OBE理念的電子工程設(shè)計課程改革
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［摘要］基于obe理念的教育教學(xué)模式改革對于促進畢業(yè)要求的達成，優(yōu)化課程體系，完善教學(xué)設(shè)計，改進教學(xué)方法，提高教學(xué)效果，有著顯著的促進作用?；贠BE理念，電子工程設(shè)計課程強化了工程性、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)計方案選擇、單元電路設(shè)計、元件篩選、焊接制作、程序設(shè)計、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、報告撰寫、答辯、團隊合作、項目管理等各個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)計劃，我們將課程分為兩部分實施，分別是電子工程設(shè)計（I）及電子工程設(shè)計（II）。五年的實施情況表明，課程改革達成了預(yù)期的目標，得到了教育部工程教育認證專家以及本科教學(xué)審核評估專家的認可。
［關(guān)鍵詞］OBE；電子工程設(shè)計；教學(xué)改革
OBE理念強調(diào)學(xué)生“學(xué)會了什么”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同，美國工程教育認證協(xié)會（ABET）就以O(shè)BE理論指導(dǎo)開展工程教育認證工作。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)和有競爭力的工程能力素質(zhì)，是衡量學(xué)生是否達到畢業(yè)要求的一個重要標準。這些年，北京石油化工學(xué)院（以下簡稱我校）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，在國內(nèi)普通理工科高校工程教育專業(yè)認證領(lǐng)域取得了比較突出的成績[3]。
一、電子工程設(shè)計課程教學(xué)目標及教學(xué)任務(wù)
（一）課程教學(xué)目標電子工程設(shè)計課程面向我校電氣信息類多個專業(yè)開設(shè)，共性教學(xué)目標分為三個方面。知識方面：融合已經(jīng)學(xué)過的電路知識和電子知識，掌握項目實施過程中與實際工程相關(guān)的知識。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、制作、調(diào)試、測試電子系統(tǒng)的能力，實際動手的能力，信息資料的獲取能力，自主學(xué)習(xí)的能力，文本撰寫能力，以及利用實驗儀器和計算機輔助設(shè)計軟件、成本效益分析評估方案的能力[4-5]。素質(zhì)方面：具有良好溝通交流能力、團隊合作意識，以及小型電子系統(tǒng)設(shè)計的工程理論素質(zhì)。每個專業(yè)的畢業(yè)要求分別對應(yīng)有差異性的教學(xué)目標。以自動化專業(yè)為例，2015年，我校根據(jù)工程教育專業(yè)認證標準制訂了“面向生產(chǎn)一線的自動化系統(tǒng)工程師”的12項畢業(yè)要求，電子工程設(shè)計課程支撐了9項二級指標及其下面的22項三級指標，權(quán)重系數(shù)達到了1.5，如表1所示。
（二）課程教學(xué)任務(wù)本課程要完成一個小型溫度測量控制系統(tǒng)的設(shè)計、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)計劃分為兩部分。其中，電子工程設(shè)計（I）的主要任務(wù)是單元模塊的設(shè)計及仿真、印制電路板設(shè)計、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（II）在電子工程設(shè)計（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)計課程教學(xué)設(shè)計
基于OBE理念明確課程教學(xué)目標及教學(xué)要點，反向設(shè)計課程教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)方法，依據(jù)教學(xué)效果持續(xù)改進課程教學(xué)。
（一）明確教學(xué)要點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在哪里，解決問題都需要哪些環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)應(yīng)該如何開展工作，具備工程實施過程掌控能力。2.培養(yǎng)工程實現(xiàn)的基本技能。使學(xué)生具備實現(xiàn)設(shè)計目標的基本能力，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)運用所學(xué)知識分析、解決實際工程問題的能力。通過工程經(jīng)驗的積累，豐富學(xué)生的工程思維，使學(xué)生在面對復(fù)雜工程問題時能夠有自己科學(xué)、嚴謹?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)生增強自主學(xué)習(xí)的意識，提高自主學(xué)習(xí)的能力，為個人知識結(jié)構(gòu)的不斷完善創(chuàng)造條件。
（二）合理安排實訓(xùn)內(nèi)容訓(xùn)練由易到難、由簡到繁，我們根據(jù)相關(guān)課程的教學(xué)運行安排將其分為兩個訓(xùn)練階段。第一階段的主要內(nèi)容包括工程項目基本概念、電子工藝基礎(chǔ)知識、電路板繪制、焊接技能、前向通道單元電路設(shè)計制作等；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)計制作、系統(tǒng)調(diào)試等。學(xué)生逐一完成電路的設(shè)計、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)仍能正常運行，直到替換完全部系統(tǒng)。
（三）嚴格考核任務(wù)完成情況對于每一項任務(wù)，都有明確的設(shè)計要求，嚴格把關(guān)，確保實訓(xùn)項目的進度。針對直流穩(wěn)壓電源模塊，確定電源電路的方案及明確所定電路各個組成元件的作用；針對信號調(diào)理模塊，強化傳感器的選擇以及調(diào)理電路的設(shè)計；針對模數(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現(xiàn)（對應(yīng)TIMSP430）；針對數(shù)模模塊，需考慮前后級指標的要求；針對顯示單元模塊，可選擇數(shù)碼管、字符型LCD或OLED。每一單元進行電路設(shè)計后，可以組織學(xué)生按組評講方案，使學(xué)生在了解不同實現(xiàn)方案的同時拓寬知識面。仿真及焊接制作、調(diào)試完成后，必須要用標準儀器設(shè)備進行實際測量，標定誤差[6-9]。
三、課程實施環(huán)節(jié)
