基于Arduino平臺(tái)的高職信息工程類(lèi)課程改革探索與實(shí)踐

修曉琴　劉俊莉

摘? 要 針對(duì)高職院校信息工程類(lèi)課程特點(diǎn)，提出將Arduino平臺(tái)引入信息工程類(lèi)課程教學(xué)中。通過(guò)教學(xué)改革降低教學(xué)實(shí)驗(yàn)成本，降低學(xué)生學(xué)習(xí)門(mén)檻，從教學(xué)理念、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)方法、課程實(shí)施、考核方式等方面探索信息工程類(lèi)課程改革，將實(shí)踐與學(xué)生的興趣相結(jié)合，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力。

關(guān)鍵詞 Arduino;信息工程;課程改革;高職院校;任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

中圖分類(lèi)號(hào)：G712? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）15-0050-03

1 高職院校信息工程類(lèi)相關(guān)課程教學(xué)現(xiàn)狀

在高職院校信息工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)課程體系中，課程的前沿性、先進(jìn)性和創(chuàng)造性不夠，對(duì)于最新的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI、“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)知識(shí)引入不夠，現(xiàn)有課程如“電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)”“物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論”“單片機(jī)原理與應(yīng)用”“傳感技術(shù)”等對(duì)于學(xué)生的理論知識(shí)、理解能力、動(dòng)手能力要求很高，課程的理論知識(shí)系統(tǒng)性強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)復(fù)雜，學(xué)習(xí)起來(lái)相對(duì)困難、枯燥，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不夠，思維模式陳舊，缺乏創(chuàng)新性，較難適應(yīng)企業(yè)發(fā)展需要。

高職院校生源種類(lèi)多，學(xué)生文化課基礎(chǔ)薄弱，數(shù)學(xué)邏輯思維和英語(yǔ)基礎(chǔ)較為薄弱，而這些正是學(xué)習(xí)信息工程相關(guān)課程應(yīng)具備的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。高職院校的學(xué)生普遍缺乏堅(jiān)持不懈和知難而上的進(jìn)取精神，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高。

在信息工程類(lèi)課程設(shè)計(jì)中，普遍采用單向灌輸?shù)慕虒W(xué)方式，忽略與學(xué)生的交流，忽略對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的培養(yǎng)。信息工程類(lèi)課程對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備要求高，實(shí)訓(xùn)設(shè)備更新速度快，對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)要求高，同時(shí)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容不利于二次開(kāi)發(fā)和循環(huán)利用等問(wèn)題，使得學(xué)生對(duì)信息工程類(lèi)相關(guān)課程學(xué)習(xí)興趣不高，教師教學(xué)也略感吃力。理論知識(shí)沒(méi)有為實(shí)踐操作做好鋪墊，在實(shí)踐過(guò)程中的項(xiàng)目教學(xué)法就不能在課堂教學(xué)中很好地開(kāi)展，學(xué)生很難參與到實(shí)際的項(xiàng)目和比賽中，教師的教學(xué)目標(biāo)也難以實(shí)現(xiàn)。

隨著Arduino平臺(tái)的不斷發(fā)展，許多與之相關(guān)的教學(xué)材料層出不窮，這對(duì)于側(cè)重培養(yǎng)應(yīng)用型人才的高職教育來(lái)說(shuō)[1]，在教學(xué)、技能競(jìng)賽及項(xiàng)目開(kāi)發(fā)上有很高的利用價(jià)值。

2 Arduino平臺(tái)應(yīng)用在信息工程類(lèi)課程中的優(yōu)勢(shì)

Arduino是一款適合于高職院校學(xué)生學(xué)習(xí)的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，包含電路連接Arduino主控板的硬件部分和程序開(kāi)發(fā)的Arduino IDE軟件部分。使用Arduino編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)代碼，然后上傳到Arduino主控板上，Arduino能通過(guò)各種光敏、溫濕度、壓力、超聲波等各類(lèi)傳感器或者開(kāi)關(guān)感知環(huán)境，Arduino主控板進(jìn)而控制燈光、蜂鳴器、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、顯示器等執(zhí)行部件來(lái)反饋、影響、改變環(huán)境。2005年，Arduino開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)公開(kāi)了其硬件設(shè)計(jì)圖，因此，任何人無(wú)須支付任何費(fèi)用，都可復(fù)制生產(chǎn)Arduino硬件電路，這極大地推動(dòng)了開(kāi)源硬件和創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

