基于深度學(xué)習(xí)理論的教學(xué)模式的探索與實(shí)現(xiàn)
——以嵌入式機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)課程為例

蘇春芳，楊立志，倪 峰

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)系，江蘇 江陰214405）

0 引 言

隨著中國邁步中國“智”造，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，具有深度學(xué)習(xí)能力的嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)人才越來越受到業(yè)界的歡迎，如何培養(yǎng)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)能力，成為當(dāng)前教育改革研究的熱點(diǎn)課題。學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)主要包括“淺層學(xué)習(xí)”和“深層學(xué)習(xí)”，相對而言，深度學(xué)習(xí)是一種更高階的學(xué)習(xí)。對學(xué)習(xí)者深層學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)更關(guān)注學(xué)習(xí)者的批判性思維，旨在提升學(xué)習(xí)者技能遷移應(yīng)用、解決新問題的能力，逐漸讓學(xué)生擺脫淺層學(xué)習(xí)所帶來的即時滿足感，引導(dǎo)學(xué)生對知識進(jìn)行深度加工，進(jìn)而重構(gòu)自身的知識體系和方法體系，從而提高觸類旁通、舉一反三的知識遷移能力和對未知問題的解決能力。

1 深度學(xué)習(xí)教學(xué)模式

深度學(xué)習(xí)是一種主動探究性的學(xué)習(xí)，是指在理解的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者進(jìn)行深度的信息加工，并將新知識融入到原有的知識結(jié)構(gòu)中，重構(gòu)自己的知識體系和方法體系，并能夠進(jìn)行知識的遷移，解決新的實(shí)際問題。文獻(xiàn)[1]提出深度學(xué)習(xí)和淺層學(xué)習(xí)的概念，指出淺層學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)在學(xué)習(xí)特征上存在一定的差異。文獻(xiàn)[2]指出淺層學(xué)習(xí)是一種機(jī)械的記憶，僅關(guān)注解決問題所需的公式和外在線索，缺少學(xué)習(xí)者的反思，是一種被動的學(xué)習(xí)；而深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動地、批判地學(xué)習(xí)過程，在理解的基礎(chǔ)上，建立新知識和原有知識之間的聯(lián)系，是一種主動地、高階地思維學(xué)習(xí)過程。文獻(xiàn)[3]指出深度學(xué)習(xí)重在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的6種能力，主要包括認(rèn)知領(lǐng)域、人際領(lǐng)域和個人領(lǐng)域3個層次的能力的培養(yǎng)，見表1。

表1 深度學(xué)習(xí)能力框架

教師可以通過合理構(gòu)建教學(xué)情景、設(shè)計教學(xué)過程來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者深度學(xué)習(xí)的能力，學(xué)習(xí)者不僅要掌握核心的專業(yè)知識，還要學(xué)習(xí)如何應(yīng)用所學(xué)的知識，解決未知的、復(fù)雜的環(huán)境中的實(shí)際問題，這就要求教師傳授給學(xué)生的是“授之以漁”，而不是“授之以魚”。面對未知的、多變的信息時代，良好的團(tuán)隊協(xié)作和有效的溝通交流能力以及主動學(xué)習(xí)的能力更是不可或缺的，培養(yǎng)具有深度學(xué)習(xí)能力的、社會需要的人才是教學(xué)改革永恒的追求目標(biāo)。

