OBE理念的電子工程設(shè)計(jì)課程改革

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［摘要］基于obe理念的教育教學(xué)模式改革對(duì)于促進(jìn)畢業(yè)要求的達(dá)成，優(yōu)化課程體系，完善教學(xué)設(shè)計(jì)，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)效果，有著顯著的促進(jìn)作用?；贠BE理念，電子工程設(shè)計(jì)課程強(qiáng)化了工程性、系統(tǒng)性、應(yīng)用性以及非技術(shù)因素能力等，使學(xué)生在設(shè)計(jì)方案選擇、單元電路設(shè)計(jì)、元件篩選、焊接制作、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、報(bào)告撰寫、答辯、團(tuán)隊(duì)合作、項(xiàng)目管理等各個(gè)方面得到必要的鍛煉。依據(jù)訓(xùn)練內(nèi)容和專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，我們將課程分為兩部分實(shí)施，分別是電子工程設(shè)計(jì)（I）及電子工程設(shè)計(jì)（II）。五年的實(shí)施情況表明，課程改革達(dá)成了預(yù)期的目標(biāo)，得到了教育部工程教育認(rèn)證專家以及本科教學(xué)審核評(píng)估專家的認(rèn)可。

［關(guān)鍵詞］OBE；電子工程設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

OBE理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生“學(xué)會(huì)了什么”而不是“老師教了什么”，該理念在工程教育領(lǐng)域中獲得了廣泛的認(rèn)同，美國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)（ABET）就以O(shè)BE理論指導(dǎo)開展工程教育認(rèn)證工作。其主要原因在于OBE理念與工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求在很多方面是不謀而合的[1-2]。是否具備可持續(xù)和有競(jìng)爭(zhēng)力的工程能力素質(zhì)，是衡量學(xué)生是否達(dá)到畢業(yè)要求的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。這些年，北京石油化工學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱我校）大力開展基于“OBE”和“以學(xué)生為中心”理念的教育教學(xué)改革，在國(guó)內(nèi)普通理工科高校工程教育專業(yè)認(rèn)證領(lǐng)域取得了比較突出的成績(jī)[3]。

一、電子工程設(shè)計(jì)課程教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)任務(wù)

（一）課程教學(xué)目標(biāo)電子工程設(shè)計(jì)課程面向我校電氣信息類多個(gè)專業(yè)開設(shè)，共性教學(xué)目標(biāo)分為三個(gè)方面。知識(shí)方面：融合已經(jīng)學(xué)過的電路知識(shí)和電子知識(shí)，掌握項(xiàng)目實(shí)施過程中與實(shí)際工程相關(guān)的知識(shí)。能力方面：培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，初步具備設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、測(cè)試電子系統(tǒng)的能力，實(shí)際動(dòng)手的能力，信息資料的獲取能力，自主學(xué)習(xí)的能力，文本撰寫能力，以及利用實(shí)驗(yàn)儀器和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件、成本效益分析評(píng)估方案的能力[4-5]。素質(zhì)方面：具有良好溝通交流能力、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，以及小型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程理論素質(zhì)。每個(gè)專業(yè)的畢業(yè)要求分別對(duì)應(yīng)有差異性的教學(xué)目標(biāo)。以自動(dòng)化專業(yè)為例，2015年，我校根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)制訂了“面向生產(chǎn)一線的自動(dòng)化系統(tǒng)工程師”的12項(xiàng)畢業(yè)要求，電子工程設(shè)計(jì)課程支撐了9項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)及其下面的22項(xiàng)三級(jí)指標(biāo)，權(quán)重系數(shù)達(dá)到了1.5，如表1所示。

（二）課程教學(xué)任務(wù)本課程要完成一個(gè)小型溫度測(cè)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試等全過程。根據(jù)訓(xùn)練內(nèi)容和專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃分為兩部分。其中，電子工程設(shè)計(jì)（I）的主要任務(wù)是單元模塊的設(shè)計(jì)及仿真、印制電路板設(shè)計(jì)、焊裝工藝訓(xùn)練、單元電路制作與調(diào)試、電路故障的排查解決等。電子工程設(shè)計(jì)（II）在電子工程設(shè)計(jì)（I）的基礎(chǔ)上更側(cè)重于軟件編程及軟硬件混合環(huán)境下的電路調(diào)試。完整的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

