基于OBE理念的电子工程设计课程改革
张晓燕 张路纲 蓝波
[摘 要]基于OBE理念的教育教学模式改革对于促进毕业要求的达成，优化课程体系，完善教学设计，改进教学方法，提高教学效果，有着显著的促进作用。基于OBE理念，电子工程设计课程强化了工程性、系统性、应用性以及非技术因素能力等，使学生在设计方案选择、单元电路设计、元件筛选、焊接制作、程序设计、系统联调、报告撰写、答辩、团队合作、项目管理等各个方面得到必要的锻炼。依据训练内容和专业培养计划，我们将课程分为两部分实施，分别是电子工程设计（I）及电子工程设计（II）。五年的实施情况表明，课程改革达成了预期的目标，得到了教育部工程教育认证专家以及本科教学审核评估专家的认可。
[关键词]OBE;電子工程设计;教学改革
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）05-0076-03
OBE理念强调学生“学会了什么”而不是“老师教了什么”，该理念在工程教育领域中获得了广泛的认同，美国工程教育认证协会（ABET）就以OBE理论指导开展工程教育认证工作。其主要原因在于OBE理念与工程应用型人才培养要求在很多方面是不谋而合的[1-2]。是否具备可持续和有竞争力的工程能力素质，是衡量学生是否达到毕业要求的一个重要标准。这些年，北京石油化工学院（以下简称我校）大力开展基于“OBE”和“以学生为中心”理念的教育教学改革，在国内普通理工科高校工程教育专业认证领域取得了比较突出的成绩[3]。
一、电子工程设计课程教学目标及教学任务
（一）课程教学目标
电子工程设计课程面向我校电气信息类多个专业开设，共性教学目标分为三个方面。
知识方面：融合已经学过的电路知识和电子知识，掌握项目实施过程中与实际工程相关的知识。
能力方面：培养学生分析解决问题的能力，初步具备设计、制作、调试、测试电子系统的能力，实际动手的能力，信息资料的获取能力，自主学习的能力，文本撰写能力，以及利用实验仪器和计算机辅助设计软件、成本效益分析评估方案的能力[4-5]。
素质方面：具有良好沟通交流能力、团队合作意识，以及小型电子系统设计的工程理论素质。
每个专业的毕业要求分别对应有差异性的教学目标。以自动化专业为例，2015年，我校根据工程教育专业认证标准制订了“面向生产一线的自动化系统工程师”的12项毕业要求，电子工程设计课程支撑了9项二级指标及其下面的22项三级指标，权重系数达到了1.5，如表1所示。
（二）课程教学任务
本课程要完成一个小型温度测量控制系统的设计、制作、调试等全过程。根据训练内容和专业培养计划分为两部分。其中，电子工程设计（I）的主要任务是单元模块的设计及仿真、印制电路板设计、焊装工艺训练、单元电路制作与调试、电路故障的排查解决等。电子工程设计（II）在电子工程设计（I）的基础上更侧重于软件编程及软硬件混合环境下的电路调试。完整的系统架构如图1所示。
二、电子工程设计课程教学设计
基于OBE理念明确课程教学目标及教学要点，反向设计课程教学环节和教学方法，依据教学效果持续改进课程教学。
（一）明确教学要点
1.了解产品研发的一般过程和基本方法。使学生知道解决工程问题的切入点在哪里，解决问题都需要哪些环节，每一个环节应该如何开展工作，具备工程实施过程掌控能力。
2.培养工程实现的基本技能。使学生具备实现设计目标的基本能力，为更彻底、更高效地解决复杂工程问题奠定基础。
3.培养运用所学知识分析、解决实际工程问题的能力。通过工程经验的积累，丰富学生的工程思维，使学生在面对复杂工程问题时能够有自己科学、严谨的思考，拿出完整、可行的解决方案。
4.培养自主学习能力。通过探究性学习过程，使学生增强自主学习的意识，提高自主学习的能力，为个人知识结构的不断完善创造条件。
（二）合理安排实训内容
