基于OBE理念的创新实验室单片机培训改革探索

摘"要：针对某高校电工电子类创新实验室大部分成员单片机程序设计和硬件设计能力不足、学习目标不明确等问题，提出一种基于成果导向教育理念的单片机项目化培训改革方案，方案以成果为导向，采取项目驱动、夯实基础设计知识、注重项目特色、构建师生互评的评价体系的思路制定培训目标和持续改进递进式培训内容。经过四年的实践探索，培训改革取得良好效果，激发了学生的学习自主性，提升了学生的工程实践能力，锻炼了学生项目设计创新思维。关键词：单片机培训；OBE理念；创新实验室0"引言成果导向教育（OBE，Outcome-BasedEduca-tion）也称为能力导向教育、目标导向教育或需求导向教育[1]，是指教学设计和教学实施的导向是学生通过教育过程最后取得的学习成果。OBE理念强调学生取得什么样的成果，取得这些成果的缘由，如何有效帮助学生取得成果，如何了解学生是否取得成果。更深的一层内涵是要求先明确学习成果，采用多元弹性的个性化学习，学生通过学习过程完成自我实现的挑战，教师根据成果反馈改进教学设计[2]。在实施基于OBE理念的教学过程中，孙驷洲等[3]提出引入OBE理念，以提高学生学习兴趣和实践能力为目标，整合实践教学内容，调整教学模式，将项目化和递进教学模式贯穿单片机综合设计实践教学过程，激发学生的学习主动性，提升学生的工程实践能力；王佳等[4]提出以成果导向为目标，采取项目驱动、反向设计、正向实施的设计思路确定课程教学目标和教学内容，优化教学设计，持续改进课程考核方式；张欣[1]研究和设计了基于OBE理念的教师考核与学生自我评价相结合的实践课程评价体系，并通过实践验证了实践教学改革与课程评价体系的合理性和有效性。借鉴以上学者的改革模式，以某高校电工电子创新实验室为例，笔者提出基于OBE理念的单片机项目化培训改革方案。该方案以成果导向和“厚基础、重特色”为培训内容设计路线，以项目化开发为驱动，制定递进式培训目标和内容，以提高学生的学习主动性，培养其实践动手能力，锻炼其项目设计创新思维和工程问题分析与解决能力。1"单片机培训模式现状分析1.1"缺乏单片机开发板设计过程目前，大部分学生在单片机学习过程中购买市面上的51单片机学习板，并获取厂家提供的学习资料，以及结合Protues仿真软件对一些简单的功能模块进行调试。同时，在其后的一些项目开展过程中，学生设计的样机普遍采用“单片机开发板+各类功能模块+杜邦线”的连接方式进行组装调试。这就导致很多学生使用专用软件绘制项目样机PCB板和电子元器件焊接的能力比较弱，时常无法对样机进行小型化设计，难以进一步优化硬件电路设计。1.2"缺乏综合程序整合能力，程序编写混乱培训过程涉及单片机的基本概念、硬件结构、I/O口、中断定时器、串行口、PWM等知识点，但知识点之间相互独立。学生的学习过程仅限于对单一功能的验证，未能运用所学理论知识点进行延伸设计，未能对多个功能进行整合调试，以致他们无法了解单片机各个功能之间千丝万缕的关系，缺乏工程设计意识[5-6]。同时，学生在编写程序过程中对一些变量函数命名、程序注释和程序结构设置不够重视，从而导致程序编写混乱，自身和他人阅读程序比较吃力，移植和维护代码困难，反映其缺乏程序代码系统性设计思维。1.3"缺乏阅读原厂用户手册的经历以往的单片机教学或培训过程中，教师主要依据课本和PPT进行教学，但在实际的单片机开发过程中，所用的核心控制器型号和封装较多，功能也有所区别。一般的教材仅针对某一型号、某一封装的核心控制器所具备的功能和部分功能程序代码进行解析，而原厂提供的控制器用户手册是对某一系列核心控制器、各类技术参数、特性功能、寄存器、底层驱动函数代码的详细说明，覆盖面较广。只有学会阅读用户手册，才能更好地了解所用的核心控制器的各项功能，才能进一步加深自身对控制器功能程序代码设计的理解。1.4"缺乏有效的考核评价机制目前，创新实验室未制定具体的考核评价机制，在参加单片机培训过程中，学生能力的提升未能得到正式的认可和评价。同样，创新实验室的单片机培训、学术竞赛和项目研发过程未能及时收到学生给予的效果反馈。2"制定OBE理念的培训目标为培养基础宽厚、专业知识扎实、实践能力较强、具有一定解决实际问题能力和学术研究能力，符合经济社会发展需求的电气工程背景的电气电子类复合应用型人才[7]，笔者采用反向设计、正向实施的方法，以项目驱动、夯实基础设计知识、注重项目特色、构建师生互评的评价体系的思路制定培训目标和培训课程内容，从而完成以学生为中心的单片机培训改革[3]。