基于OBE理念的翻转课堂教学模式的构建——以“微机原理与接口技术”课程为例.pdf

2023年/第8期 物联网技术人才培养Vocational Education1590 引 言成果导向教育（Outcome-based Education,OBE）理念是在“新工科”背景下，产业急需工科人才，原有的面授式教学方法也无法满足产业对于人才的需求，故提出了“以学生为中心，成果导向、持续改进”教学改革思路。OBE 教学改革的关键在于“反向设计、正向实施”，对于每门课程的教学设计，要求从知识、能力和素质三维目标出发，进行反向设计。因此，教师在教学设计时应该围绕“教学目标实现学习成果评价学习成果”三个维度开展1。然而，在传统教育以教材为导向的情况下，课程教学设计变成了以教材为主，教师围绕教材进行讲授，考核内容也主要是以教材的内容为主，严重阻碍 OBE 教学改革模式在课堂教学中的实施。如何进行以成果导向的课程教学设计，可从课程教学设计的逻辑起点、课程教学目标设计、课程教学实施和课程教学评价等方面进行设计2。针对“微机原理与接口技术”课程实践性很强的课程特点，本课程教学设计以 OBE 教学理念为导向，结合翻转课堂教学模式，采用项目驱动教学方式将理论知识与实践技能进行融合，通过实际项目的开展，不仅可以加深学生对枯燥的理论知识的理解，激发学生学习“微机原理与接口技术”课程的兴趣，课下学生还能通过“学习通”等平台进行自主学习，通过企业微信工具和老师进行互动，真正做到“知其所以然”，为学生的探究性学习提供了便利条件3-8。1 OBE 理念的“微机原理与接口技术”教学设计1.1 本课程教学目标课程教学目标的设计原则是：毕业要求（指标点）决定课程教学目标，课程教学目标必须支撑毕业要求（指标点）的达成。东莞城市学院智能制造学院物联网工程专业人才培养方案明确规定了毕业生应该达到的毕业要求，分别从知识、能力、素质三个方面对物联网工程专业学生提出了需要达到的指标点，这三者之间的关系是由浅入深、层层递进的关系。为了更好地支撑毕业要求，东莞城市学院根据 OBE 理念重新对本课程教学大纲进行了修订，对课程目标做了分层设计并分配了权重，如表 1 为该课程教学目标与专业毕业要求（指标点）的对应关系及各教学目标的所占权重。通过明确设计课程教学目标，“微机原理与接口技术”课程的教学任务更加具体、目标性更强，真正做到以成果为导向进行教学 设计。为了顺利达成课程教学目标，需对“微机原理与接口技术”课程内容进行梳理，如图 1 所示为“微机原理与接口技术”课程知识结构的简易思维导图，学生通过浏览该思维导图预先建立整个课程的知识框架。基于 OBE 理念的翻转课堂教学模式的构建以“微机原理与接口技术”课程为例胡纯意1，李建辉1，胡纯蓉2，蒋文美1，李泽明3（1.东莞城市学院，广东 东莞 523419；2.湖南工业大学，湖南 株洲 412007；3.深圳技师学院，广东 深圳 518116）摘 要：以“微机原理与接口技术”课程为例，通过基于成果导向教育（OBE）理念并结合翻转课堂教学模式的构建，层层梳理课程目标与教学设计之间的逻辑关系，依托教学平台，优化教学内容，以项目驱动模式组织教学，引导学生以自主学习、合作学习、探究学习的方式开展线上和线下学习，构建可持续改进的过程考核评价体系，保证教学过程的良性循环。关键词：成果导向教育（OBE）；翻转课堂；微机原理与接口技术；课程目标；项目驱动模式；过程考核评价体系中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）08-0159-04收稿日期：2022-09-21 修回日期：2022-10-31基金项目：东莞城市学院校级教改项目（2021xjjg208）：基于OBE的微机原理与接口技术教学改革和实践；广东省2020年特色创新项目（2020KTSCX199）；广东省教改项目：基于创新创业教育的电类专业实践教学研究与实践DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.08.044物联网技术 2023年/第8期 人才培养Vocational Education160表 1“微机原理与接口技术”课程教学目标与指标点的关联关系目标序号“微机原理与接口技术”课程教学目标权 重支撑人才培养规格指标点目标 1知识目标能够熟练单片机系统的基本原理，并通过文献研究分析单片机系统设计、开发等过程中的复杂问题，获得有效结论0.3能够基于数学、自然科学和工程科学基本原理，对物联网系统复杂工程问题进行分析、识别和推理目标 