基于TOPCARES-OBE的物联网专业硬件编程能力培养.pdf

第 8 期2023 年 8 月 10 日计 算 机 教 育Computer Education中图分类号：G64220基于 TOPCARES-OBE 的物联网专业硬件编程能力培养曹 新，李缙栋，马 媛（大连东软信息学院 计算机学院，辽宁 大连 116023）摘要：针对物联网专业硬件编程能力较差的现状，分析教学改革要解决的 4 个重点问题，在TOPCARES 教育教学方法指导下，基于 OBE 成果导向和学生中心理念，以单片机和嵌入式微处理器课程为例，提出基于两门先修后续课程及项目的硬件编程能力联动培养模式，分别从思维模式培养、能力提升路径、学习资源建设和评价体系构建 4 个方面介绍具体教学实践，最后通过实践教学后的课程达成度对比说明联动培养模式的有效性，为其他工科专业课程改革提供借鉴。关键词：TOPCARES；OBE；硬件编程能力；联动培养；物联网文章编号：1672-5913(2023)08-0020-060引 言物联网应用技术专业是国家战略性新兴产业相关专业，以行业应用为背景，旨在培养物智能化、物接入网络和物联应用的技能型人才。其中物智能化是物联网综合应用系统的数据基础，学生通过认识硬件、熟悉硬件，从而运用硬件获取物端数据以及反控设备调节数据，为综合系统应用提供数据支撑。实践教学是教育过程中不可或缺的组成部分，是夯实教学质量、衔接人才培养与用人需求的关键环节，越来越受到教育管理机构、用人单位等各方重视。在面对大量物联网课程教学任务的情况下，物联网专业教学活动的开展，要加强教学资源整合，进行基础理论知识和应用实践的融合教育。1物联网专业硬件编程能力培养中应解决的重点教学问题1）优化硬件编程思维的培养方式。目前，物联网专业已开设单片机原理与应用、嵌入式微处理器原理与应用等核心硬件编程课程和集中实践训练项目，但是学生的学习效果没有达到预期值1。主要原因在于大多数学生未能掌握硬件与软件编程的本质差异，因此，优化学生硬件编程的思维模式是要突破的重点问题 之一。2）拓宽编程实践能力的提升路径。单片机和嵌入式微处理器均属于理论与实践相结合的课程，在培养学生硬件基础编程能力的同时，还要培养其工程问题的解决能力以及自我发现问题和解决问题的能力，因此拓宽能力培养的路径是此类课程面临的重点问题。3）加强学习活动和效果的保障机制。为推进以成果为导向、以学生为中心的混合式教学2-3，提升硬件编程能力，如何建立全方位、立体化的课程资源和实践资源，为学生的学习活动提供保障，是研究的另一重点问题。4）建立科学有效的评价体系。评价是教学重点也是难点，科学有效的评价体系是促进学生发展、保障教育教学质量和课程可持续发展的关键。建立多维度、层次化的评价基金项目：2021 年度辽宁省教育科学规划“十三五”项目“基于图像智能识别的学生课堂学习状态感知研究”（JG20DB037）。第一作者简介：曹新，女，教授，研究方向为车联网、物联网，。人才培养第 8 期21体系，实现评价的完整性、明确性、发展性和个性化，是教学改革的基础与保障。2基于TOPCARES-OBE的物联网专业硬件编程能力培养模式人才培养的最终目标是服务社会，因此研究思路首先是，基于国家、行业、产业对物联网应用技术专业人才的需求确定专业人才培养目标，自顶向下设置课程和项目目标；以硬件基础编程能力培养为主线，以目标为导向从设计层和实施层两个层面进行研究与实践；通过考核评价评估培养质量，并形成持续改进的良性循环。要达成物联网专业课程教学目标以及学生实践发展的目标，硬件编程能力的培养是重要环节之一。TOPCARES-OBE 是大连东软信息学院基于TOPCARES 教育方法学和工程教育专业认证核心理念，本土化形成的学校教育教学理念，并从中凝练了“目标导向、学生中心”的考核基本原则，以此指导学校各专业课程建立良性评价机制，促进学生发展与目标达成4。基于 TOPCARES-OBE的物联网专业硬件编程能力培养模式如图 1 所示。