二、電子工程設(shè)計(jì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

基于OBE理念明確課程教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)要點(diǎn)，反向設(shè)計(jì)課程教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)方法，依據(jù)教學(xué)效果持續(xù)改進(jìn)課程教學(xué)。

（一）明確教學(xué)要點(diǎn)1.了解產(chǎn)品研發(fā)的一般過程和基本方法。使學(xué)生知道解決工程問題的切入點(diǎn)在哪里，解決問題都需要哪些環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)該如何開展工作，具備工程實(shí)施過程掌控能力。2.培養(yǎng)工程實(shí)現(xiàn)的基本技能。使學(xué)生具備實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的基本能力，為更徹底、更高效地解決復(fù)雜工程問題奠定基礎(chǔ)。3.培養(yǎng)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析、解決實(shí)際工程問題的能力。通過工程經(jīng)驗(yàn)的積累，豐富學(xué)生的工程思維，使學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜工程問題時(shí)能夠有自己科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎?，拿出完整、可行的解決方案。4.培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。通過探究性學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)的意識(shí)，提高自主學(xué)習(xí)的能力，為個(gè)人知識(shí)結(jié)構(gòu)的不斷完善創(chuàng)造條件。

（二）合理安排實(shí)訓(xùn)內(nèi)容訓(xùn)練由易到難、由簡(jiǎn)到繁，我們根據(jù)相關(guān)課程的教學(xué)運(yùn)行安排將其分為兩個(gè)訓(xùn)練階段。第一階段的主要內(nèi)容包括工程項(xiàng)目基本概念、電子工藝基礎(chǔ)知識(shí)、電路板繪制、焊接技能、前向通道單元電路設(shè)計(jì)制作等；第二階段的主要內(nèi)容包括常用電子仿真軟件學(xué)習(xí)、嵌入式開發(fā)環(huán)境學(xué)習(xí)、后向通道單元電路設(shè)計(jì)制作、系統(tǒng)調(diào)試等。學(xué)生逐一完成電路的設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試，并替換教學(xué)模板中相應(yīng)的單元，保證系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，直到替換完全部系統(tǒng)。

（三）嚴(yán)格考核任務(wù)完成情況對(duì)于每一項(xiàng)任務(wù)，都有明確的設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格把關(guān)，確保實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的進(jìn)度。針對(duì)直流穩(wěn)壓電源模塊，確定電源電路的方案及明確所定電路各個(gè)組成元件的作用；針對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊，強(qiáng)化傳感器的選擇以及調(diào)理電路的設(shè)計(jì)；針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可選傳統(tǒng)AD集成電路器件或由軟件編程實(shí)現(xiàn)（對(duì)應(yīng)TIMSP430）；針對(duì)數(shù)模模塊，需考慮前后級(jí)指標(biāo)的要求；針對(duì)顯示單元模塊，可選擇數(shù)碼管、字符型LCD或OLED。每一單元進(jìn)行電路設(shè)計(jì)后，可以組織學(xué)生按組評(píng)講方案，使學(xué)生在了解不同實(shí)現(xiàn)方案的同時(shí)拓寬知識(shí)面。仿真及焊接制作、調(diào)試完成后，必須要用標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，標(biāo)定誤差[6-9]。

三、課程實(shí)施環(huán)節(jié)