2能力目标掌握单片机的基本概念、基本理论及基本方法；掌握单片机设计开发所用到的硬件设计、软件开发等方面的基本技能；能够进行单片机系统硬件的设计、软件开发与应用0.5能够针对物联网复杂系统的设计方案，进行单元（模块）结构设计、开发、仿真分析、应用等目标 3素质目标了解单片机与嵌入式系统的发展趋势及前沿动态，能够开发、选择与使用恰当的现代工程工具和信息技术工具，持续提升自己0.2恰当使用现代软硬件工具解决复杂物联网工程问题，评估其准确性和局限性，并确认它们的结果图 1“微机原理与接口技术”课程思维导图通过参考图 1 的思维导图，可见 I/O 口控制应用、中断、定时器/计数器、串口通信、IC 通信等五个模块为本课程的重点内容，这五个重点模块的教学内容可采用项目教学方式进行，对于项目难度的设置要循序渐进。具体来讲，项目本身是对知识点综合运用的一个实际场景，如果一个教学项目所涉及的领域是学生不熟悉的，且该项目涉及的专业知识难度远远超过学生的能力水平，这样的项目会减少学生的学习兴趣，不利于知识点的学习和内化。故每个模块设计基础知识、应用、企业工程三种难度级数呈阶梯式递进的项目类型，见表 2 所列。不同项目类型服务于不同的教学目标。基础知识项目旨在帮助学生建立系统的、基于理论的工程基础知识和特定领域知识；教师运用基础知识项目的目标是促进学生构建自己的知识体系。应用型项目旨在促进学生将所学的理论知识用于工程设计与实践；教师运用应用型项目的目标是引导学生自主发现工程实践中的问题和设计解决方案。企业工程项目旨在帮助学生理解和评价工程实践对社会、经济、环境等方面的影响，教师运用企业工程项目的目标是激发学生根据企业的复杂环境来开展工程设计与实践。通过层层递进的项目化教学设计，可使学生循序渐进掌握本门课程知识，从而达到课程目标的要求。表 2 项目类型与课程目标的关联关系项目类型对应课程目标难度系数基础知识项目目标 1易应用型项目目标 2中企业工程项目目标 3难1.2 教学实施1.2.1 课程资源建设“微机原理与接口技术”课程授课内容多，授课课时有限，所以课程资源的建设是 OBE 理念的翻转课程教学改革质量保障的第一步。怎样才能在五花八门的在线课程资源中甄别挖掘出适合所授课程的教学资源，将网络上的教学资源与自建的教学资源进行有机融合，这需要教师具备火眼金睛、慧眼识珠的甄别能力。首先，针对教学班级进行学情分析，因“微机原理与接口技术”课程的前导课程为模拟电子技术、数字电子技术、C 语言程序设计，故可设计一套相关课程的综合测试试题进行线上摸底，根据测试结果有针对性地进行前导课程知识复习。其次，在每次课讲授前下发预习任务，将微课视频、PPT 课件、仿真结果图片及学习需要的其他文档资料等课程资源上传“超星学习通”；学生登录“超星学习通”网络资源完成课程的预习工作，同时将难点问题通过企业微信反馈给教师；上课前，教师对学生的理解程度已有整体把握，教师就可以有针对性地将重点内容进行强化，将难点进行详细讲解，保证在有限的课堂教学时间内，教师和学生能够顺畅的互动，也能够保证高效地完成教学任务。再次，作业可采用项目式作业方式，项目式作业一般来源于课堂教学的拓展，难度系数适中，以便于巩固课堂知识。最后，实验内容设计可以采用电赛模式进行，每个实验设置基础功能部分和拓展功能部分，所有学生必须完成基础功能部分，基础较好的学生可选择性完成拓展功能部分，引导、启发、鼓励学生大胆创新。针对实验报告出现撰写质量不高、内容存在雷同等现象，可在每次实验课中，针对实验报告撰写设置专题讨论环节，通过讨论定好实验报告的基本架构。1.2.2 课堂教学设计OBE 教育理念下的课程教学内容应紧紧围绕课程教学目标进行教学资源选择和整合，构建课程体系时贯彻以“以学生为中心、以成果为导向、持续改进”的总体原则，最终达到知识、能力、素质三维培养总目标。根据“微机原理与接口技术”课程的教学目标，对该课程的教学内容进行了梳理2023年/第8期 物联网技术人才培养Vocational Education161与组织，每个知识模块设计基础知识项目、应用项目、企业工程项目三种项目类型，以此构建了由简入难、逐步递进的教学体系。（1）设计基础知识项目，夯实基础，构建基础知识体系设计基础知识项目，引导学生自主完成项目任务，以此构建学生对本课程知识基础框架。故基础知识项目的设计应全面覆盖本课程核心知识，难易程度适中，易于理解。鉴于此，选择 11 个基础知识项目覆盖本课程的重点知识，见表 3所列。