图 1 基于 TOPCARES-OBE 的物联网专业硬件编程能力培养模式设计层课程项目竞赛一体化设计立体化资源创新项目实践项目课程项目实践项目技能大赛教学日历TC教材FAQ视频 案例 题库课程/项目标准教案 学案 课件实验/项目指导书硬件/仿真平台考核评价改进有效实施硬件基础编程能力培养符合国家、社会、学生需求专业人才培养目标（TOPCARES知识/能力/素质）课程/项目目标（硬件编程能力/工程实践能力）利益相关者满意度能力培养质量跟踪调查与PDCA持续改进目标 导向效果 达成课前/中/后测试题实施层基于能力导向的多维评价体系评价主体多元化评价方式多样化评价周期阶段化硬件编程能力训练思维模式培养课程1思维模 式迁移构建基于实践理论衍生抽象的思维模式思维模式巩固课程2项目实践创新项目技能大赛工程实践能力训练3-职业道德教育1-知识技能培养2-思想政治教育设计层以课程项目为基础，从课内实践到课外实践进行一体化设计，从评价主体、评价方式和评价周期 3 个维度进行评价设计，为了保障学生的自主学习和柔性化学习，建设丰富的立体化学习资源；实施层基于先修后续课程的关联关系和硬件学习的相通性，设计符合课程特点的思维202322计 算 机 教 育Computer Education3.1构建基于实践理论衍生抽象的思维模式理论与实践相结合是学习的有效途径，但是传统的“先理论再实践”的教学模式在硬件系列课程学习中并未表现出较好的教学效果。改变常规教学模式，以实践效果刺激学生的视知觉，形成基于实践到理论、再衍生，最后抽象出核心问题的思维模式。1）思维模式培养。思维模式的培养过程如图 2 所示，具体实施过程是先从具体到抽象，再由抽象到具体。培养模式，结合项目实践和课外创新实践，通过递进式的培养实现实践能力的逐步提升。3基于TOPCARES-OBE的物联网专业硬件编程能力培养教学实践基于 TOPCARES-OBE 理念，以学生学习、学生发展和学习效果为中心，以课程综合项目和实践项目改革为突破口，实施课程/项目体系、资源建设、教学过程、学习评价一体化的课程教学改革，实现物联网专业学生硬件编程能力的培养。（1）从具体到抽象：以单片机课程为例，在学习第 1 种资源时，从案例演示入手，首先从视知觉进行感官刺激，通过好奇引发兴趣；通过程序阅读发现问题；针对问题查阅资料，了解问题背后的基本原理；实践强化、功能拓展，理论指导实践的同时加深对实践的理解；从实践中抽象出单片机程序对硬件资源的控制方式特殊功能寄存器 SFR 的应用，即与传统 C 语言程序的区别之处。例如，学习单片机的第 1 种内部资源输出端口时，先演示流水灯案例的运行效果，让学生自己动手操作实验板观察现象，对比 C 语言的程序运行效果，更能激发学生的兴趣；将单片机程序与 C 语言对比，发现语句的不同之处；查找课件和教材，理解 P0=0 xFE 此类语句的原理；然后修改程序做出更多的流水效果；最后让学生总结编程语言是如何控制单片机端口资源的，进而深入理解特殊功能寄存器的作用和使用 方法。（2）从抽象到具体：通过一种资源多个模块的思维训练，从抽象出的核心问题着手，反向迁移到下一种资源的学习中，加深对抽象问题的理解，以此类推扩展到其他资源的学习，进而固化思维模式。例如，学生从单片机输出端口学习中抽象出来特殊功能寄存器使用方法后，在学习后续内部资源（包括外部中断、定时器、串口）时，要时刻思考这些资源对应的特殊功能寄存器是什么、如何设置，从而深入理解硬件编程的核心思想，即资源对应的特殊功能寄存器的应用。2）思维模式迁移。国际著名当代教育技术理论家和教育心理图 2 硬件编程思维培养过程资源1（模块1、模块2）资源2资源N实践案例演示&分析问题抽象案例分析理论学习功能衍生问题抽象案例分析理论学习功能衍生IO端口特殊功能寄存器：问题抽象从左向右流水从右向左流水两边向中间流水花样流水灯功能衍生单片机IO端口：P0-P3端口地址：80H、90H、A0H、B0H理论学习抽象具体void main()P0-P3人才培养第 8 期23学家梅里尔教授一直倡导一种教学理论五星教学法，即聚焦问题、激活旧知、示证新知、应用新知、融会贯通5。大多数使用者一般将该方法应用在一门课程的教学中，而笔者将“激活旧知”和“示证新知”灵活应用到前后两门同性质课程中，将单片机（旧知）课程培养的思维模式迁移到嵌入式微处理器（新知）课程的学习中，进一步巩固学生对硬件资源控制方式的理解，并在课程实践中强化练习，以此提高学生对同类知识的深入理解与灵活应用。