基于OBE模式的“电子工程设计”课程改革

晏 涌， 刘学君， 蓝 波 ， 周义明， 亢 勇

(1. 北京石油化工学院 信息工程学院， 北京 102617；2. 北京石油化工学院 安全工程学院， 北京 102617)

教育部2016年4月8日发布的《中国工程教育质量报告》显示，2014年，我国工程教育在校生规模占全国普通高校本、专科在校生总数的38.2%，规模位居世界第一[1]。同时《报告》表明，工科毕业生在专业知识、逻辑思维、工具使用、研究能力、职业道德等方面的表现得到企业充分肯定，但在前沿知识、创新能力、外语交流能力、分析解决工程问题能力、行业法律法规意识等方面评价相对较低。工程教育如何适应工程科技飞速发展是当前迫切需要解决的问题，也依然是近几年我国工程教育的改革和发展方向[2-5]。

2010年，我校成为全国首批61所“卓越工程师教育培养计划”试点高校，也是北京地区10所获批高校中唯一的一所地方本科院校，其自动化专业进入首批试点专业[5]。在这个背景下，为了进一步加强我校本科学生在创新能力、分析解决工程问题能力等方面的能力培养，“电子工程设计”课程遵循“成果导向教育”(outcome-based education， OBE)的工程教育模式、依托自动化专业人才培养模式进行了持续改革。本课程设计小型温度测量与控制系统项目，重新设计目标、内容和考核体系，并采用多种方式反馈修正教学内容和方式，近5年的实施结果表明，该课程可以有效地提高学生的工程实践能力和创新能力。

1 OBE工程教育模式

OBE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。在OBE教育模式中，教育者必须对学生毕业时应达到的能力及其水平有清楚的构想，然后寻求设计适宜的教育结构来保证学生达到这些预期目标[6-8]。OBE模式的教育理论基础是:

(1) 泰勒原理，确定教育目标—选择教育内容—组织教育经验—评价教育计划。

(2) 布鲁姆的掌握学习理论，学生具备必要的认知结构是掌握学习的前提，学生积极的情感特征是“掌握学习”的内在因素，反馈—矫正性系统是“掌握学习”的核心[9]。

由此，总结出“控制学习”和“合作学习”2大教学法。“控制学习”是一种因材施教的课堂应用[10]。OBE教育模式就是围绕“定义预期学习产出—实现预期学习产出—评估学习产出”这条主线而展开，学生产出评估构成了教育质量持续改进的闭环。

2 OBE教育模式在本课程中的实施

2015年底，我校自动化专业中国工程教育专业认证验收工作的申请得到教育部批准，并于2017年6月顺利通过了中国工程教育专业认证。该专业的培养目标是“面向生产一线的自动化系统工程师”，本课程是电子技术理论课程之后的一门核心实践类课程，总学时6周加12学时实验，分2个阶段来实施，有力地支撑了专业认证建设与验收，显著提高了学生的毕业要求的达成度。

2.1 构建课程的预期学习产出

根据OBE教育模式，学生预期学习产出先于教学内容而存在，课程资源开发、学生管理和辅导等活动都要围绕预期学习产出而展开，明确学生的预期学习产出，反推教学过程再进行评估，形成闭环的内循环系统。结合工程教育专业认证标准的12条毕业要求，构建了本课程支撑自动化专业毕业要求的9项指标点，见表1。

表1 电子工程设计课程支撑自动化专业毕业要求课程教学目标

紧密围绕自动化专业的培养目标，以电子类软硬件小项目设计为载体，将该课程的预期学习产出分为知识、能力、素质3个层面，旨在融合学生的“电路原理”“模拟电子技术”“数字电子技术”“C语言程序设计”“单片机原理与应用”等电子产品设计相关理论和技术，培养学生分析解决问题能力、实际动手能力、信息资料查询获取能力、自主学习能力、文本撰写能力，以及良好沟通交流能力、团队合作意识和小型电子系统设计的工程理论素质。

2.2 实现预期学习产出

为了实现预期学习产出，在教学过程设计中充分考虑该专业培养目标和专业特点，遵循3个原则(涵盖电子技术课程的相应知识点；突出控制和系统的思想；具有应用性、综合性和设计性)设计了小型温度测量与控制系统作为教学载体，贯穿课程始终[11-13]。该系统的控制流程为一个闭环的反馈控制系统(见图1)。系统分为变送器、A/D模块、控制模块、D/A模块、显示、直流电源6大模块(见图2)。