開課之初即在任務(wù)書中明確本課程應(yīng)達(dá)到的能力目標(biāo)，以及為實(shí)現(xiàn)這些能力目標(biāo)所采用的教學(xué)方式及考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使學(xué)生心中有數(shù)，做到每天有任務(wù)、有訓(xùn)練、有思考、有總結(jié)。課程教學(xué)全程在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，參考項(xiàng)目管理的模式組建團(tuán)隊(duì)，兩人一組，分工協(xié)作，依據(jù)各階段任務(wù)完成的情況以及成員的角色執(zhí)行情況給出小組成績(jī)和個(gè)人成績(jī)。第一學(xué)期完成測(cè)溫系統(tǒng)（包括直流穩(wěn)壓電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、顯示模塊、測(cè)溫程序等）實(shí)驗(yàn)，第二學(xué)期完成控溫系統(tǒng)（D/A轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、控溫程序）實(shí)驗(yàn)。單元電路模塊的設(shè)計(jì)與制作中要求學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案，自行完成單元電路設(shè)計(jì)，完成焊接。基于C語言的單片機(jī)調(diào)試環(huán)境進(jìn)行練習(xí)時(shí)，要求學(xué)生能熟練掌握調(diào)試環(huán)境的安裝、設(shè)置。編寫基于C語言的調(diào)試程序時(shí)，要求學(xué)生能根據(jù)單元電路和系統(tǒng)電路的功能指標(biāo)編寫基于C語言的單片機(jī)程序。單元模塊電路和系統(tǒng)電路調(diào)試指標(biāo)要求學(xué)生能完成軟硬件聯(lián)調(diào)，滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。在數(shù)字顯示形式上，有數(shù)碼管、字符型LCD等形式或者使用OLED顯示模塊。單片機(jī)控制模塊可以采用51單片機(jī)或者M(jìn)sp430口袋機(jī)。

四、電子工程設(shè)計(jì)課程具體教學(xué)進(jìn)程

（一）電子工程設(shè)計(jì)電子工程設(shè)計(jì)（I）教學(xué)進(jìn)度安排1.工程基本知識(shí)（2學(xué)時(shí)）。2.電子元器件和工藝基本知識(shí)（2學(xué)時(shí)）。3.電子系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法（2學(xué)時(shí)）。4.Multisim仿真軟件的訓(xùn)練（6學(xué)時(shí)）。5.印刷電路板的制作和電路焊裝技能訓(xùn)練（12學(xué)時(shí)）。6.電源板、變送器、A/D單元電路的設(shè)計(jì)、答辯（12學(xué)時(shí)）。7.單元電路硬件實(shí)現(xiàn)（36學(xué)時(shí)）。8.系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)、答辯（6學(xué)時(shí)）。9.筆試（4學(xué)時(shí)）。10.報(bào)告撰寫及答辯（8學(xué)時(shí)）。

（二）電子工程設(shè)計(jì)電子工程設(shè)計(jì)（II）教學(xué)進(jìn)度安排1.D/A單元電路的設(shè)計(jì)、答辯（12學(xué)時(shí)）。2.D/A單元電路硬件實(shí)現(xiàn)（36學(xué)時(shí)）。3.Keil和IAR開發(fā)調(diào)試環(huán)境訓(xùn)練（2學(xué)時(shí)）。4.基于C語言的單片機(jī)基本操作訓(xùn)練（4學(xué)時(shí)）。5.軟硬件系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)、答辯（24學(xué)時(shí)）。6.筆試（4學(xué)時(shí)）。7.報(bào)告撰寫及答辯（8學(xué)時(shí)）。

（三）考核及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)總成績(jī)采用百分制，針對(duì)每個(gè)考核環(huán)節(jié)，制訂以相關(guān)教學(xué)要點(diǎn)實(shí)現(xiàn)程度為目標(biāo)的考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。1.考核環(huán)節(jié)常用電子儀器設(shè)備及仿真軟件的使用（10%）、軟硬件驗(yàn)收（60%）、答辯（10%）、報(bào)告撰寫（10%）、團(tuán)隊(duì)合作及過程性考核（10%）。2.評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每個(gè)考核環(huán)節(jié)，制訂以課程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)程度為依據(jù)的考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。以電子工程設(shè)計(jì)（II）報(bào)告撰寫為例，圍繞單片機(jī)控制模塊、鍵盤顯示模塊、D/A模塊、電子系統(tǒng)聯(lián)調(diào)步驟和方法、電子系統(tǒng)故障檢測(cè)與排除、體會(huì)與思考、致謝等幾個(gè)部分進(jìn)行撰寫。同時(shí)對(duì)每組報(bào)告嚴(yán)格評(píng)審并給分，如表2所示。

