） 團隊協(xié)作能力創(chuàng)新意識素質(zhì)目標 團隊協(xié)作精神堅持不懈、精益求精的精神

由于學時有限，要想更好地實現(xiàn)課程自標，就要充分利用課程群的優(yōu)勢。一方面，與前期開課的“單片機實訓\"課程做好銜接，這2門課程在能力目標和素質(zhì)目標方面有較多的共同點，因此，通過該實訓課可以將系統(tǒng)設(shè)計的理念先行傳授給學生，并讓學生通過課程設(shè)計提前掌握讀原理圖、硬件設(shè)計、C語言編程、查芯片手冊等基本技能，打好基礎(chǔ)。另一方面，與同學期開設(shè)的“可編程邏輯器件\"和“PCB設(shè)計與實踐\"課程協(xié)同，使學生能夠更立體、全面地掌握嵌入式軟硬件開發(fā)技術(shù)。

“嵌入式\"課程以基于STM32F103的開發(fā)板作為基礎(chǔ)實驗開發(fā)平臺，但由于學時有限，課程實驗并沒有涉及嵌人式操作系統(tǒng)。課程的實施過程由原來的2個階段調(diào)整為3個階段，課程融合的載體即“智能小車”也提供了新版本，支持學生多種選擇。具體的課程實施方案設(shè)計思路如圖2所示[7-8]。

1.任務(wù)驅(qū)動，循序漸進

課程內(nèi)容按照先基礎(chǔ)、再擴展、后綜合的思路分步進行?；A(chǔ)部分的任務(wù)是所有學生都要掌握和完成的，主要是嵌入式芯片最常用的功能部件的應(yīng)用練習；擴展部分允許學生有選擇性地完成，此部分主要是各種功能模塊在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，所選的功能模塊可以應(yīng)用在最后的綜合實踐項目中；綜合部分是要完成一個綜合實踐任務(wù)，由學生組建團隊共同完成。

2.設(shè)計任務(wù)梯度，綜合實踐任務(wù)靈活可選

為了滿足不同層次學生的學習需求，基礎(chǔ)部分的任務(wù)為梯度設(shè)計，難度有區(qū)分，由學生自主選擇難度完成任務(wù)；擴展部分的任務(wù)是可選擇的，要求學生至少掌握和實現(xiàn)2種擴展任務(wù)，完成任務(wù)的多少在綜合評定中會有體現(xiàn)；綜合實踐任務(wù)也不再只局限于基于STM32+FPGA控制的智能小車，通過硬件改版，允許學生僅基于STM32進行小車的控制。除此之外，還為學生提供了其他可選方案，如環(huán)境監(jiān)測／監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計、基于手機APP的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及其他學生感興趣的綜合系統(tǒng)設(shè)計。其中，手機APP的設(shè)計推薦采用目前流行的簡易APP設(shè)計方案，如MIT的APPInventor，采用教師引導、學生自主學習的方式。無論學生選擇哪種方案，教師都會全力協(xié)助。

3.引導學生的CDIO產(chǎn)品設(shè)計思維

從基礎(chǔ)實驗到綜合實踐，引導學生一邊打基礎(chǔ)，一邊組建團隊，選擇并設(shè)計系統(tǒng)，逐步明確團隊設(shè)計任務(wù)，并一步步實現(xiàn)。例如，智能小車的控制方式是僅控制小車自主從一點行駛到另一點，還是利用手機APP控制其行進，以及是否設(shè)計避障功能等。以這樣的方式引導學生建立良好的產(chǎn)品思維，提高工程實踐能力，并在一定程度上提高學生的創(chuàng)新思維。

4.普及嵌入式技術(shù)在前沿科技中的應(yīng)用

為了給學有余力的學生提供更多的選擇，在拓展部分增加可選項，如語音識別、物聯(lián)網(wǎng)等，讓學生選擇性地進行嘗試。

另外，在課程結(jié)束前設(shè)置分享環(huán)節(jié)，由學生團隊利用互聯(lián)網(wǎng)自主查找嵌入式技術(shù)在各前沿科技領(lǐng)域中的應(yīng)用案例，為大家普及當前嵌入式技術(shù)的廣泛應(yīng)用和未來的應(yīng)用前景，加深學生對專業(yè)的認識，增強學生的專業(yè)自信。

（三）考核評價標準的設(shè)計

“嵌入式\"課程實踐性強，考核時更應(yīng)注重過程性考核，具體考核評價標準設(shè)計如圖3所示[9-10]

圖3考核評價標準設(shè)計

針對前期課程考核中存在的問題，著重對以下幾方面進行了改革。一是充分利用線上、線下，課前、課中、課后，設(shè)計課前預習和課后作業(yè)小習題作為過程性檢測項目之一，并將習題完成情況計人過程性考核。二是教師在課中很難有時間進行抽查，但在學生完成任務(wù)提交時可隨機提出一兩個小問題作為過程性檢測項目之一，并將學生回答情況計入過程性考核。三是基礎(chǔ)任務(wù)部分，每個任務(wù)都至少設(shè)計2個難度等級供學生選擇，不同等級的任務(wù)對應(yīng)不同分值，學生可以根據(jù)自己的實際情況進行選擇。四是綜合實踐項目由學生自由組建3人左右的小團隊來完成，為了減少有學生渾水摸魚的情況，在團隊協(xié)作時應(yīng)要求學生明確每名團隊成員的任務(wù)，且在最終答辯匯報時不僅要給出團隊任務(wù)完成情況的考核成績，也要根據(jù)個人任務(wù)完成情況給出個人的考核成績。五是綜合實踐任務(wù)由于給予學生一定程度的自由選擇權(quán)，因此，教師在課程開始時要明確考核標準，不同難度的任務(wù)分數(shù)占比也會不同，鼓勵學生挑戰(zhàn)更有難度的任務(wù)。

五、結(jié)束語

“嵌入式\"課程開設(shè)學期較晚，對學生的綜合應(yīng)用能力要求較高。課程借助專業(yè)課程群建設(shè)，通過課程間的銜接與協(xié)同，保證了課程內(nèi)容得以順利實施。課程基于CDIO-OBE理念對原課程內(nèi)容和考核評價方式進行了改革，既保證了學生基礎(chǔ)知識的掌握和基本應(yīng)用能力的培養(yǎng)，又有一定程度的擴展，讓學生快速、直觀地認識到所學知識的實際應(yīng)用。通過最后的綜合實踐任務(wù)，學生能夠根據(jù)自身興趣和學習基礎(chǔ)選擇適合自己的實踐內(nèi)容，并進行獨立的設(shè)計開發(fā)，有效地提升了電子系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力和軟硬件開發(fā)能力，并在一定程度上提高了創(chuàng)新能力。在考核評價機制上，通過增加課前、課后的線上小測試，檢查學生課前預習和課后掌握的情況；另外，通過教師在檢查任務(wù)完成情況時隨機提出的一兩個小問題，使過程性考核更加豐富多元，這對實踐性較強且人數(shù)較多的“嵌入式\"課程來說是很有意義的。在最后的綜合實踐考核中，不同難度的實踐任務(wù)對應(yīng)不同的分值，可以套餐的形式讓學生選擇，完成得越多得分越多，難度越大得分越高。另外，團隊和個人都會進行考核，以此鼓勵學生做更多的嘗試，也盡可能避免有學生渾水摸魚。實踐證明，這一改革在一定程度上提高了學生的學習積極性和創(chuàng)新意識，也在一定程度上對教師提出了更高的要求，起到了教學相長的良好作用。

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