“电子系统综合设计”的实践教学设计研究

［摘 要］ 围绕以成果为导向的教育理念，在计算机学院配合电子系统综合设计课程，开展实践教学设计。实践教学设计通过设计开发综合类的电子系统，聚焦学以致用，培养学生理论知识和专业技能，提高学生解决工程问题的能力，培养学生统筹工程开发的综合素养。结合成都信息工程大学的实际，开展面向注意力在线监测系统的电子系统综合设计，带领学生完成任务规划、电路设计、嵌入式开发、软件开发、系统集成，并进行注意力监测的实验验证。总结了教学体会并拓展改革思路，对引导计算机专业学生实现OBE的课程目标具有参考意义。

［关键词］ OBE；注意力监测系统；综合设计实践

［作者简介］ 郜东瑞（1987—），男，河南南阳人，博士，成都信息工程大学计算机学院副教授，主要从事人工智能、脑机接口研究；汪曼青（1989—），女，重庆人，博士，成都信息工程大学计算机学院讲师（通信作者），主要从事人工智能、脑机接口研究。

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2022）49-0119-04 ［收稿日期］ 2022-04-12

引言

成果导向教育（OBE）是一种以学习成果为导向的工程教育理念，通过目标—措施—评价的闭环结构，以学生为主体，以学到了什么为目的，重点培养学生进入工作岗位后所具备分析问题和解决问题的能力［1-2］。相比于传统教育模式，OBE教学理念将以教师为中心转变为以学生为中心，面向学生的专业设置、毕业要求和职业目标，设计教学方法、教学内容和课程体系，有利于教学相长和学习效果的持续改进，已成为工科课程教学改革的新方向［3-4］。因此，笔者结合所在院校的培养目标，以“电子系统综合设计”课程为例，构建综合系统设计课程的教学内容、教学技巧和教学考核，达到串联学生已有知识、培养学生的动手能力、提升综合素质的目的。

“电子系统综合设计”属于工程实践课程，不是传统的理论课，需要学生完成多门课程后，具备了相关基本知识后才能学习。该类课程以应用项目为导向，通过培养学生问题分析、文献调研、项目策划、项目总结等能力，带领学生学以致用，将知识转化为能力［5-6］，是完成OBE教育理念的重要过程。

一、综合实践教学的基本设计

（一）“电子系统综合设计”的基本理念

“电子综合系统设计”是一个综合性的工程开发课程，只有各个模块都能正常工作时，才能保证系统开发的成功。因此，学生在完成C语言、数字电路、模拟电路、单片机等课程后，融会贯通所学相关知识，完成一个系统的开发，将对其所学知识和掌握的能力有综合的评价和认同感。因此，设置电子系统综合设计的基本理念是，将系统应用到生活中，并且进行必要的科目分工。

本实践项目为基于脑电信号的注意力监测系统，以此展开的综合实践教学活动的优点在于：（1）该课程是一个团队项目，有助于培养学生团队意识，能够对项目进行合理的分解，培养学生的全局观，加深学生对学以致用的感受和理解；（2）电子系统综合设计涵盖了电路设计、数字电路开发、软件编程、信号处理等方面工作，涉及学科面广；（3）相对于其他专业课的实践课程，本项目提出的注意力监测系统在民用和科研领域中都受到较多关注，此实践项目应用性强，社会需求广，能激发学生的参与感和责任感。

（二）实践教学的内容安排

实践项目涵盖了工程项目开发的核心步骤和流程，包括整体方案设计、电路设计与开发、信号处理、嵌入式程序开发、PC机软件系统开发、验证与结题等，如图1所示。上述环节能够培训学生实际动手操作能力、工程实施组织能力、分析问题和解决问题能力、文档撰写能力。