五、課程改革的創(chuàng)新點(diǎn)

我們構(gòu)建了以工程能力為導(dǎo)向、以實(shí)際應(yīng)用為背景、以工程技術(shù)為主線的電子工程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練體系，通過將工程項(xiàng)目模塊化，使所有學(xué)生都能夠以近似于真實(shí)工程項(xiàng)目開發(fā)的方式完成全過程，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的工程能力素質(zhì)，提高了他們的綜合應(yīng)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。我們基于OBE理念明確課程教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)要點(diǎn)，反向設(shè)計(jì)課程教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)方法，依據(jù)教學(xué)效果持續(xù)改進(jìn)課程教學(xué)。我們對(duì)課程進(jìn)行了針對(duì)性、精細(xì)化開發(fā)，使之能夠體現(xiàn)實(shí)踐能力培養(yǎng)過程中知識(shí)的完整性、系統(tǒng)性和連續(xù)性，知識(shí)與能力相結(jié)合、指導(dǎo)性教學(xué)和自主性學(xué)習(xí)相結(jié)合，使學(xué)生對(duì)知識(shí)不斷地理解、應(yīng)用、反思、再理解，在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳效果。我們將專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)、教育實(shí)現(xiàn)方式和課程教學(xué)實(shí)施效果相關(guān)聯(lián)，建立了一整套全新的基于畢業(yè)要求能力指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)矩陣和考評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐表明，這種以能力指標(biāo)達(dá)成度進(jìn)行課程評(píng)價(jià)的模式真實(shí)、準(zhǔn)確、可操作性強(qiáng)，符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求[10]。

六、課程改革教學(xué)效果評(píng)價(jià)

自2015年6月至今，本課程教學(xué)新模式已在自動(dòng)化、通信工程、計(jì)算機(jī)等3個(gè)卓越工程師試點(diǎn)專業(yè)的5個(gè)年級(jí)、40個(gè)班級(jí)進(jìn)行了實(shí)施，效果良好。根據(jù)不同的課程目標(biāo)達(dá)成度數(shù)據(jù)分析，實(shí)施該課程教學(xué)新模式的專業(yè)在電子工程設(shè)計(jì)能力方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了沒有實(shí)施該課程教學(xué)新模式的專業(yè)，具體表現(xiàn)在學(xué)生的工程素養(yǎng)、自主學(xué)習(xí)能力得到較大提升，團(tuán)隊(duì)合作精神、組織協(xié)調(diào)能力、報(bào)告撰寫能力得到了有效的提高，教師隊(duì)伍自身的工程素質(zhì)和能力也得到了鍛煉，同時(shí)還有效地促進(jìn)了學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，也對(duì)課外科技活動(dòng)以及考研、就業(yè)等提供了非常大的幫助。我校在自動(dòng)化專業(yè)和計(jì)算機(jī)專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證中，得到了認(rèn)證專家的高度認(rèn)可，課程教學(xué)改革的一些資料還被專家?guī)Щ厮麄兊膶W(xué)校做課程建設(shè)參考。正是因?yàn)檫@良好的教學(xué)效果，我校2018版新的培養(yǎng)方案將本課程作為信息工程學(xué)院全部7個(gè)專業(yè)的必修課程。學(xué)生在報(bào)告的收獲與體會(huì)部分普遍提到，在電子工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練過程中，發(fā)現(xiàn)以前學(xué)的很多知識(shí)在動(dòng)手操作的過程中都立體豐富了起來，解決問題的思路也由單一分析逐漸向系統(tǒng)分析轉(zhuǎn)變。學(xué)生最大的收獲并不僅僅是所學(xué)的知識(shí)本身，而是在獲取知識(shí)的過程中所學(xué)到的分析問題和解決問題的方法，以及鍛煉出來的那種無論什么時(shí)候都能夠積極自信地直面問題、解決問題的態(tài)度。

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作者：張曉燕 張路綱 藍(lán)波 單位：北京石油化工學(xué)院