2 基于深度學(xué)習(xí)的課程教學(xué)改革

嵌入式機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)是嵌入式技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)的專業(yè)模塊課程，教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生基于Arduino開發(fā)平臺，應(yīng)用傳感器技術(shù)與綜合控制技術(shù)，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)及產(chǎn)品的能力。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，側(cè)重于知識點(diǎn)的講解、理論的推導(dǎo)，學(xué)生往往通過模仿獨(dú)自完成較為獨(dú)立的、離散的動作技能，這對應(yīng)辛普森動作技能領(lǐng)域的“有指導(dǎo)的反應(yīng)、機(jī)械動作”這兩個較低的動作技能層次，屬于淺層學(xué)習(xí)的范疇。信息時代往往要求人們可以根據(jù)具體的應(yīng)用情境對所掌握的動作技能進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，基于自己的知識體系和方法體系，制定創(chuàng)新性的解決方案，順利完成知識的遷移[4]，淺層的學(xué)習(xí)已經(jīng)不滿足時代的要求，因此在教學(xué)設(shè)計中要側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者 “適應(yīng)、創(chuàng)新”這一深度學(xué)習(xí)的能力。基于深度學(xué)習(xí)理論，以“嵌入式機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)”這一課程為例，對本課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)評價進(jìn)行了重新規(guī)劃、設(shè)計，緊緊圍繞“為什么教”“如何教”“教的怎么樣”這3個方面重新進(jìn)行課程的設(shè)計，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)習(xí)者認(rèn)知領(lǐng)域、人際領(lǐng)域、個人領(lǐng)域的能力。

2.1 認(rèn)知領(lǐng)域能力

在當(dāng)今瞬息萬變的信息時代，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的能力比掌握知識本身更有意義 ，認(rèn)知領(lǐng)域能力的培養(yǎng)目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者掌握核心的專業(yè)知識，提高批判性思維能力，側(cè)重于提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力?；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)（PBL）是培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知能力的有效途徑，整個教學(xué)課程按照“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、行業(yè)規(guī)范為依據(jù)、實(shí)訓(xùn)為主線”的教學(xué)設(shè)計思路，將教學(xué)過程劃分為課前、課堂、實(shí)訓(xùn)和課后4個環(huán)節(jié)。在整個教學(xué)周期中采用項(xiàng)目導(dǎo)入、任務(wù)驅(qū)動的方式，將企業(yè)真實(shí)的項(xiàng)目導(dǎo)入到課程教學(xué)中來，搭建理論知識與實(shí)際問題連接的橋梁，加快學(xué)習(xí)者對核心學(xué)科知識的掌握、內(nèi)化和重構(gòu)知識體系的速度，同時培養(yǎng)學(xué)生批判性思維，以及創(chuàng)新性的、多元化解決復(fù)雜問題的能力。

基于項(xiàng)目的深度教學(xué)過程是一個循環(huán)迭代的過程，知識的迭代過程包括課前、課堂、實(shí)訓(xùn)和課后4個環(huán)節(jié)，如圖1所示。學(xué)習(xí)者通過對課前項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行調(diào)研、分析，依據(jù)興趣，選擇開發(fā)任務(wù)，自發(fā)組成不同的項(xiàng)目組。以項(xiàng)目組為單位展開深層次的調(diào)研、學(xué)習(xí)，因此整個學(xué)習(xí)過程變?yōu)橐粋€積極、主動、愉悅的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在學(xué)習(xí)者的內(nèi)驅(qū)力作用下，學(xué)習(xí)變?yōu)橐患鞓返?、愉快的事情。在本課程的教學(xué)中，將企業(yè)真實(shí)的項(xiàng)目“智能家居控制系統(tǒng)”引入課程教學(xué)中，該項(xiàng)目既是課堂教學(xué)案例，又是學(xué)生課后優(yōu)化、完善的項(xiàng)目，下面以“窗簾控制”為例介紹本課程的改革、實(shí)施情況。

圖1 基于 PBL 的教學(xué)設(shè)計

課前：是一個學(xué)習(xí)者提前了解課堂任務(wù)，明確所要解決實(shí)際問題的手段?；谧约旱呐d趣愛好，學(xué)習(xí)者選擇一個切入點(diǎn)，開展進(jìn)一步的收集學(xué)習(xí)資料、調(diào)研工作，在此基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者已經(jīng)對問題有了一定的認(rèn)識，對問題的解決也逐步有了自己的構(gòu)想、見解。在這個過程中，學(xué)習(xí)者明確了自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)，帶著問題進(jìn)入課堂。

在“窗簾控制”這一教學(xué)任務(wù)中，課前學(xué)生觀看視頻，了解本節(jié)的教學(xué)任務(wù)，獲知學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容是PWM輸出端口配置、ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片，脈沖寬度調(diào)制（PWM）等。依據(jù)自身的知識結(jié)構(gòu)，學(xué)生在課前就對“窗簾控制”這一任務(wù)有了初步的構(gòu)想，并自我確定了課堂學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，帶著問題進(jìn)入課堂學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