学生运用多学科知识进行电子系统综合设计实践，在项目最后，要求各组学生根据整个实践过程编写实践报告，包括整个项目具体实施方案，项目过程中测试方法与测试结果，并能够对试验结果进行分析，总结项目取得的成果。具体实践安排为六个方面。（1）针对本项目目标进行调研，包括国内外现状、实现算法等；制定整体项目实施方案，根据方案模块进行任务分工。（2）基于脑电信号的特点，设计模拟电路方案，依据方案图进行PCB设计与制作，并进行焊接调试。（3）依据所采集的信号，进行算法设计，并对算法进行验证。（4）编写嵌入式程序，实现与硬件模块的数据通信，并对读取的数据进行在线处理。（5）开发软件系统，实现与硬件模块的数据传输，并对信号进行预处理、在线分析处理等。（6）综合各个模块，进行调试验证；并依据验证结果编写项目总结，同时进行项目答辩。

（三）实践教学的设计技巧

1.分组实施。“电子系统综合设计实践”是一个典型的涵盖多学科知识的课程，涉及电子信息、通信、计算机技术等，系统从前期调研到研发、测试等过程均由学生以团队形式完成。为此，注意力监测系统实践项目以分组形式开展，一方面可以培养学生的团队协作和沟通能力，另一方面小组之间比、学、赶、超，可以培养学生形成良好的竞争意识。

2.问题引导。综合项目设计强调了学习内容的整合和应用，因此，在综合设计的过程中教师要引导学生根据实践问题构建知识框架。例如，要明确问题解决的目标，解析问题涵盖的知识或技能；在问题的探究和解决过程中，如果遇到“障碍”，要引导学生获取解决问题的途径或措施；引导学生根据问题的目标导向，获得解决问题的能力，这也是促成学生自主学习的重要途径。

3.阶段化考核。实践项目包括了方案设计、电路开发、程序开发、软件开发等内容，各模块环环相扣，任一模块的出错都会影响系统性能，因此，设置阶段化的考核是确保项目完成的重要环节。在本实践项目中，方案设计时采用项目开题的方式，由学生阐述项目目标、实施方案和技术路线等；完成整个项目后展示系统的性能，并统计项目开展中的收获和不足。通过阶段化的考核，有助于学生学会及时总结和改进，确保项目的顺利开展。

二、综合实践教学的考核

（一）实践项目报告的设计

实践项目的具体实施，要紧密的参考项目报告，有助于项目的整体规划把控。本项目报告分为两个阶段，第一阶段针对项目开展前需要完成；第二阶段为项目总结阶段需要完成，如图2所示。其中，第一阶段包括：需求分析，主要调研目前注意力检测方面国内外主要的检测方法，以及当前存在的问题等；方案设计，针对实际目标设计整个方案包括的功能模块；技术路线，根据任务模块规划初步的实施路线；任务分工，根据分组学生的人数、特长进行任务分配。第二阶段包括：系统测试方案，要求学生根据系统功能，制定具体的测试方法；测试结果，需要学生根据测试情况，进行结果统计；总结分析，要求学生根据实际完成情况，进行总结分析。

（二）实践项目考核结果分析

根据项目报告书的内容，本项目将课程考核细化，从项目问题分析、方案设计合理性、技术路线可行性、系统完成度、总结报告等多个指标评价考核学生的课程完成情况。表1统计了学生对应得分情况，为了更直观了解得分，每一部分都按照百分制进行计算。从表中可以看出，第一阶段在需求分析、方案设计和任务分工部分，学生得分较高，表明学生对项目的背景调研和整体任务规划有较好的认识。但在具体方案制定，如技术路线和系统测试方案制定部分的得分较低，测试结果部分也还有较大的进步空间。从实践项目的整体得分情况来看，学生由于缺少具体的项目锻炼，平时以学习单一课程为主，缺少多学科知识融合运用的能力，因此该部分平均得分相对较低。

三、体会与思考

综合设计类课程是高等教育培养学生的动手实践能力和综合素质的重要组成部分。该课程教学场所为实验室，学生通过系统集成设计的训练来巩固所需知识、锻炼综合应用知识和创新能力。然而，该类课程普遍存在学生缺乏学习兴趣、学生综合能力不足、教师教学方式单一、考核形式单一等问题［7］，形成的教学评价不如预期。