基于硬件学习的相通性，通过课程中资源学习的反向迁移以及课程间学习模式的正向迁移，正反双向训练，实现思维模式巩固的同时，让学生深刻理解并掌握硬件编程与软件编程的本质 区别。3.2重构融合硬件核心能力的项目体系以成果为导向，以课程项目和实践项目为载体，以专业培养目标为指导，进行课程和项目的一体化设计，实现学生的基础编程能力和工程实践能力的系统培养。1）知识更新。紧跟行业应用与市场需求，引入热门的模块和知识点，不断迭代更新硬件课程的应用体系 结构。2）案例驱动。学生学习主动性低的原因在于不能真正激发学习的内驱力，通过校企合作、竞赛项目、大创项目等多渠道持续挖掘真实项目，通过项目的构思、设计、实施、运行，将内容的有用性与学习的真实性相结合，以真实环境激发学生的内生 动力。3）综合能力。融合硬件基础编程能力、系统开发能力和工程实践能力，进行课程和实践项目重构，通过项目驱动的渐进式学习，实现多种能力的融合培养。针对 5、6、7 这 3 个学期的系列硬件课程，基于布鲁姆学习分类模型，重新界定项目级别与能力培养的对应关系，结合CDIO工程教育理念，基于 OBE“自顶向下”原则进行项目的一体化设计。教学过程以项目贯穿始终，为学生搭建学习“脚手架”、规避畏难心理。通过 3 个学期项目递进式完成，逐步推进学生发展区，实现高阶目标。对于课程项目和实践项目的选取，要求以行业应用为背景，结合“新理论、新技术、新产品、新工具、新应用”特征动态更新。课程与项目的一体化设计如图 3 所示。图 3 课程与项目的一体化设计单元组项目n单元组项目2单元组项目1单元项目1单元项目3单元项目7单元项目2课程项目TOPCARES&OBE五级项目8单元项目5单元项目6单元项目4单元项目n课程项目评价分析分析分析应用理解记忆应用理解记忆物联网工程项目训练蓝桥杯全国软件和信息技术大赛物联网工程项目训练大学生创新创业训练项目高级认知高级认知高级认知初级认知高级认知高级认知初级认知创造评价创造评价202324计 算 机 教 育Computer Education以第 5 学期单片机课程的综合项目“网络实验室智能温控系统”为例，该项目以学校网络实验室为背景，实施过程中结合课程内容将综合项目拆解为 4 个单元组项目，分别为系统本地设置与显示、系统时间维护、系统远程控制、温度采集与控制，每个单元组下对应 2 个以上的单元项目。在整个学期的授课过程中学生有着明确的学习目标，且每完成几个单元项目就可以实现 1 个单元组项目，通过 4 个单元组项目的逐步完成就可以实现课程综合项目。通过项目的递进式设计简化原有综合项目的难度，激发学生的学习兴趣，使其编程能力、工程能力得到提升的同时逐步达成高阶目标。第 6 学期是为期 4 周的实践学期。通过第 5学期硬件编程思维的培养与实践，学生已经具备了基本的操作能力。第 6 学期以小组合作的形式通过自拟题目完成新的综合项目，强化实践的同时培养团队合作能力和创新思维。第 7 学期升级为高级微处理器 STM32 的学习，同时以大学生创新创业项目和蓝桥杯单片机竞赛为课外拓展目标，增加挑战度并培养创新应用、工程实践等高阶能力。3.3基于学习规律建设立体化教学资源从物联网专业硬件培养和社会需求入手，突破传统的课程建设思路，结合专业建设人才培养思路与课程/实践项目体系设置方案，设计拥有自主知识产权的软硬件产品；基于预习、学习、巩固的学习认知规律，以知识技能点为中心、以知识模块为主线整合系列课程资源，联合计算机科学与技术专业、实验实训中心，共建适用于专业硬件能力培养的自主、开放、合法、创新的立体化教学资源，保障学生自主学习和柔性化学习。具体资源种类包括课程标准、课程导学、学案、教师视频、硬件平台、仿真软件、案例、各级项目及试题、参考资料等 20 种教学资源。3.4设计基于能力导向的多维评价策略现有评价机制中对学生能力的考核大多以口试或答辩的方式进行，且一般设置在终结性考核环节，缺少对能力提升的培养过程监控。笔者在实践的两门课程中以课程的预期学习效果为目标，实现从记忆到理解、应用、分析的全过程评价转变，形成一套适用于能力考核的多维度评价方案。基于能力导向和认知规律，课程从 3 个维度进行考核设计。评价方式多样化：以自主学习和合作学习为抓手，设置自主测试、实践操作、实践讲解视频、调研报告、合作学习报告、课程项目、试卷测试等方式。