基于OBE理念的培训改革目标如下。1）具备扎实的电工电子类基础知识：通过对电路、模拟电子技术和数字电子技术三门课程相关基础电路进行理论分析、软件仿真与焊接调试，巩固学生对理论知识的理解。2）掌握电路板绘制软件，熟悉电路板生产工艺和SMT焊接流程：熟练使用嘉立创EDA软件绘制项目样机电路板PCB，熟悉PCB设计图纸下单生产操作流程和生产工艺要求、电子元器件SMT加工焊接流程。3）提高以单片机为核心的综合设计能力：能够根据项目任务需求制定软硬件设计方案，结合数模电和单片机设计知识，设计综合性控制装置或设备。4）扎实的项目开发报告书撰写能力：能够根据设计报告要求，在充分了解和理解项目任务、研究内容与样机功能等情况下，指导或参与项目开发报告撰写工作。3"制定基于OBE理念的培训改革措施3.1"夯实电工电子类基础知识通过录制电阻、电容、电感、二极管等基础元件的功能、特性参数讲解视频，三极管放大电路、MOS管开关电路、运算放大电路、全波整流、变压器等基础应用电路的工作原理和仿真教学讲解视频，采用线上自学、线下验证的方式对学生的电工电子基础知识进行巩固。其中积分运算电路仿真如图1所示，通过仿真画面能够实时观察到电路中各点电压、电流和波形的变化，使得学生更容易理解知识点。3.2"培养单片机硬件设计能力以STC8H4K64S4单片机为核心，集成程序烧写模块、电子时钟、触摸识别、独立机械按键识别以及引出单片机所有I/O口，作为单片机程序调试和功能验证的最小系统开发平台。该平台3D渲染如图2所示，单片机采用LQFP-32封装，发光二极管、电阻、电容均为0805封装，另有SOP-8和SOP-16封装的电子元器件。采用表贴片封装电子元器件，有助于核心开发平台小型化和美观化，同时为锻炼学生焊接能力埋下伏笔。所有参与培训的学生均需通过嘉立创EDA软件绘制单片机最小系统开发平台的原理图和PCB，并外发生产。同时，学生还需焊接开发平台所有元器件，焊接过程不仅能加强学生对常规电子元器件的识别能力，还能锻炼学生焊接的动手能力、解决焊接问题的能力，培养学生的耐心和细心。3.3"提高学生阅读原厂用户手册能力采用由易到难的递进式培训方式，培训授课内容先以课本、PPT和仿真为主，阅读芯片原厂用户手册为辅，主要通过直观化、形象化和通俗化的方式对授课内容进行讲解，以便学生更好地理解知识点。而后以学生阅读芯片原厂用户手册、实物硬件调试验证为主，教师利用PPT讲解重点与难点为辅，更专业和严谨地对知识点进行讲解，促使学生逐渐形成专业和严谨的学术研究思维。3.4"底层驱动函数规范化采用功能描述的方式对变量名和函数进行命名，即以英文词汇为主，短命名时以完整的英文词汇组成，长命名时以英文词汇前三个字母或简写为主，且首字母为大写。函数之间必须采用“高内聚、低耦合”的方式，程序块采用缩进四空格风格进行缩写，相对独立的程序块之间、变量说明之后必须有空行。程序代码有效注释量必须在50%以上，注释内容要清楚明了、含义准确。函数前面必须给出足够且精练的功能和例子说明。其中流水灯驱动函数程序代码如图3所示。3.5"制定单片机培训课程内容结合电气行业的需求，以培养工程应用型人才为目标，以电工电子类学科知识为基础，结合物联网技术、远程云平台管理系统技术、3D打印技术、电气设备运行技术等多学科知识，以研发应用于电气行业的特色装置或设备为目的，制定递进式单片机培训课程内容，具体内容如表1所示。4"制定考核反馈方式OBE理念强调学生取得怎样的成果。在单片机培训过程中，要考虑如何通过多元化弹性的方式着重培养学生的学习能力，引导学生获得多样化的学习成果。采用精细化的考核方式、递进式的项目化培训方式[8-9]，根据项目难度级别、设计过程、设计成果、项目报告内容撰写、答辩等综合评定学生的能力[10]，通过项目进度记录表反馈和分析学生学习情况。以项目为单位，考核内容与分值如表2所示，项目研发进度记录如表3所示。总评成绩采用“优（≥90分）”“良（80～89分）”“中（70～79分）”“及格（60～69分）”和“不及格（＜60分）”五级核定。5"改革成果自2019年逐步实施单片机培训改革以来，创新实验室学生的电工电子类基础知识和综合设计能力得到提升。其中围绕电气类设计的作品，如“一种新型无功补偿控制器”“一种网络型单相智能电表”“电能质量管理系统”，分别获得全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛二等奖、首届RISC-VMCU创新应用邀请赛一等奖、全国大学生节能减排竞赛