教师将授课内容做成提纲性 PPT，和教学视频一起提前发给学生，让学生自学；上课时每名同学根据自学情况讲解其中一个知识点，其他同学参与质疑和讨论；老师参与质疑和提问，并做适当引导。每个知识模块学完后，允许学生将便携式计算机和口袋开发板带到课堂，马上进行实践验证，然后再回头结合实践的结果理解书上的内容，遇到问题再查阅书籍和资料，达到巩固知识点的目的，比直接看书的效果要好过百倍。表 3 基础知识项目教学设计知识模块项目名称完成方式I/O 口控制应用流水灯设计、独立按键基础知识项目任务要求每位学生都完成，其中理论课集中完成 5 个，实验室完成 6 个中断按键控制 LED 亮灭、定时器控制灯闪烁定时器/计数器指示灯定时闪烁、计数器计数（数码管显示计数）串口通信串口通信实验（串口调试助手）、串口控制 LED 灯IC 通信A/D 采集、DAC 模数转换实验、电机驱动基础知识项目完成后，大体上能够串联起该课程的核心知识，能让学生带着问题进行主动探索，学生能体验到学有所用，成就感强，更能激发学生的学习主动性。（2）应用项目设计，体现活学活用新颖、实用的应用项目对提高单片机课程教学质量有重要作用。选择模块应用项目的原则：模块应用项目设计应紧密结合物联网应用需求。由于MSC-51 单片机没有涉及到无线通信部分，更没有涉及到无线组网的内容，故可在应用项目设计中增加无线通信部分的设计，这样更能体现嵌入式系统的物联网特征。如串行通信可以结合 ZigBee、WiFi、NB-IoT、LoRa、BLE 等物联网技术进行项目设计，不仅能够激发学生的学习兴趣，还能让学生更好理解嵌入式技术在物联网中扮演的重要角色。项目教学中注重新器件的使用。应用项目更多地使用一些新型、较先进的元器件，如 ESP8266、NB-IoT 模块、ZB 模块等。选用新型、较为新进的元器件能更好地让学生接触科技前沿，拓宽学生的知识面，提升学生对新器件的应用能力。表 4 列出了部分应用项目。表 4 应用型项目教学设计应用项目项目名称实验方式项目 1基于 51 开发板的ESP8266 模块 通信设计应用型项目可选择 3 个项目，其中课内集中完成 2 个，课外自主完成 1 个。项目可选此表所列出的项目，也可自主拟题项目 2基于 51 开发板的 蓝牙通信设计项目 3红外遥控实验学生可以 2 人一组组建项目团队，可按照选题-需求分析及可行性分析总体设计及元器件选型-硬件电路设计软件设计测试作品演示及答辩等阶段完成应用型项目。每个阶段需要按进度输出过程资料，每个阶段的过程资料需要进行评审，及时纠正，这样才能保证项目进度和质量。项目过程中教师可进行点评指导，帮助学生解决项目开发过程遇到的问题。小组成员之间，各小组之间，师生之间在项目实施过程中要及时沟通，共同推进项目的进行，最终完成作品设计，并在课堂上公开讲解自己的设计和演示作品，对工程应用注意事项进行总结，培养学生独立完成项目的能力、搜集和利用学习资源的能力、口头表达与交流的能力和质疑与批判性思维的能力等。1.2.3 课后巩固与提升（1）以项目案例形式布置平时作业有限的课堂教学远远不能满足深入学习的需要，故需布置一些平时作业，对课堂教学知识点进行巩固和提升，可选取表4中的12个项目自主完成设计。通过课后项目的训练，学生在巩固课堂知识和编写程序过程中，遇到问题可以通过网络资源查找解决方法，也可以直接在企业微信群内进行反馈，教师可以收集整理再集中解答。这样师生之间得到了更多的互动机会，有益于提高学生学习的积极性，最终取得较好的学习效果。（2）以企业工程项目布置拓展作业通过选取典型企业工程项目作为拓展作业，进一步扩展学生视野，加深知识的深度与广度，提高学生的综合技能。比如 I/O 模块的应用，可以参考立创 EDA 网站中的“基于STC89C52RC 的数码管控制电路制作”项目进行练习，该网站提供了丰富的项目资源，通过此类项目训练，学生不仅可以全面掌握项目需求分析、总体方案设计、硬件电路图及PCB 设计、软件流程图绘制、代码设计（注重代码模块化设物联网技术 2023年/第8期 人才培养Vocational Education162计）、Proteus 仿真、开发板调试单片机开发流程，而且还能激发学生根据真实的复杂环境（不同利益相关者需求的多样性、广泛/冲突的技术问题、影响重大、极难预测等）来开展工程设计与实践，帮助学生理解和评价工程实践对社会、经济、环境等方面的影响。2 教学成果评价项目任务驱动教学的教学方案的顺利实施必须辅以过程性考核，因此对原来单一的知识技能测评方式做如下改革：包括平时考核和期末考核两部分，平时考核成绩占 40%，期末考核成绩占60%。