训练由易到难、由简到繁，我们根据相关课程的教学运行安排将其分为两个训练阶段。第一阶段的主要内容包括工程项目基本概念、电子工艺基础知识、电路板绘制、焊接技能、前向通道单元电路设计制作等;第二阶段的主要内容包括常用电子仿真软件学习、嵌入式开发环境学习、后向通道单元电路设计制作、系统调试等。学生逐一完成电路的设计、焊接、调试，并替换教学模板中相应的单元，保证系统仍能正常运行，直到替换完全部系统。
（三）严格考核任务完成情况
对于每一项任务，都有明确的设计要求，严格把关，确保实训项目的进度。针对直流稳压电源模块，确定电源电路的方案及明确所定电路各个组成元件的作用;针对信号调理模块，强化传感器的选择以及调理电路的设计;针对模数转换模块，可选传统AD集成电路器件或由软件编程实现（对应TI MSP430）;针对数模模块，需考虑前后级指标的要求;针对显示单元模块，可选择数码管、字符型LCD或OLED。每一单元进行电路设计后，可以组织学生按组评讲方案，使学生在了解不同实现方案的同时拓宽知识面。仿真及焊接制作、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，标定误差[6-9]。
三、课程实施环节
开课之初即在任务书中明确本课程应达到的能力目标，以及为实现这些能力目标所采用的教学方式及考核评价标准，使学生心中有数，做到每天有任务、有训练、有思考、有总结。课程教学全程在实验室进行，参考项目管理的模式组建团队，两人一组，分工协作，依据各阶段任务完成的情况以及成员的角色执行情况给出小组成绩和个人成绩。
第一学期完成测温系统（包括直流稳压电源模块、信号调理模块、A/D转换模块、控制模块、显示模块、测温程序等）实验，第二学期完成控温系统（D/A转换模块、按键模块、驱动模块、控温程序）实验。
单元电路模块的设计与制作中要求学生根据设计方案，自行完成单元电路设计，完成焊接。基于C语言的单片机调试环境进行练习时，要求学生能熟练掌握调试环境的安装、设置。编写基于C语言的调试程序时，要求学生能根据单元电路和系统电路的功能指标编写基于C语言的单片机程序。单元模块电路和系统电路调试指标要求学生能完成软硬件联调，满足各项设计要求。在数字显示形式上，有数码管、字符型LCD等形式或者使用OLED显示模块。单片机控制模块可以采用51单片机或者Msp430口袋机。
四、电子工程设计课程具体教学进程
（一）电子工程设计（I）教学进度安排
1.工程基本知识（2学时）。
2.电子元器件和工艺基本知识（2学时）。
3.电子系统的基本设计方法（2学时）。
4.Multisim仿真软件的训练（6学时）。
5.印刷电路板的制作和电路焊装技能训练（12学时）。
6.电源板、变送器、A/D单元电路的设计、答辩（12学时）。
7.单元电路硬件实现（36学时）。
8.系统统调、答辩（6学时）。
9.笔试（4学时）。
10.报告撰写及答辩（8学时）。
（二）电子工程设计（II）教学进度安排
1.D/A单元电路的设计、答辩（12学时）。
2.D/A单元电路硬件实现（36学时）。
3.Keil和IAR开发调试环境训练（2学时）。
4.基于C语言的单片机基本操作训练（4学时）。
5.软硬件系统统调、答辩（24学时）。
6.笔试（4学时）。
7.报告撰写及答辩（8学时）。
（三）考核及评分标准
总成绩采用百分制，针对每个考核环节，制订以相关教学要点实现程度为目标的考核评分标准。
1.考核环节
常用电子仪器设备及仿真软件的使用（10%）、软硬件验收（60%）、答辩 （10%）、报告撰写（10%）、团队合作及过程性考核（10%）。
2.评分标准
对每个考核环节，制订以课程目标实现程度为依据的考核评分标准。以电子工程设计（II）报告撰写为例，围绕单片机控制模块、键盘显示模块、D/A模块、电子系统联调步骤和方法、电子系统故障检测与排除、体会与思考、致谢等几个部分进行撰写。同时对每组报告严格评审并给分，如表2所示。
五、课程改革的创新点