Arduino設(shè)計(jì)的目的是希望人們能夠快速地學(xué)習(xí)電子和傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)，并將創(chuàng)意和想法應(yīng)用到設(shè)計(jì)之中。基于Arduino的開(kāi)發(fā)，無(wú)須了解其內(nèi)部核心控制器和存儲(chǔ)控

制;Arduino語(yǔ)言類(lèi)似于C語(yǔ)言，甚至有創(chuàng)客教育中心開(kāi)發(fā)了圖形化編程語(yǔ)言，學(xué)生非常容易上手;全球有眾多Arduino開(kāi)發(fā)愛(ài)好者，有豐富的開(kāi)源實(shí)例和類(lèi)庫(kù)，如機(jī)器人、門(mén)禁控制系統(tǒng)、倒車(chē)?yán)走_(dá)等，可以針對(duì)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、“互聯(lián)網(wǎng)+”等的要求，方便地嵌入外圍部件，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

Arduino簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)方式使得高職院校的學(xué)生能夠更快、更好地完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，大大節(jié)約了學(xué)生的學(xué)習(xí)成本和開(kāi)發(fā)周期。這不僅降低了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的理論知識(shí)門(mén)檻，而且能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[2]，通過(guò)簡(jiǎn)單有趣的項(xiàng)目，提高學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)能讓追求個(gè)性的學(xué)生有更多發(fā)揮的空間。因此，Arduino平臺(tái)能更好地促進(jìn)信息工程類(lèi)課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 基于Arduino平臺(tái)的高職信息工程類(lèi)課程改革探索

教學(xué)理念? 過(guò)去傳統(tǒng)的高職院校信息工程類(lèi)課程都是先學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識(shí)，然后理論與實(shí)踐相結(jié)合，完成某個(gè)項(xiàng)目的模擬仿真，最后按照電路圖焊接調(diào)試完成課程設(shè)計(jì)，如此的教學(xué)設(shè)計(jì)和內(nèi)容對(duì)于學(xué)生的理論知識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力要求很高。但大部分學(xué)生只是依葫蘆畫(huà)瓢，教師怎么做，就跟著怎么做，知其然而不知其所以然，理論與實(shí)踐脫節(jié)，不能很好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

基于Arduino平臺(tái)的信息工程類(lèi)課程教學(xué)，需堅(jiān)持“以企業(yè)應(yīng)用為背景，以工作過(guò)程為導(dǎo)向，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為手段”的教學(xué)設(shè)計(jì)理念，在崗位調(diào)研的基礎(chǔ)上解構(gòu)關(guān)鍵職業(yè)崗位能力，以職業(yè)能力為中心設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程。采用“教—學(xué)—做”一體化模式，合作探究、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、行動(dòng)導(dǎo)向，通過(guò)不同的任務(wù)驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生多角度學(xué)習(xí)并且掌握信息工程類(lèi)項(xiàng)目的構(gòu)建和設(shè)計(jì)，從而提升學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。

根據(jù)市場(chǎng)對(duì)信息工程類(lèi)應(yīng)用型人才的需求，在課程設(shè)計(jì)中弱化電子信息類(lèi)理論教學(xué)，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力。針對(duì)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命的需求，加入嵌入式、智能制造等新課程，提高學(xué)生新技術(shù)的實(shí)踐能力。對(duì)于前沿科技，以教師引導(dǎo)、學(xué)生主體的方式，拓寬知識(shí)面，提升技術(shù)應(yīng)用能力。

教學(xué)設(shè)計(jì)? 為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，在教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。如在“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)”的課程設(shè)計(jì)中，以實(shí)際工作任務(wù)為引領(lǐng)，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主線，把一個(gè)大型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行多個(gè)模塊劃分，分批次和階段性地把各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，然后再組裝成一個(gè)大型的系統(tǒng)。將課程知識(shí)體系整合到每個(gè)項(xiàng)目教學(xué)模塊，在教學(xué)過(guò)程中注意學(xué)生設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的循序漸進(jìn)。