開課之初即在任務(wù)書中明確本課程應(yīng)達到的能力目標，以及為實現(xiàn)這些能力目標所采用的教學(xué)方式及考核評價標準，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)全程在實驗室進行，參考項目管理的模式組建團隊，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和個人成績。第一學(xué)期完成測溫系統(tǒng)（包括直流穩(wěn)壓電源模塊、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、顯示模塊、測溫程序等）實驗，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)動模塊、控溫程序）實驗。單元電路模塊的設(shè)計與制作中要求學(xué)生根據(jù)設(shè)計方案，自行完成單元電路設(shè)計，完成焊接?；贑語言的單片機調(diào)試環(huán)境進行練習(xí)時，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，要求學(xué)生能根據(jù)單元電路和系統(tǒng)電路的功能指標編寫基于C語言的單片機程序。單元模塊電路和系統(tǒng)電路調(diào)試指標要求學(xué)生能完成軟硬件聯(lián)調(diào)，滿足各項設(shè)計要求。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。單片機控制模塊可以采用51單片機或者Msp430口袋機。
四、電子工程設(shè)計課程具體教學(xué)進程
（一）電子工程設(shè)計電子工程設(shè)計（I）教學(xué)進度安排1.工程基本知識（2學(xué)時）。2.電子元器件和工藝基本知識（2學(xué)時）。3.電子系統(tǒng)的基本設(shè)計方法（2學(xué)時）。4.Multisim仿真軟件的訓(xùn)練（6學(xué)時）。5.印刷電路板的制作和電路焊裝技能訓(xùn)練（12學(xué)時）。6.電源板、變送器、A/D單元電路的設(shè)計、答辯（12學(xué)時）。7.單元電路硬件實現(xiàn)（36學(xué)時）。8.系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)、答辯（6學(xué)時）。9.筆試（4學(xué)時）。10.報告撰寫及答辯（8學(xué)時）。
（二）電子工程設(shè)計電子工程設(shè)計（II）教學(xué)進度安排1.D/A單元電路的設(shè)計、答辯（12學(xué)時）。2.D/A單元電路硬件實現(xiàn)（36學(xué)時）。3.Keil和IAR開發(fā)調(diào)試環(huán)境訓(xùn)練（2學(xué)時）。4.基于C語言的單片機基本操作訓(xùn)練（4學(xué)時）。5.軟硬件系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)、答辯（24學(xué)時）。6.筆試（4學(xué)時）。7.報告撰寫及答辯（8學(xué)時）。
（三）考核及評分標準總成績采用百分制，針對每個考核環(huán)節(jié)，制訂以相關(guān)教學(xué)要點實現(xiàn)程度為目標的考核評分標準。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%）、軟硬件驗收（60%）、答辯（10%）、報告撰寫（10%）、團隊合作及過程性考核（10%）。2.評分標準對每個考核環(huán)節(jié)，制訂以課程目標實現(xiàn)程度為依據(jù)的考核評分標準。以電子工程設(shè)計（II）報告撰寫為例，圍繞單片機控制模塊、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)故障檢測與排除、體會與思考、致謝等幾個部分進行撰寫。同時對每組報告嚴格評審并給分，如表2所示。
五、課程改革的創(chuàng)新點
我們構(gòu)建了以工程能力為導(dǎo)向、以實際應(yīng)用為背景、以工程技術(shù)為主線的電子工程設(shè)計綜合訓(xùn)練體系，通過將工程項目模塊化，使所有學(xué)生都能夠以近似于真實工程項目開發(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)用能力和實踐創(chuàng)新能力。我們基于OBE理念明確課程教學(xué)目標及教學(xué)要點，反向設(shè)計課程教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)方法，依據(jù)教學(xué)效果持續(xù)改進課程教學(xué)。我們對課程進行了針對性、精細化開發(fā)，使之能夠體現(xiàn)實踐能力培養(yǎng)過程中知識的完整性、系統(tǒng)性和連續(xù)性，知識與能力相結(jié)合、指導(dǎo)性教學(xué)和自主性學(xué)習(xí)相結(jié)合，使學(xué)生對知識不斷地理解、應(yīng)用、反思、再理解，在較短時間內(nèi)達到最佳效果。我們將專業(yè)培養(yǎng)標準、教育實現(xiàn)方式和課程教學(xué)實施效果相關(guān)聯(lián)，建立了一整套全新的基于畢業(yè)要求能力指標的實現(xiàn)矩陣和考評標準，實踐表明，這種以能力指標達成度進行課程評價的模式真實、準確、可操作性強，符合工程教育專業(yè)認證的要求[10]。
六、課程改革教學(xué)效果評價
自2015年6月至今，本課程教學(xué)新模式已在自動化、通信工程、計算機等3個卓越工程師試點專業(yè)的5個年級、40個班級進行了實施，效果良好。根據(jù)不同的課程目標達成度數(shù)據(jù)分析，實施該課程教學(xué)新模式的專業(yè)在電子工程設(shè)計能力方面遠遠超過了沒有實施該課程教學(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，團隊合作精神、組織協(xié)調(diào)能力、報告撰寫能力得到了有效的提高，教師隊伍自身的工程素質(zhì)和能力也得到了鍛煉，同時還有效地促進了學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，也對課外科技活動以及考研、就業(yè)等提供了非常大的幫助。我校在自動化專業(yè)和計算機專業(yè)的工程教育專業(yè)認證中，得到了認證專家的高度認可，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。正是因為這良好的教學(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個專業(yè)的必修課程。學(xué)生在報告的收獲與體會部分普遍提到，在電子工程設(shè)計訓(xùn)練過程中，發(fā)現(xiàn)以前學(xué)的很多知識在動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)的知識本身，而是在獲取知識的過程中所學(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 藍波 單位：北京石油化工學(xué)院