面向創(chuàng)新思維培養(yǎng)的開源硬件課程的教學(xué)改革

謝丹艷 彭海靜

摘要：在新工科教育改革背景下，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力至關(guān)重要。智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)課程以面向創(chuàng)新思維培養(yǎng)為目標(biāo)，以樹莓派、Arduino等開源硬件為學(xué)習(xí)工具，通過探討新的教學(xué)理念、教學(xué)方法、旨在培養(yǎng)學(xué)生鉆研探究、創(chuàng)新創(chuàng)造的科學(xué)精神，提升學(xué)生在智能應(yīng)用方面的技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作的人文精神以及理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)。

關(guān)鍵詞： 創(chuàng)新思維;開源硬件;教學(xué)改革;新工科

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）01-0170-03

1 引言

新工科教育就是應(yīng)對新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，為中國制造2025提供一系列的智力和人才支撐。2017年，教育部在組織多輪研討會的基礎(chǔ)上，先后形成了復(fù)旦共識[1]、天大行動[2]和北京指南[3]，并發(fā)布了關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知，全力探索中國模式。通過了解國家對工程人才的需求和要求，在全球產(chǎn)業(yè)的變革、國家的戰(zhàn)略發(fā)展和工程教育發(fā)展的改革需求下，在新工科建設(shè)的背景下，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力至關(guān)重要。

在當(dāng)今社會，創(chuàng)新是社會進步發(fā)展的驅(qū)動力，而建設(shè)創(chuàng)新型社會的關(guān)鍵在于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和創(chuàng)新思維的激發(fā)。新工科建設(shè)背景下不僅要注重學(xué)生應(yīng)用性和實踐性的培養(yǎng)，更需要的是創(chuàng)造力的開發(fā)和培養(yǎng)，因此在學(xué)校教學(xué)中對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)是重中之重[4]。智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)課程就是在這樣的大背景下開設(shè)的一門創(chuàng)新課程。

新工科的新包括了新興、新型和新生等內(nèi)涵，新興是指在高校原有的課程體系中從未開設(shè)過的新課程，不再采取傳統(tǒng)的以教師講授為主的灌輸式教學(xué)、被動式學(xué)習(xí)方法，而是采用新的教學(xué)方法，比如項目制學(xué)習(xí)法、線上線下混合式教學(xué)方法、理實一體化等新型教學(xué)方法。第二個是新興，指的是對傳統(tǒng)工科內(nèi)涵的拓展和延伸、人才培養(yǎng)目標(biāo)要求的轉(zhuǎn)變、發(fā)展模式的創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)的提升等等。第三個是新生，是指通過不同學(xué)科之間的交叉融合等衍生出來的一些新的符合時代發(fā)展的學(xué)科內(nèi)容。

智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)課程在新工科背景下，面向創(chuàng)新思維培養(yǎng)為目標(biāo)，以樹莓派、Arduino等開源平臺為學(xué)習(xí)工具，通過探討新的教學(xué)理念、教學(xué)方法、考核方式，培養(yǎng)學(xué)生鉆研探究、創(chuàng)新創(chuàng)造的科學(xué)精神，提升學(xué)生在智能應(yīng)用方面的技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新意識與基本能力、團隊協(xié)作的人文精神和理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)。最終實現(xiàn)培養(yǎng)符合新工科建設(shè)要求的計算機人才的教學(xué)目標(biāo)。

2 基于開源硬件培養(yǎng)創(chuàng)新思維的教學(xué)理念

“開源” 是開放源代碼的簡稱，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代[5]。1998年成立的開放源代碼促進會（Open Source Initiative，縮寫：OSI），確立了開源軟件的概念，之后根據(jù)相關(guān)軟件協(xié)議規(guī)范，將概念拓展到硬件領(lǐng)域后，就出現(xiàn)了開源硬件的概念，以Arduino、樹莓派等平臺為代表。隨著計算機軟硬件的不斷發(fā)展，開源硬件日趨成熟，在教育領(lǐng)域的潛能及優(yōu)勢漸顯?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》中指出要提高學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實踐能力[6]?！秶医逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》強調(diào)以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，促進教育的創(chuàng)新與變革[7]。開源硬件憑借其功能多樣化、價格便宜、兼容性強、可擴展性能優(yōu)良等特點得到了我國包括基礎(chǔ)教育、高等教育和職業(yè)教育等多個領(lǐng)域的共同關(guān)注，逐漸成為各層次師生開展創(chuàng)新教學(xué)實踐的重要載體。