图1 小型温度测量与控制系统的控制流程图

图2 小型温度测量与控制系统的组成框图

系统由硬件和软件组成，需要学生同时完成硬件模块的设计和焊接，同时还要依托软件的程序设计进行调试，最后完成温度采集与控制。在学习过程中教师讲授和学生自主学习相结合，任务量饱满，也存在较大的学习难度。为了让学生达到预期学习产出、顺利完成所有学习任务，对这门课程进行了精心设计，注重软件仿真与硬件实验相结合，以典型案例来教授软件(Multisim、Altium Designer、Keil)的使用。

(1) 项目教学法。系统每个模块的实现均采用项目教学法，以变送器模块为例。首先给出学生具体设计目标与指标，如测量温度范围、输出电压范围、测量误差等，其中输出电压的选择要考虑后面控制模块的选型，这也体现系统思想。然后要求学生利用一定的时间查阅相关文献资料，用Multisim仿真软件设计至少2个电路方案，进行参数计算、仿真、元器件选择并对方案做成本和技术分析，确定实施方案，焊接、调试、答辩验收。项目的实施体现了以学生为中心、教师为主导，学生自主学习、教师答疑解惑这样的学习过程。

(2) 渐近式、递进式的教学策略。在教学过程中还采用学习、应用、总结、再学习、再应用、再总结的渐近式、递进式的教学策略。对被控对象的特征参数进行采集和数据分析是自动控制的第一个环节，因此安排学生完成的第一阶段任务为温度的测量与显示。实现测温之后进入下一个环节，要完成升温、降温控制，即开环控温。在现实生活中，有很多控制系统需要根据设定数据对被控对象进行控制，因此要求学生用最简单的乒乓算法来实现闭环控温。学有余力的学生，要求用自动控制原理的经典算法PID算法来实现。在这个过程中引导学生从浅入深、从易到难地学习。

(3) 同伴互教法。图3所示为学习金字塔，可以看出，主动学习的学习效果优于被动学习。“以学生为中心”的理论也指出:当懂得的学生知道困难点在哪里时，采用同伴互教的方法是最好的。在本课程的学习中，学生是2人一组来完成电路的设计、焊接、调试等全部过程。学生采用自由组队的形式。建议理论知识强和动手能力强的学生搭配组队，鼓励优秀学生去带领能力相对较弱的学生，让具有不同学习能力的学生都能完成学习任务。学习过程中通过同伴讨论、同伴互教、在做中学，强化学生主动学习意识，提高了自主学习能力，锻炼了团队合作能力。

图3 学习金字塔

2.3 评估学习产出

为了了解本课程对该专业毕业要求的支撑度、评估学习产出并进行有效的持续改进，设计了调查问卷及达成度评价表等多种评价和反馈机制。

(1) 学生调查问卷设计。学生的调查问卷分为2份，均采用匿名形式，一份是“电子工程设计”能力指标达成度调查问卷，另一份是“电子工程设计”学习效果及教学状况调查问卷。第一份问卷对应9个指标点，满意度从高到低为10～0分。第二份问卷设计了14道客观题、2道主观题，分别从学习效果、学习状况、教师授课情况等方面要求学生做出评价，并指出课程实施过程中存在的问题并提出合理化建议和改进措施。

(2) 达成度评价表设计。达成度计算是更科学的评价方法。课程为百分制，考核方式共4种，分别是仪器仪表使用(10分)、软硬件验收(60分)、报告撰写(10分)、过程评价(20分)。考核环节与指标体系的关联关系如表2所示，包含课程对指标点的权重系数、4种考核环节的权重，以及考核环节对指标点的权重系数，根据此表可计算分项达成度和个人、班级、年级的达成度。

3 实施效果及持续改进

迄今为止，本课程已经连续在5届自动化专业的学生中实施，课程实施结束后，要求学生填写2份问卷调查表并对学生进行课程达成度的计算，方便教师了解课程的实施效果，以进行改进。

3.1 学生调查问卷分析

以自动化专业2011级为例，发放调查问卷166份，收回有效问卷166份，有效回收率100%。能力指标达成度调查问卷，经统计可知学生在书面和图表交流、口头表达，报告撰写等方面比较薄弱。学习效果及教学状况调查问卷选出代表性问题6项见表3。