其中平时考核包括课堂表现及考勤（5%）、作业（应用项目+拓展项目）环节（15%）、实验项目环节（20%）；采用“自评+互评+师评”的多元化评价方式，即学生的自我评价、对他人项目的评价和教师的评价的多元化评价，主要评价学生的学习态度、个人在小组的贡献、项目完成质量等；期末考试采用闭卷考试形式进行，期末考试的题型主要是根据平时项目作业和实验的内容进行设计，从工程应用角度考核学生解决复杂工程问题的能力；同时为了能和毕业要求无缝对接，也可以适当挑选一些大公司对应岗位的笔试题作为考题。通过平时考核成绩和期末考核成绩的分析，可对课程目标达成度进行分析，有利于对课程教学的持续改进和优化。课程达成度分为分目标课程达成度和总目标课程达成度两种。分目标课程达成度=该课程目标学生实际平均分该课程目标额定分值 （1）总目标课程达成度=该课程学生总平均分该课程总评成绩额定分值 （2）根据专业认证要求，将分目标课程达成度和总目标课程达成度目标值都设置为 0.7。以东莞城市学院 20212022（1）学期，物联网工程专业 2019 级 3 班“微机原理与接口技术”课程成绩为例，分目标课程达成度和总目标课程达成度见 表 5 所列。从表 5 的数据可以看出，目标 3 的课程达成度为0.65，没有达到 0.7 的预期目标值，目标 2 的课程达成度仅仅只有 0.71。分析原因主要有两个：一是应用型项目完成难度较大，需要在应用型项目的教学设计和引导方面加大力度；二是单片机控制系统软、硬件设计能力是一种综合能力，不但要求学生学好理论知识，还要求学生将所学知识进行融会贯通，反复实践，才能真正掌握和提高系统设计能力。基于以上原因提出持续改进的方法：在完成项目的同时，多进行举一反三，融合贯通，注重工程经验总结，增强综合工程应用能力。表 5 物联网工程专业 2019 级 3 班“微机原理与接口技术”课程目标达成度分目标成绩目标 1（30 分）目标 2（50 分）目标 3（20 分）总目标（100 分）课堂表现及考勤成绩（100 分）28401583作业成绩（100 分）27411381实验成绩（100 分）28391279期末成绩（100 分）26221260分、总目标 达成度0.90.710.650.763 结 语以 OBE（成果导向）理念并结合翻转课堂的教学模式打破了传统的以教师为中心的教学模式，强调学生的主体地位，聚焦学生学习成果的达成情况，按照从反向设计的原则，营造恰当的学习情境，提供进阶的拓展机会促使学习成果的达成；同时采用项目驱动教学方式将理论知识与实践技能进行融合，不仅能很好激发学生学习“微机原理与接口技术”课程的兴趣，还能提高学生解决复杂工程问题的能力。注：本文通讯作者为胡纯蓉。参考文献1 李志义.对毕业要求及其制定的再认识：工程教育专业认证视角J.高等工程教育研究，2020，33（5）：1-10.2 李志义，王泽武.成果导向的课程教学设计 J.高教发展与评估，2021，37（3）：91-98.3 朱高峰.关于工程教育和一般教育问题的再思考 J.高等工程教育研究，2021，34（1）：1-9.4 林健.工程教育的信息化 J.高等工程教育研究，2022，35（1）：1-10.5 曹洪龙，胡剑凌，邵雷，等.“新工科”背景下“DSP 技术”课程教学改革与实践 J.实验技术与管理，2020，37（7）：173-175.6 刘杰，赵永强，刘晋钢.基于 OBE 理念的“C 程序设计”课程教学改革与探索 J.教育理论与实践，2022，42（3）：61-63.7 LIANG Xiaomei，DOU Wenmiao.Discussion and practice on teaching mode reform of single chip microcomputer principle and application course under OBE concept J.Journal of International education and developement，2022，6（2）：163-167.8 李婕，胡永涛，张士磊.OBE 理念下面向创新应用人才培养的“单片机”课程教学改革 J.创新创业理论研究与实践，2021，4（1）：15-17.9 朱静.基于 OBE 理念的中职商品摄影教学设计与应用研究 D.广州：广州大学，2022.10 刘鸿图.基于 OBE 理念的高中物理实验教学设计研究 D.哈尔滨：哈尔滨师范大学，2022.作者简介：胡纯意（1981），女，硕士，工程师，研究方向为物联网工程应用。胡纯蓉（1979），女，硕士，讲师，研究方向为人工智能、数据分析。