基于学习产出的电子系统设计综合实践课程教改研究

陈婷婷 修丽梅 陈晓丹

摘 要：本文在分析电子系统设计课程重要性的基础上，提出了一种基于教学产出（OBE）教育模式的教学改革方案。该方案将传统教学模式与开放式教学相结合，教学过程与学科竞赛相结合，丰富完善了成果评价机制，并提供了学习活动与学科竞赛相结合的具体方案，实现了电子系统设计课程以成果为导向的教学方法、执行过程和考核方式改革。

关键词：学习产出；
开放实验；
学科竞赛；
考核方式

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.12.085

电子系统设计是工科电子通信类本科教学中一门重要的综合技术应用型实践课程，该课程在讲授现代电子系统设计的设计方法及基本流程和电子系统设计自动化概念及EDA仿真工具的基础上，引导学生进行具有一定复合功能的电子系统设计。开设电子系统设计课程的目的在于提高学生的电子工程设计素养，培养学生的电子工程应用、设计、创新能力，引导学生顺利地由书本走向工程实践，更好地适应市场对相关专业人才的需求，对学生工程实践能力和创新能力的培养具有重要意义。

电子系统设计课程综合性强，要求学生以电子技术基础类课程、单片机类课程为知识基础，以基本编程语言、电子设计相关EDA辅助工具为技术支撑，熟练掌握基本电子测量工具和电子系统设计调试流程，对学生的专业知识和综合应用能力有极高的要求。因此，为了达到预期的教学效果，电子系统设计课程的教学过程设计就显得尤为重要。

1 基于学习产出的电子系统设计课程设计框架

基于学习产出的教育模式（Outcomes-based Education，OBE），也被称为成果导向教育，是由美国著名学者Spady提出的高等教育改革理念，是以预期学习产出为中心来组织、实施和评价教育的结构模式。OBE理念的三个核心要素分别为以学生为中心、以成果为导向和针对学习成果持续改进。其中，以学生为中心是宗旨，成果导向是要求，持续改进是机制。这与工程教育认证的基本要求不谋而合，对电子系统设计这类综合实践课程的教学过程设计有十分重要的指导意义。

电子系统设计课程应满足的毕业要求包括工程知识、设计/开发解决方案、使用当代工具等技术因素和个人与团队、项目管理等非技术因素。因此，基于OBE的电子系统设计课程的教学过程设计应该以上述毕业要求为出发点，将逆向设计与正向实施相结合，从教学内容设置、学习活动设计、学习效果评价等方面开展研究，充分体现以学生为中心和以成果为导向的教育理念，实现教学效果最优化。基于OBE的电子系统设计课程教学过程设计框架如图1所示。

图1 课程教学过程设计框架

如图1所示，在电子系统设计课程的教学过程中，为了充分体现OBE教学理念，并与工程教育认证的基本要求相契合，课程的教学改革研究主要立足以下几方面进行开展。

（1）层次化、内驱式教学内容设计。将教学内容与工程实际相结合，设计有难度区分度的实践案例应用于日常教学，并将教学内容与课内学科竞赛相结合，充分调动学生的积极性。

（2）多元化、复合式教学活动组织。采用混合式教学模式，结合实验室开放和口袋实验平台，打破硬件类实践课程受场地限制的壁垒，充分激发学生的创新能力。

（3）多角度、全过程成果评价机制构建。教学过程设置考核节点，以项目管理的形式综合评定各组学生中期检查、结题答辩、设计效果演示和文档撰写的质量，并引入学生自评、互评环节，以达到更全面、合理、公平地对学生进行学习效果评估的目的。

2 层次化、内驱式教学内容设计

电子系统设计课程目前普遍采用项目式的教学内容设计，但仍然存在课题内容与工程实践脱节、系统功能单一、缺乏任务层次和难度差异等问题，又因为激励机制不强，容易导致学生主观能动性差、人云亦云的学习状态。本文提倡通过层次化、内驱式的教学内容设计和与课程有机结合的学科竞赛设计充分调动学生的学习积极性，改变学习现状。

2.1 层次化设置教学内容

电子系统设计课程的教学内容是具有一定功能的特定硬件系统开发全过程，包括硬件电路的设计、硬件电路的制作调试、软件应用程序的编写调试、软硬件联调等4大部分。在进行具体教学内容设计时，应该在确定项目应实现的基本功能基础上，增设若干扩展或附加功能对教学内容进行扩充，以半开放式的教学内容设计吸引学生、调动学生。

以“步进电机精密控制系统设计”项目为例。该项目的基本要求为：完成系统器件选型和电路设计，绘制系统电路原理图和PCB版图，完成硬件电路制作与调试，通过编程实现单片机对步进电机的全步正转、反转控制。该项目的扩展要求为：（1）在基本功能基础上实现通过单片机队步进电机1/2细分正转、反转控制；
（2）在细分控制基础上实现步进电机转速计算并显示功能；
（3）在计算显示功能基础上实现通过红外遥控的形式对步进电机进行动控制。在规定时间内完成基本要求可以获得及格成绩，在此基础上，每完成一项扩展要求成绩即可获得递增。学生如果有额外的个性化设计还可以获得更多加分。

考虑不同层次学生的学习需求，以学生为中心设计教学内容，既能保证大多数学生完成基本设计取得学分，又能为头部学生提供更大的发挥空间，有利于激发学生的主观能动性，培养创新意识。