评价主体多元化：在形成性评价中除了教师外，将学生纳入评价主体，施行个人自评、组间互评、同伴互评，通过互评开阔学生的学习思路，提高教学参与度和学习积极性。评价周期阶段化：在课前测试和随堂测试的基础上增加阶段测试，通过阶段测试帮助学生及时发现问题，教师提供帮扶方案，学生适时调整学习策略、及时补救。基于信息化平台，量化指标评价机制，从而精准掌控学生能力达成度；及时反馈学生阶段性考核结果，使学生直观感受个人成长，激发自信心和进取心，逐步构建起正向反馈机制。根据学习金字塔最终形成“学、测、做、讲、教”的进阶式评价6，提升学生的学习效果，实现从低阶能力到高阶能力的推进。4教学成效单片机课程与嵌入式微处理器课程因课程性质相似，因此设计了相同的课程目标点。通过硬件编程能力联动培养的改革实践，近 2 个学期课程目标的达成度统计情况如图 4 所示。因为两门课程分别设置在第 5 学期和第 7 学期，在第 5 学期结束后表现出的问题在第 7 学期中及时进行针对性调整，因此课程目标中的方案设计和团队合作的达成度整体呈现上升趋势，说明了联动培养的成效。除了学生学习成效之外，课程组在教学资源、教研成果、实践成果等方面也有收获。基于自主研发的适用于 51 单片机和 STM32 微处理器的综合实验箱，建设了完备的立体化混合教学资源，出版基于 CDIO 理念的新形态教材 2 部，实验案例在鼎阳杯教学案例设计竞赛中获奖。学生学习主动性和积极性明显提高，自主学习的习惯已初步养成。通过实践强化与讲解，学生的实践能力得到提升，综合运用知识的能力和创新能力人才培养第 8 期25参考文献：1 赵炬明.关注学习效果:美国大学课程教学评价方法述评美国“以学生为中心”的本科教学改革研究之六J.高等工程教育研究,2019(6):9-23.2 李志义,朱泓,刘志军,等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革J.高等工程教育研究,2014(2):29-34,70.3 初红艳,程强,昝涛,等.基于成果导向与学生中心的教学设计及学习效果评价J.教育教学论坛,2018(25):1-5.4 李薇.基于TOPCARES预期学习效果的课程形成性考核设计与实施J.中国教育信息化(高教高职),2021(6):93-96.5 个人图书馆.基于五星教学原理的教学模型EB/OL.(2018-07-06)2022-10-27.http:/ 曹新.基于OBE-SC的单片机课程混合式教学改革J.计算机教育,2022(1):106-110.（编辑：赵 原）有很大提高，在各类物联网/嵌入式硬件相关竞赛、大学生创新项目、知识产权等方面硕果累累。物联网专业二、三年级学生总数约 290 人，近 3 年参与实践项目及成果数据见表 1。图 4 单片机与嵌入式微处理器近 2 个学期课程目标达成度对比0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00工程技术创新精神方案设计社会功德团队合作2019级2020级（a）单片机课程目标达成度统计0.000.100.200.300.400.500.600.700.80工程技术创新精神方案设计社会功德团队合作2019级2020级（b）嵌入式微处理器课程目标达成度统计5结 语以物联网专业对硬件人才需求为导向，将目标分解到课程线和关联的项目线，课程线重点培养学生的嵌入式编程思维和基础编程能力，项目线重点培养学生的系统开发能力、工程实践能力等综合应用能力；同时，能力的培养是基于课程表 1 学生实践成果统计年度学生竞赛获奖大学生创新创业校级立项软件著作权专利国家级/项省级/项参与人数国家级/项省级/项校级/项参与人数数量/项参与人数数量/项参与人数2021421631013910551638920205726554312040495132019314434427681224412和项目的一体化设计，难度逐级递增，增强学生学习信心的同时实现能力的螺旋式上升。改革的目的是为了提升教学质量，评价机制是校验学习效果的重要保障。下一步将动态跟踪联动培养的成效，持续改进教学设计和评价方案，使学生在硬件编程方面打下坚实的基础，保障后续物联网综合应用系统开发的学习。