開源硬件不僅僅是硬件設(shè)計方法的開放，更多體現(xiàn)的是一種創(chuàng)新理念的開放，而創(chuàng)客教育的核心就是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[8-9]。因此基于開源硬件培養(yǎng)創(chuàng)新思維的教學(xué)理念符合新工科背景下高等教育人才培養(yǎng)的要求。

3 面向創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)改革方法的探索

3.1 課程概述

智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)中的專業(yè)任選課，是在新工科教育改革背景下開設(shè)的一門計算機專業(yè)拓展課程。課程在介紹智能應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以樹莓派、Arduino 為媒介，使學(xué)生掌握智能應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的基本流程，建立智能應(yīng)用系統(tǒng)的整體概念。旨在培養(yǎng)學(xué)生軟硬件結(jié)合的設(shè)計思維，能夠解決現(xiàn)實工程問題、具有人文情懷和高度社會責(zé)任感的工程創(chuàng)新型人才，并幫助學(xué)生樹立學(xué)好科學(xué)技術(shù)服務(wù)于國家和社會的責(zé)任心。

3.2 教學(xué)目標(biāo)

立足于專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，對應(yīng)于畢業(yè)要求中關(guān)于了解計算機科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢、培養(yǎng)軟硬件工程項目開發(fā)設(shè)計和解決實際工程問題能力等要求，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神和創(chuàng)新思維等素質(zhì)。從記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造6個層次、從知識、能力、態(tài)度三階段實現(xiàn)最終的教學(xué)目標(biāo)，如圖1所示。

知識層：了解智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的基本流程;了解樹莓派的基礎(chǔ)介紹、系統(tǒng)安裝和配置掌握樹莓派GPIO應(yīng)用;掌握樹莓派在軟硬件領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)方法。

能力層：通過多種方法學(xué)會運用知識與技能，完成自主項目設(shè)計;每組學(xué)生完成一次翻轉(zhuǎn)課堂。

態(tài)度層：帶課程成果參加開放實驗，進一步改進項目，以賽促賽，以賽促學(xué)。將課程成果申請專利、軟著，撰寫論文等，確定未來可能的畢業(yè)設(shè)計方向乃至就業(yè)方向。

3.3 學(xué)情分析

課程面向計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大三學(xué)生開設(shè)，這一階段的學(xué)生已掌握了基本的計算機專業(yè)知識，學(xué)生的抽象思維很活躍，思維方式由形式思維向辯證思維轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造性思維也有了進一步提高，這些都有利于以創(chuàng)新設(shè)計為目的的課程的開設(shè)，采用線上線下的混合式教學(xué)方法，因材施教，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)“最近發(fā)展區(qū)”，如圖2所示。

3.4 教學(xué)方法

基于課程目標(biāo)，采用多種手段結(jié)合的教學(xué)方法，以立德樹人為育人目標(biāo)，采用項目制學(xué)習(xí)法、線上線下混合式學(xué)習(xí)方法和理實一體化的課堂模式開展課程的教學(xué)。

3.4.1立德樹人的育人目標(biāo)

融入課程思政內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生了解新工科教育與智能應(yīng)用發(fā)展背景下的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的模式，幫助學(xué)生了解新時代背景下國家、社會以及學(xué)校對人才成長的要求，以便結(jié)合自身的情況來做好未來的發(fā)展規(guī)劃，樹立科學(xué)文化自信心、關(guān)心國家發(fā)展的主人翁精神、工科技術(shù)強國的實事求是精神。從國際視野、家國情懷、使命擔(dān)當(dāng)角度出發(fā)激發(fā)學(xué)生科技報國的決心;在理論和實踐的學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的精神和數(shù)字化的思維，養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣，利用學(xué)習(xí)走向未來;在項目的實施過程中培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)精神、堅持問題導(dǎo)向和實踐創(chuàng)新能力。

3.4.2項目制學(xué)習(xí)法（PBL）

項目學(xué)習(xí)法即PBL（Project Based Learning）是指學(xué)生圍繞復(fù)雜的、來自真實情境的、具有一定挑戰(zhàn)性的項目主題，在精心設(shè)計任務(wù)與活動的基礎(chǔ)上，進行較長時間的開放性探究，最終構(gòu)建成知識的意義和提升自身能力的一種教學(xué)方式[10]。一般來說項目學(xué)習(xí)流程包括項目介紹，也就是說項目描述，然后是項目解析、項目實施、項目小結(jié)，以及有可能的拓展提高到最后可能的推廣。項目制學(xué)習(xí)法具體課堂實施如圖3所示。