2.2 学科竞赛机制提升内驱力

除了层次化设置课程的设计任务外，基于电子系统设计课程对知识和技能有深度和广度要求的特点，将教学过程与学科竞赛相结合也是有效提升学生内驱力，达成更好学习效果的途径。

由于电子系统设计属于综合设计实践类课程，可直接以课程规定的项目设计任务为学科竞赛题目，以学生完成课题项目的分组为参赛单元，在课程结课时提交课程设计作业为竞赛作品，由教师和学生共同组成评审团队，根据各学生组的电路设计、系统功能开发、系统演示及现场答辩情况给出评定成绩，并按照评定成绩排序授奖。具体实施办法可参考如下：

（1）评审团队由每个学生竞赛组的一名学生和课程组全部教师构成，其中，教师团队给出的平均成绩占总评成绩的70%，学生代表给出的平均成绩占总评成绩的30%；

（2）以硬件电路和软件应用程序设计（对所学知识的掌握程度、自主设计程度）、现场演示效果（完成功能数量、精度、错误率）和答辩情况（答辩PPT的绘制、课题讲解的清晰程度、回答问题情况）3项内容为评审标准，3项所占比重分别为30％、40％和30％；

（3）名次评定以班为单位，每班一、二、三等奖各一组，条件允许的情况下可以给予获奖团队一定的物质奖励。

3 多元化、复合式教学活动组织

“互联网+”技术的发展，改变了传统的知识传授和获取的模式，原来的以教师教授为中心转变成了以学生自主学习为主、教师引导辅助的形式。在知识大爆炸的时代，学生可以通过网络获取丰富的高质量学习资源，在这样的大背景下，电子系统设计课程只有从传统教学模式转变为线上线下融合的混合式教学模式，才能将实验室内有限的课堂时间实现利用率最大化。即项目资料、基本测量仪器操作方法、考核要求等内容都以电子文档或视频的形式设置于线上教学环节，绘图、仿真等只依靠计算机就可完成的学习任务也不过多占用实验室的线下教学时间，线下教学环节的时间主要用于学生进行系统测试、电路制作、软硬件联调等工作。

此外，电子系统设计属于综合实践类课程，教学过程以教师引导为辅、学生实操为主。由于课程包含硬件电路设计部分的项目任务，教学实施过程需要实验室的硬件设备作支撑，课程的教学过程无法完全打破场地限制的壁垒。因此，充分利用开放实验室的管理机制，采用集中教学与开放式教学相结合的教学活动组织形式，可以将教师和学生从课程设计集中教学周期中解放出来，让学生可以充分利用自己的碎片时间，循序渐进地完成项目任务。还可以选择新兴的口袋实验平台，结合基于计算机的虚拟仪器，将硬件调试环节带出实验室。

以采用传统的集中教学形式，为期2周的电子系统设计课程为例，如果将集中教学与开放式教学相结合，可参考如下实施方案。

（1）课程开课初期安排一至两次集中教学（建议4～6学时），以供教师与学生充分讨论项目设计方案、实施方法可行性等。

（2）在规定时间内（建议6～8周），学生根据本小组的实际情况自行安排时间推进项目，要求在此期间每位学生在实验室进行项目开发的次数不少于5次，累计学时不少于20学时，学生上机次数和时间进行考勤统计，上机次数和累计学时少于规定视为不及格。

（3）在组织开放式教学活动的过程中，教师每周固定时间在实验室安排集中答疑1次，学生可以根据自己项目的实际进展情况选择是否参加集中答疑。

（4）课程进行过程中和课程结束时，安排两次集中教学，以小组现场展示及答辩形式组织中期检查和结题答辩。

4 多角度、全过程成果评价机制构建

仅依靠课程项目最终呈现的演示效果和设计报告对学生的学习效果进行成绩评定不能准确反应学生在学习过程中的精力投入和技术能力，只有从任课教师、学生自身、竞争对手等多角度出发，针对课程开展全过程考核，合理设置考核方式，才能公正、客观地完成成果评价，并有效激发学生学习热情、提高学习质量。

电子系统设计课程的设计和实验环节是以分组形式进行的，如果仍然按照传统方式，在集中答辩环节或者实验考核现场主要依赖指导教师的主观评价，公正性难以把控。为了更加真实客观地评奖学生的学习效果，应该采取更多视角，增加不同身份的人员参与成果评价。例如，为了客观评价学生在中期检查和结题答辩过程中的表现，可以在这两个节点设置学生评委，增设同行打分环节。还可以在分组设计和实验过程中，安排同组学生从多个维度，根据自己的设计和实验表现进行自我评价，并通过学生的自评记录获得电子系统设计课程持续改进的数据信息。学生的自评记录可参考表1进行设计。

此外，为了配合在教学过程中穿插的学科竞赛和开放式的教学设置，在考虑学生上机次数时长和设计报告质量的基础上，应根据项目内容设置多个考查节点，对学生的学习情况进行过程性考核。具体的过程考查节点应该包括电路仿真结果演示、电路原理图/PCB版图设计效果、硬件电路焊接质量及调试结果、整机功能演示、中期检查和结课答辩6部分。

5 结论

电子系统设计类综合设计实践教学课程在学生能力培养和综合素质提高方面具有不可替代的作用，为学生基本工程师素养和科学工作作风的形成奠定了基础。本文所提出的基于学习产出（OBE）的电子系统设计课程教学改革新模式，从教学内容、学习活动、成果评价3方面进行了以学生为中心、以成果为导向、适应工程教育认证的课程教学设计研究，并在付诸实践后取得了良好的教学效果。

参考文献

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