表2 考核环节与指标体系的关联关系

表3 “电子工程设计”学习效果及教学状况调查问卷关键问题统计结果

由统计结果可知，学生对知识的融合、能力培养和提高认同度超过90%；其次，学生认为学习任务饱满、学生在该课程上的投入时间较多、能够积极面对困难的认同度也超过90%，80%的学生认为课程有较大难度；第三，对于教师授课水平高、责任心强、投入时间多的评价比例超过90%。整体来看学生认为该课程能有效地提高工程实践能力。

3.2 达成度评价

表4是自动化专业2011级达成度统计表，通过分析和统计可以发现，该课程总达成度为0.81，达到了预期教学目标。其中，电子系统工程知识及认知能力、电子系统工程设计开发能力、团队合作能力等6项指标超过0.8，超出0.75的预期目标。但是电子类产品系统分析能力、电子类产品制作、调试与测试能力，以及书面和图表交流、口头表达和人际交流能力等指标点的达成度相对较低，需要进行有针对性的改进。

表4 自2011“电子工程设计”指标点达成度计算统计表

3.3 持续改进

基于上述的统计分析数据，尤其是达成度较低的指标点，对该课程进行了改进。表4中有3个相对薄弱的指标点，前2个指标点属于工程能力。通过分析发现部分学生知识基础薄弱、系统性思维不足以及理论知识转化为应用能力不足，需要进一步提高。因此加强教学资源建设，编写了《电子工程设计讲义》和《电子工程设计试题库》，通过加大电路设计和仿真软件使用的比重、增加考试环节等措施来强化训练和改善教学过程。针对学生沟通交流、表达能力弱，在单元模块答辩的基础上增加结题答辩，均要求以图、表、公式的形式进行说明。同时，为了使教学过程管理更规范，从2013级开始设计并使用了《电子工程设计实训手册》，该手册里给出了所有考核方式的评分标准，使给学生的打分比以前更准确，也更客观。该手册还包括答辩记录、学习日志等。手册的使用使学生学习过程管理更规范。通过这些教学过程的改进，使得2013级、2014级所有9项指标点的达成度均超过0.8。

3.4 效益分析

近年来，基于该课程的改革和持续改进，自动化专业受益学生达450人，学生对电子工程设计相关知识的学习兴趣、参与学科竞赛和科研的积极性、学生综合素质逐步提高。学生参加全国、北京市大学生电子设计竞赛，以及“挑战杯”大学生课外科技作品竞赛、中国机器人大赛、中国机器人锦标赛的参赛人次、获奖比例大幅提高。2012年以来，该专业学生获得全国竞赛一等奖6项、二等奖20项、三等奖17项，北京市竞赛一等奖6项、二等奖15项、三等奖21项等多项学科竞赛奖励。5年来，发表核心期刊论文7篇、授权发明专利1项、授权实用新型专利4项，校级“十佳学生”2名、北京市优秀示范班级2个，研究生录取率逐年递增。

4 结语

5年来，采用OBE教育模式进行了电子工程设计课程教学改革，基于闭环反馈机制，不断进行改进，取得了良好的改革教学效果。该课程有力地支撑了自动化专业工程认证，2017年6月，该专业顺利通过了中国工程教育专业认证。

References)

[1] 宗河.多视角多层次多维度呈现中国工程教育质量状况:首份中国工程教育质量报告出炉[EB/OL].http://www.jyb.cn/high/gdjyxw/201411/t20141114_604110.html.

[2] 姚威，邹晓东，胡珏美.美国工程教育的政策动向及其启示[J].高等工程教育研究， 2012(5):28-33.

[3] 刘朝亚，王润孝，李涛.基于动态能力的高等工程教育人才培养策略研究[J].中国大学教育，2013(12):33-35.

[4] 李培根，许晓东.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究，2012(3):1-6.

[5] 王沛民.中国工程教育研究(EER):式微与复兴[J].高等工程教育研究， 2013(6):13-21.

[6] 顾佩华，胡文龙，林鹏，等.基于“学习产出”(OBE)的工程教育模式[J].高等工程教育研究，2014(1):27-37.

[7] 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.

[8] 李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育，2014(17):8-10.

[9] 徐碧波.布鲁姆的掌握学习理论[J].湖北大学学报，1992(3):66-70.

[10] 布鲁姆.教育评价[M].上海:华东师范大学出版社，1986.

[11] 任坤，刘红，杨旭东.CDIO指导下的创新性电工电子实验设计[J].实验技术与管理，2012，29(4):228-230

[12] 晏湧，蓝波.任务驱动教学法在电工电子技术课程中的应用[J].实验技术与管理，2012，29(9):163-166.

[13] 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，2011，28(2):129-130，150.