對于本課程而言，學(xué)生經(jīng)過基礎(chǔ)課程的訓(xùn)練后，進入自主設(shè)計階段。在頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)產(chǎn)生創(chuàng)新思維，通過匯報討論達到項目的可實現(xiàn)性，解析項目獲得硬件和軟件方面的技術(shù)路線，最終通過查閱資料、實踐操作實現(xiàn)項目。實施到項目小結(jié)階段基本完成課內(nèi)的學(xué)習(xí)任務(wù)，后面拓展和提高兩個階段可以引導(dǎo)學(xué)生在開放實驗室和各類項目中完成，通過作品的校園路演、參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、申請專利等方式完成項目的進一步拓展，通過多種途徑培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

項目制學(xué)習(xí)法的特點有三個，分別是以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，以課本為中心轉(zhuǎn)化為以項目為中心，以課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫嵺`為中心。符合當(dāng)前創(chuàng)新教學(xué)改革所倡導(dǎo)的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)改革目標(biāo)和新工科教育培養(yǎng)能解決工程實踐問題人才的需求。

3.4.3混合式教學(xué)方法

混合式教學(xué)，即將在線教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來的一種“線上”+“線下”的教學(xué)模式。通過兩種教學(xué)組織形式的有機結(jié)合，可以把學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)由淺到深地引向深度學(xué)習(xí)。開展混合教學(xué)的最終目的不是去使用在線平臺，不是去建設(shè)數(shù)字化的教學(xué)資源，也不是去開展花樣翻新的教學(xué)活動，而是有效提升絕大部分學(xué)生學(xué)習(xí)的深度[11-12]。

在教學(xué)內(nèi)容上，立足于專業(yè)培養(yǎng)方案，從課程大綱出發(fā)，根據(jù)知識點的難易程度、在專業(yè)培養(yǎng)中重要程度等諸多因素出發(fā)對知識點進行板塊劃分，如表1所示。資源建設(shè)上，除了MOOC資源，還引入了CSDN、樹莓派論壇等專業(yè)性網(wǎng)站和器材自帶的學(xué)習(xí)視頻，能最大限度滿足學(xué)生自主設(shè)計的需求，同時培養(yǎng)學(xué)生遇到困難自主查閱資料解決問題的能力。

在教學(xué)組織上，結(jié)合規(guī)劃后的教學(xué)內(nèi)容，從課前、課中、課后三階段對教學(xué)過程進行規(guī)劃。

課前：根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，對于較為簡單的A類內(nèi)容，安排以MOOC視頻自學(xué)為主;對于難度較低的B類內(nèi)容，以自備資源學(xué)習(xí)為主，采用翻轉(zhuǎn)課堂和討論完成檢驗，學(xué)生自學(xué)筆記提交于學(xué)習(xí)通。

課中：課堂采用理實一體化的模式，將線下課時全部安排在實驗室，通過線上理論和部分操作過程的學(xué)習(xí)，在線下課堂進行討論、操作，操作中遇到的問題通過查閱資料師生共同解決，借助實踐操作不斷熟悉軟硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用模式，同時在不斷地查閱資料和匯報討論中逐漸形成團隊的自主設(shè)計構(gòu)思。

課后：部分創(chuàng)新型較強的自主設(shè)計的項目，通過課后參加開放實驗室，將項目通過專利、軟著、論文等形式發(fā)表，同時在成果撰寫過程中不斷完善項目，參加各類大賽，以賽促學(xué)。

通過混合式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，在理論學(xué)習(xí)和項目實現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、通過查閱資料、翻轉(zhuǎn)課堂、師生共同討論等方法來解決問題。教師提供大量的學(xué)習(xí)視頻，課程資源清單，國內(nèi)外各類關(guān)于開源軟硬件的網(wǎng)絡(luò)資源。由于每個團隊所設(shè)計的系統(tǒng)不同，需要學(xué)生根據(jù)自己項目所需要的知識，帶著問題去線上自主學(xué)習(xí)，從而找到不同的解決辦法，培養(yǎng)學(xué)生遇到困難自主查閱資料解決問題的能力。