在課程開(kāi)始，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生觀察聯(lián)系生活現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的興趣，利用各種Arduino教學(xué)資源，吸引學(xué)生的注意，讓學(xué)生相信自己可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自己的興趣與創(chuàng)意。在教學(xué)過(guò)程中，教師引入基本元器件的使用及注意事項(xiàng)，在課堂中講解與演示相結(jié)合，讓學(xué)生體會(huì)Arduino的便利與優(yōu)勢(shì)。在教學(xué)的中后期，教師提出教學(xué)目標(biāo)，充當(dāng)項(xiàng)目指導(dǎo)和引領(lǐng)的角色，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)，將更多的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。教學(xué)末期，通過(guò)教師評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)、個(gè)人評(píng)價(jià)相結(jié)合，綜合考評(píng)每個(gè)學(xué)生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，使學(xué)生在評(píng)價(jià)中成長(zhǎng)。在整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)中注意培養(yǎng)學(xué)生良好的知識(shí)素養(yǎng)、動(dòng)手能力、行為習(xí)慣和創(chuàng)新能力。

教學(xué)方法? 信息工程類(lèi)課程理論性較強(qiáng)，如“傳感器技術(shù)”課程較多地關(guān)注各類(lèi)傳感器原理和檢測(cè)輸入輸出信號(hào)。教學(xué)方法相對(duì)傳統(tǒng)化、機(jī)械化，大多數(shù)時(shí)間教師在講臺(tái)上講，學(xué)生在臺(tái)下聽(tīng)，采用“滿堂灌”的教學(xué)方式，學(xué)生聽(tīng)課的積極性不高，上課的效果也不好。同時(shí)，該課程教學(xué)實(shí)訓(xùn)的設(shè)備較為昂貴，因此更新較慢，較難跟上設(shè)備更新?lián)Q代的步伐。

基于Arduino平臺(tái)的信息工程類(lèi)課程教學(xué)內(nèi)容和方法，應(yīng)貫徹“技能培養(yǎng)為主，知識(shí)夠用為度”的教學(xué)思想，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高崗位實(shí)踐能力[3]。因此，教師在教學(xué)之前需精心準(zhǔn)備各種典型案例，構(gòu)建課程的宏觀教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新教學(xué)模式，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開(kāi)展多樣化的教學(xué)方法，因材施教。如利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開(kāi)展慕課教學(xué)、微課教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、頭腦風(fēng)暴等，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、個(gè)性化教學(xué)。如“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)”課程涉及傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等，教師可提前準(zhǔn)備好不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)案例，在課堂上通過(guò)視頻、動(dòng)畫(huà)、小組討論、頭腦風(fēng)暴等方式提高學(xué)生的上課積極性，在課堂教學(xué)中組建引入多個(gè)項(xiàng)目群，如智能家居顯示系統(tǒng)、智能家居感應(yīng)系統(tǒng)、智能家居控制系統(tǒng)、智能家居通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等。在教學(xué)過(guò)程中，以若干個(gè)案例為載體，形成循序漸進(jìn)、種類(lèi)多樣的項(xiàng)目群，以體驗(yàn)、啟發(fā)、討論、研究等互動(dòng)、合作、分享教學(xué)方式，構(gòu)建完整的教學(xué)設(shè)計(jì)布局[4]，從而培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

課程實(shí)施? Arduino平臺(tái)下能實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目很多，如炫酷LED燈控制、按鍵開(kāi)關(guān)控制、觸摸延時(shí)開(kāi)關(guān)、溫度與濕度檢測(cè)、氣體檢測(cè)、LCD顯示、電機(jī)控制、藍(lán)牙通信、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、無(wú)線通信等。信息工程類(lèi)可以按照專(zhuān)業(yè)方向的不同，適當(dāng)選取三四個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)。如物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)可選擇各類(lèi)傳感器的應(yīng)用、藍(lán)牙通信的應(yīng)用;通信電子專(zhuān)業(yè)可以選擇無(wú)線通信、藍(lán)牙通信等;計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)可以選擇LCD和LED控制等項(xiàng)目。