我们构建了以工程能力为导向、以实际应用为背景、以工程技术为主线的电子工程设计综合训练体系，通过将工程项目模块化，使所有学生都能够以近似于真实工程项目开发的方式完成全过程，有效地培养了学生的工程能力素质，提高了他们的综合应用能力和实践创新能力。
我们基于OBE理念明确课程教学目标及教学要点，反向设计课程教学环节和教学方法，依据教学效果持续改进课程教学。我们对课程进行了针对性、精细化开发，使之能够体现实践能力培养过程中知识的完整性、系统性和连续性，知识与能力相结合、指导性教学和自主性学习相结合，使学生对知识不断地理解、应用、反思、再理解，在较短时间内达到最佳效果。
我们将专业培养标准、教育实现方式和课程教学实施效果相关联，建立了一整套全新的基于毕业要求能力指标的实现矩阵和考评标准，实践表明，这种以能力指标达成度进行课程评价的模式真实、准确、可操作性强，符合工程教育专业认证的要求[10]。
六、课程改革教学效果评价
自2015年6月至今，本课程教学新模式已在自动化、通信工程、计算机等3个卓越工程师试点专业的5个年级、40个班级进行了实施，效果良好。根据不同的课程目标达成度数据分析，实施该课程教学新模式的专业在电子工程设计能力方面远远超过了没有实施该课程教学新模式的专业，具体表现在学生的工程素养、自主学习能力得到较大提升，团队合作精神、组织协调能力、报告撰写能力得到了有效的提高，教师队伍自身的工程素质和能力也得到了锻炼，同时还有效地促进了学生对专业课程的学习，也对课外科技活动以及考研、就业等提供了非常大的帮助。我校在自动化专业和计算机专业的工程教育专业认证中，得到了认证专家的高度认可，课程教学改革的一些资料还被专家带回他们的学校做课程建设参考。正是因为这良好的教学效果，我校2018版新的培养方案将本课程作为信息工程学院全部7个专业的必修课程。
学生在报告的收获与体会部分普遍提到，在电子工程设计训练过程中，发现以前学的很多知识在动手操作的過程中都立体丰富了起来，解决问题的思路也由单一分析逐渐向系统分析转变。学生最大的收获并不仅仅是所学的知识本身，而是在获取知识的过程中所学到的分析问题和解决问题的方法，以及锻炼出来的那种无论什么时候都能够积极自信地直面问题、解决问题的态度。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 张霞，胡建元.基于OBE理念的人力资源管理专业实践教学体系设计[J].实验室研究与探索，2018（6）：227-231+263.
[2] 海莺.基于OBE模式的地方工科院校课程改革探析[J].当代教育理论与实践，2015（4）：37-39.
[3] 周春月，刘颖，张洪婷，等.基于产出导向OBE的阶梯式实践教学研究[J].实验室研究与探索，2016（11）：206-208+220.
[4] 王立国，翟玉文，艾学忠，等.开设“电子设计”课，构建和完善电类专业实践与创新能力培养体系[J].吉林化工学院报，2005（6）：9-11.
[5] 李悦. “任务驱动”教学法在电子技术课程教学中的应用研究[D].上海：华东师范大学，2016.
[6] 邓开连，刘浩，张永芳，等.电子设计竞赛培训系统构建的探索[J].实验室研究与探索，2016（8）：221-223+276.
[7] 司农，张印春，贾克斌，等.综合设计性工程训练课程考核方式的改革和探索：以“电子工程设计”课程为例[J].教育教学论坛，2015（17）：138-139.
[8] 伍刚.电子设计综合实训课程体系改革与实践[J].攀枝花学院学报，2014（4）：86-88.
[9] 孟祥霓，白霄丽，张强.电子设计综合实训教学体系的改革与实践[J].实验技术与管理，2011（2）：129-130+150.
[10] 蓝波，王志秀，徐文星. 电子工程设计综合课程改革与实践[J].实验室研究与探索，2015（5）：203-206.
[责任编辑：钟 岚]