課堂：基于對課前任務(wù)的調(diào)研分析，課堂教學(xué)過程往往轉(zhuǎn)化為對舊知識重構(gòu)的過程，學(xué)習(xí)者在課堂中批判性地接受知識，從而避免了淺層學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)者對知識簡單地復(fù)制、記憶的過程，改變了學(xué)習(xí)者盲目地、無選擇地全盤接收的狀態(tài)；學(xué)習(xí)者對知識的接收，持有一種批判的、審視的態(tài)度，在這種批判性思維的驅(qū)使下，激發(fā)學(xué)習(xí)者深入思考、分析、研究知識的過程。課堂教學(xué)變成一個批判性、創(chuàng)新性思考問題、解決問題的過程，避免學(xué)習(xí)者不必要的盲從，從而培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新性[5]。

課堂中，學(xué)生邊學(xué)習(xí)、邊思考，應(yīng)用新學(xué)到的知識去評估最初制訂的方案是否可行，適當(dāng)加以調(diào)整。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，會出現(xiàn)對項(xiàng)目實(shí)施方案的爭辯和討論，不斷出現(xiàn)思想火花的迸射。

實(shí)訓(xùn)：在項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)中，組織項(xiàng)目組成員之間相互討論，通過學(xué)習(xí)者之間的思維碰撞，加速或深化知識的內(nèi)化過程，促成知識的重構(gòu)。

在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中，依據(jù)興趣，學(xué)生可以有選擇的加入“硬件組裝調(diào)試”“步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動”“PWM脈沖信號處理”等項(xiàng)目組中。在“窗簾控制”教學(xué)任務(wù)中，讓學(xué)生感知角位移與線位移的之間關(guān)系，有助于學(xué)生在機(jī)械設(shè)備精密控制領(lǐng)域進(jìn)行知識遷移。

課后：在課后的任務(wù)拓展中主要完成的是知識遷移應(yīng)用，學(xué)習(xí)者將所學(xué)的知識泛化，遷移到新的情境中，解決實(shí)際問題。在該門課程的教學(xué)過程中，將企業(yè)的真實(shí)項(xiàng)目引入到實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的知識，解決實(shí)際的、復(fù)雜的問題，從而完成知識的遷移應(yīng)用。

課后學(xué)生依據(jù)自行設(shè)計的方案，對“智能家居控制系統(tǒng)”進(jìn)一步的優(yōu)化、完善，比如學(xué)生為“窗簾控制”添加智能元素，將窗簾的手動控制升級為智能控制，依據(jù)室內(nèi)的溫度、濕度、光照自主決策窗簾的開與關(guān)。

2.2 人際領(lǐng)域

在項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過程中，項(xiàng)目組的作用得到了充分的發(fā)揮，為學(xué)習(xí)者人際領(lǐng)域能力的培養(yǎng)搭建友好的環(huán)境。通過項(xiàng)目組討論以及對總體設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、測試等階段成果物的匯報，充分培養(yǎng)學(xué)習(xí)者團(tuán)隊協(xié)作、有效溝通的能力。項(xiàng)目的實(shí)施是項(xiàng)目組成員共同協(xié)作的過程，為每個團(tuán)隊成員提供個人匯報、集體討論的機(jī)會。依據(jù)軟件行業(yè)的項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計流程，主要劃分為4個環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者團(tuán)隊協(xié)作和溝通交流的能力，如圖2所示。

在項(xiàng)目組討論過程中，時常出現(xiàn)項(xiàng)目組成員之間的分享、爭辯、辯論，從而鍛煉項(xiàng)目組成員的溝通和交流的能力，并進(jìn)一步促成了項(xiàng)目組長與組員、組員之間的分工協(xié)作、交流的機(jī)會。依據(jù)軟件設(shè)計、開發(fā)的流程，項(xiàng)目的實(shí)施過程可分為制訂解決方案、設(shè)計評審、編碼評審、代碼評審、測試評審4個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的完成都是項(xiàng)目組合作、知識遷移解決問題的過程。首先通過項(xiàng)目組的討論，確定最終的解決方案；其次在項(xiàng)目后續(xù)的設(shè)計、編碼、測試環(huán)節(jié)，為項(xiàng)目組成員提供階段成果的匯報機(jī)會。匯報過程是個人能力提升、成員交流能力培養(yǎng)的有效、快捷的方式。