本教学实践采用了基于项目教学的“电子系统综合设计”，从项目选题、项目开展和课程考核等多方面开展教学改革。首先，项目选题出于当前热点，结合学生的知识背景，提升了课程内容的实用性和系统性，大大激发了学生的学习兴趣，培养学生的创新意识。其次，将实践项目分解为不同任务环节，对应从不同角度培养和考查学生的能力和思维：需求分析，考查的是学生从外界搜集信息、归纳整理的能力；方案设计，考查学生全局统筹能力；任务分工，考查学生团队配合和协作能力；技术路线和系统测试方案，是整个实践项目的核心部分，考查学生针对已有知识，应用于具体工程项目中的能力，以及分析问题、解决问题的能力；测试结果，主要考查学生数据归纳能力；总结分析，考查学生对已有结果的分析总结能力。在课程开展过程中，采用以学生为主、教师讲授为辅的教学模式，调动学生的主观能动性。最后，课程考核部分采用分阶段、多角度考核，由于主要目的是考查学生学以致用，达到OBE目标，因此技术路线和系统测试方案两部分内容占比较重。课程考核方式的改革能及时、全面、科学的评价学生对知识的掌握情况和能力素养，提升学生学习积极性，提高学生对考核结果的认可度。当然，本教学实践尚需进一步改进，如在项目开展中期增加过程化考核，在完成脑电采集电路和信号处理算法后进行项目中期检查，及时对具体实践中遇到的问题归纳总结，有助于引导学生认识综合实践的重要性，督促学生在正确的路线方案上逐步优化。

结语

综上，综合实践是既讲求基础知识，也讲求知识的灵活运用能力的课程。从解决实际问题出发，通过分析问题、解决问题的过程构建知识结构，这样，学生掌握的知识和能力才更具有灵活性和变通性。本门课程设计以搭建注意力监测系统为主线，引导学生开展调研、收集资料、分析问题、提出方案到最后的方案实施和验证，整个教学过程必须调动多学科知识和多方面能力，是对综合思维和能力的培养。

参考文献

［1］边倩，魏忠，王振铎，等.基于OBE的课程教学方法改革的研究与实践［J］.微型电脑应用，2020，36（10）：7-9.

［2］梁清梅，韩静，宁常鑫.OBE模式下的数字电子技术教学方法探讨［J］.黑龙江教育（理论与实践），2019（6）：65-66.

［3］侯晓莉，高志强，李淑娟，等.基于OBE的工科实验教学设计与实践：以计算机数控技术课程实验项目为例［J］.高教学刊，2021，7（28）：141-144.

［4］罗瑶.基于OBE理念的本科教学改革对教师的新要求［J］.黑龙江教育（理论与实践），2020（8）：28-29.

［5］商云晶，程春雨，王林.“电子系统综合设计”课程中多层次教学方法的探索与实践［J］.工业和信息化教育，2018（1）：91-94.

［6］姜瑛，丁家满，贾连印，等.培养复杂工程能力的综合课程教学模式设计［J］.软件导刊，2020，19（2）：244-248.

［7］徐向波，陈劭，张俊梅，等.“电子系统综合设计”课程教学改革的探索［J］.中国林业教育，2018，36（3）：25-28.

Research on Practical Teaching Design of the “Comprehensive Design of Electronic Systems”

GAO Dong-rui， WANG Man-qing

（School of Computer Science， Chengdu University of Information Technology， Chengdu，

Sichuan 610225， China）

Abstract： According to the educational concept of OBE （Outcome-oriented Education）， a practical teaching design is carried out in the School of Computer Science and Technology， Chengdu University of Information Technology in conjunction with Comprehensive Design of Electronic Systems. Through the design and development of comprehensive electronic systems， the practical teaching design focuses on the application of learning， cultivates students’ theoretical knowledge and professional skills， improves students’ ability to solve engineering problems， and cultivates students’ comprehensive quality of overall project development. Combined with the actual situation of Chengdu University of Information Technology， we have carried out the comprehensive design of electronic system for online attention monitoring system， led students to complete task planning， circuit design， embedded development， software development， system integration， and carried out experimental verification of attention monitoring. This paper summarizes the teaching experience and expands the reform ideas， which is of reference significance for guiding computer students to achieve the OBE curriculum objectives.

Key words： OBE; attention monitoring system; practice of comprehensive design