3.4.4理實一體化的課堂

理實一體化課堂突破以往理論與實踐相脫節(jié)的現(xiàn)象。強調(diào)通過設(shè)定教學(xué)任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)，讓師生雙方邊教、邊學(xué)、邊做，全程構(gòu)建素質(zhì)和技能培養(yǎng)框架，豐富課堂教學(xué)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高教學(xué)質(zhì)量[8]。在整個教學(xué)環(huán)節(jié)中，理論和實踐交替進行，直觀和抽象交錯出現(xiàn)，沒有固定的先實后理或先理后實，而理中有實，實中有理，突出學(xué)生動手能力和專業(yè)技能的培養(yǎng)，充分調(diào)動和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

課程中不再簡單地將理論和實踐課程獨立授課，而是充分融合理論和實踐知識，通過理論學(xué)習(xí)和實踐操作結(jié)合，充分體現(xiàn)應(yīng)用型本科教育中重視實踐教育的理念，也符合國家對新工科教育改革背景下人才培養(yǎng)的要求。

4 結(jié)論

在新工科教育改革背景下，通過引入樹莓派、Arduino等開源硬件平臺，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)情分析，提出智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)課程的教學(xué)改革方法，以立德樹人為育人目標(biāo)，采用項目制學(xué)習(xí)法、線上線下混合式學(xué)習(xí)方法和理實一體化的課堂模式開展課程的教學(xué)。通過課程教學(xué)激發(fā)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力、邏輯思維能力和團隊合作能力。通過課內(nèi)理論的學(xué)習(xí)和實踐能力的鍛煉，引導(dǎo)學(xué)生通過撰寫專利、發(fā)表論文、軟著、參加大學(xué)生競賽等方式學(xué)以致用，確定未來可能的畢業(yè)設(shè)計方向乃至就業(yè)方向，從而樹立科學(xué)文化自信心、關(guān)心國家發(fā)展的主人翁精神和工科技術(shù)強國的實事求是精神。

參考文獻：

[1] 教育部.“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識[J].高等工程教育研究，2017，35（1）：10-11.

[2] 教育部. “新工科”建設(shè)行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017，35（2）：24-25.

[3] 教育部. “新工科建設(shè)指南（“北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017，35（4）：20-21.

[4] 任向民，彭海靜，江敏. 應(yīng)用型本科院校學(xué)生創(chuàng)造力培養(yǎng)的方法和途徑研究[J].高教學(xué)刊，2020（34）：145-148.

[5] 劉剛剛，肖玉賢. 面向中小學(xué)教學(xué)的開源硬件現(xiàn)狀分析與比較[J].中國教育技術(shù)裝備，2018（2）：4-8.

[6] 中華人民共和國國務(wù)院.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（ 2010-2020） [EB/OL].（2010-07-29） [2019-04-17].http： //www.Gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.Html.

[7] 中華人民共和國教育部. 國家教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）[EB/OL].（2012-03-13） [2019-04-17].http： //www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201203/t20120313_133322.Html.

[8] 王巍. 我國開源硬件教育應(yīng)用研究綜述. 教學(xué)研究，2020，43（1）：65-71.

[9] 欒江峰，林兆花，肖軍，等.基于開源硬件與在線仿真的測控技術(shù)概論課程改革探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2019（315）：46-48.

[10] 謝覺萍，姚飛.基于PBL的協(xié)作式學(xué)習(xí)模式與教學(xué)設(shè)計[J].現(xiàn)代職業(yè)教育， 2020（6）：26-17.

[11] 黃榮懷，馬丁，鄭蘭琴，等. 基于混合式學(xué)習(xí)的課程設(shè)計理論[J].電化教育研究，2009（1）：9-14.

[12] 馮昕燁，王健.基于“雨課堂”的混合式學(xué)習(xí)模式設(shè)計[J]. 軟件導(dǎo)刊，2019，18（2）：194-197.

【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2021-04-07

基金項目：泰州學(xué)院2020年度“教育教學(xué)改革研究課題”（2020JGC03）;泰州學(xué)院2020年度“課程思政”示范課程（20KCZ11）

作者簡介：謝丹艷（1983—），女，浙江寧波人，講師， 博士，研究方向為計算機教育;彭海靜（1979—）， 男， 江蘇泰州人， 副教授，碩士，研究方向為計算機教育。

3776500338259