基于Arduino平臺(tái)的信息工程類(lèi)課程教學(xué)過(guò)程中采取由淺入深、逐步復(fù)雜的項(xiàng)目單元模式，在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中強(qiáng)調(diào)在“學(xué)中做、做中學(xué)”，加強(qiáng)技能培養(yǎng)。如在“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)”課程中，可采用案例教學(xué)法和項(xiàng)目教學(xué)法，以設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居系統(tǒng)為課程目的，以Arduino作為控制核心，圍繞家居顯示系統(tǒng)、家居感應(yīng)系統(tǒng)、家居控制系統(tǒng)、家居通信系統(tǒng)四個(gè)模塊為載體，各系統(tǒng)分階段由易到難地構(gòu)造諸多小產(chǎn)品作為學(xué)習(xí)情境，如溫度監(jiān)控、濕度監(jiān)控、光線監(jiān)控、窗簾無(wú)線控制、門(mén)鎖控制、智能背景音樂(lè)、遙控空調(diào)、窗口報(bào)警、煙霧報(bào)警監(jiān)控等學(xué)習(xí)任務(wù)情境。

較為簡(jiǎn)單、趣味性較強(qiáng)的項(xiàng)目如家居顯示系統(tǒng)、家居感應(yīng)系統(tǒng)，學(xué)生可自主完成設(shè)計(jì)，一方面可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，另一方面可以鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)。對(duì)于較為復(fù)雜、開(kāi)放性較強(qiáng)的題目，學(xué)生可以組隊(duì)合作完成，如家居控制系統(tǒng)、家居通信系統(tǒng)等，該類(lèi)項(xiàng)目能夠進(jìn)一步豐富學(xué)生的設(shè)計(jì)思想。同時(shí)，分工合作不但能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，而且能夠鍛煉其團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師可提供答疑，引導(dǎo)學(xué)生自主解決設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，從而推進(jìn)項(xiàng)目的正常運(yùn)行。

考核方式? 在以往的信息工程類(lèi)課程中，考核方式一般以理論考核或者實(shí)踐考核為主，而該種考核方式與內(nèi)容容易讓學(xué)生死記硬背，難以達(dá)到學(xué)以致用的效果。因此，在基于Arduino平臺(tái)的課程考核中，采用多元評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的教學(xué)評(píng)價(jià)方式，推行項(xiàng)目考評(píng)、過(guò)程考評(píng)的教學(xué)考核方式。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的每一個(gè)任務(wù)學(xué)習(xí)中，根據(jù)項(xiàng)目的具體情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的考核方式，并且每個(gè)階段考核按照一定的比例計(jì)入期末考核成績(jī)。這讓學(xué)生能在學(xué)習(xí)中更加有目標(biāo)性，也在每一次階段性考核中提高學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)通過(guò)各種場(chǎng)景設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、程序調(diào)試、硬件測(cè)試、軟硬件聯(lián)調(diào)、項(xiàng)目答辯等方式，全方位鍛煉學(xué)生的程序理解能力、程序設(shè)計(jì)能力、問(wèn)題解決能力等。

以賽促學(xué)? 信息工程相關(guān)技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，電子信息類(lèi)相關(guān)競(jìng)賽，如機(jī)器人競(jìng)賽、智能小車(chē)競(jìng)賽、智能家居設(shè)計(jì)競(jìng)賽等，能帶動(dòng)、刺激、引導(dǎo)學(xué)生真正地舉一反三、學(xué)以致用，采用多元化方式教學(xué)能夠更快更好地推進(jìn)學(xué)生知識(shí)素養(yǎng)、能力素養(yǎng)和技能素養(yǎng)的培養(yǎng)[5]。在教學(xué)過(guò)程中，一方面邀請(qǐng)企業(yè)、行業(yè)專(zhuān)家開(kāi)展各類(lèi)講座，不斷拓寬學(xué)生的知識(shí)面;另一方面設(shè)立社團(tuán)開(kāi)展各類(lèi)興趣活動(dòng)，舉辦各種技能競(jìng)賽，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)精神。在參與競(jìng)賽的過(guò)程中，不僅鍛煉了學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力，而且鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)造能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合信息工程類(lèi)課程，嘗試基于Arduino平臺(tái)在高職信息工程類(lèi)課程中進(jìn)行教學(xué)改革，教學(xué)實(shí)踐證明，引入Arduino平臺(tái)，是一種良好的教學(xué)改革。針對(duì)不同課程特點(diǎn)，選擇貼近行業(yè)實(shí)際的教學(xué)設(shè)備，選擇貼近本專(zhuān)業(yè)實(shí)際應(yīng)用的教學(xué)案例，使得教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，從而使課堂變得更有趣味性和創(chuàng)造性，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)。

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