2.3 個人領(lǐng)域

基于教學(xué)過程中的個性化指導(dǎo)和課后的項(xiàng)目咨詢等有效教學(xué)手段，使學(xué)習(xí)者獲得問題解決的成功感與喜悅感，在個性化輔導(dǎo)過程中，學(xué)習(xí)者學(xué)會的是分析問題、解決問題的方法，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)毅力。結(jié)合深度學(xué)習(xí)理論，對個人領(lǐng)域能力的培養(yǎng)，具體可以通過2個環(huán)節(jié)實(shí)施。

（1）個性化指導(dǎo)：主要是在尊重學(xué)生的個體差異和個人的興趣愛好的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者學(xué)會學(xué)習(xí)的能力和學(xué)習(xí)毅力。通過個性化指導(dǎo)，讓學(xué)習(xí)者充分體驗(yàn)到問題解決后的快樂，從而提升自信心，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建一個目標(biāo)可達(dá)的情景。一般情況下如果學(xué)習(xí)者遇到問題，并且通過多次嘗試還是收效甚微，甚至沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)時，就會失去信心，甚至喪失繼續(xù)研究的興趣。興趣是最好的老師，在本門課程的教學(xué)過程中，設(shè)計個性化指導(dǎo)環(huán)節(jié)，重在提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。

圖2 人際領(lǐng)域能力培養(yǎng)流程

（2）開設(shè)項(xiàng)目咨詢課：基于學(xué)習(xí)者課前的預(yù)習(xí)，學(xué)生往往按照自己的興趣選取相應(yīng)的功能模塊。為了解決問題，學(xué)習(xí)者往往會展開深層次、個性化的學(xué)習(xí)，由于個人知識結(jié)構(gòu)和思維方式的不同，所遇到的問題也不盡相同，因此開設(shè)項(xiàng)目咨詢課是快速幫助學(xué)習(xí)者解決實(shí)際問題的一個重要的手段，也是提升學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)毅力的一個重要的方式。

“窗簾控制”升級為“智能窗簾”的過程中，學(xué)生遇到的個性化的問題均是在項(xiàng)目咨詢課中得到解決的，從根本上保證了項(xiàng)目的順利進(jìn)行。有針對性的、個性化的輔導(dǎo)有效地增強(qiáng)了學(xué)生的自信心，也是學(xué)生不畏困難，順利完成項(xiàng)目任務(wù)的有效的途徑。

3 結(jié) 語

基于深度學(xué)習(xí)理論，以嵌入式專業(yè)的專業(yè)模塊課程嵌入式機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)為例，從理論上分析了深度學(xué)習(xí)的能力框架，著重闡述了如何開展深度學(xué)習(xí)，如何進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計以及教學(xué)實(shí)施等關(guān)鍵性問題。在教學(xué)中，逐步探索出一種基于項(xiàng)目的深度學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，并進(jìn)一步實(shí)施完善深度學(xué)習(xí)的課程教學(xué)改革。在教學(xué)改革中，有效地提高了學(xué)生深度學(xué)習(xí)的能力。能力面向性強(qiáng)、行業(yè)適應(yīng)快是畢業(yè)生共同的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在對未知的控制器、未知的業(yè)務(wù)領(lǐng)域適應(yīng)期短；另外用人單位也反饋畢業(yè)生具有較強(qiáng)的分析問題、解決問題的能力，具有不怕困難，耐心、踏實(shí)完成項(xiàng)目任務(wù)的毅力。在教學(xué)改革過程中，也存在部分學(xué)生學(xué)習(xí)不主動的問題，接下來將繼續(xù)深化本門課程的教學(xué)改革，在后續(xù)的教學(xué)改革中，側(cè)重于營造沉浸式學(xué)習(xí)氛圍，搭建體驗(yàn)式學(xué)習(xí)環(huán)境，從而更進(jìn)一步提高學(xué)生深度學(xué)習(xí)的能力。