“基于Arduino 和傳感器創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”微課設(shè)計(jì)及實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用

張 晶 藍(lán) 天 譚筠梅 穆 聰

（蘭州交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

在新工科建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，高校日益重視工程學(xué)科間的交叉與融合。 現(xiàn)代工程是跨多學(xué)科的綜合體，對社會、政治、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律和文化背景的依賴性強(qiáng)，工程問題越來越復(fù)雜，要求學(xué)生應(yīng)具備解決復(fù)雜工程問題的能力。

目前國內(nèi)的大學(xué)生在畢業(yè)后暴露出的問題主要表現(xiàn)在學(xué)生的實(shí)踐動手能力弱， 綜合素質(zhì)不高方面。針對這一現(xiàn)象，近年來高校在多方面積極努力增加學(xué)生的實(shí)踐動手能力培養(yǎng)機(jī)會，通過科學(xué)調(diào)整課程設(shè)計(jì)內(nèi)容、增加實(shí)踐實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)、開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動來增強(qiáng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力。

1 教學(xué)背景

“Arduino 和傳感器創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”是蘭州交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心開設(shè)的面向全校學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐類課程，目標(biāo)是使學(xué)生通過學(xué)習(xí)Arduino 開發(fā)板及各類傳感器， 提升設(shè)計(jì)嵌入式作品的能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)踐中具備解決復(fù)雜工程問題的能力。 這門實(shí)踐課程以“單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用”“C語言程序設(shè)計(jì)”等課程的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，是進(jìn)行復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的基礎(chǔ)。

微課是以闡釋某一知識點(diǎn)為目標(biāo)，以短小精悍的在線視頻為表現(xiàn)形式，包括多種教學(xué)要素的有機(jī)結(jié)合體，它利用信息化教學(xué)手段，時(shí)間短、內(nèi)容精煉，學(xué)生利用碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)，能顯著提高教學(xué)效率。

目前硬件類實(shí)驗(yàn)類的微課較少，學(xué)生進(jìn)行硬件學(xué)習(xí)時(shí)遇到問題， 需要花費(fèi)大量時(shí)間來尋求解決辦法，為了提高學(xué)習(xí)效率，亟需在實(shí)踐教學(xué)中配合硬件開發(fā)類的微課來進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)。

2 微課設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

課程設(shè)計(jì)思路根據(jù)Arduino 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的流程，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，進(jìn)行規(guī)劃編排，詳細(xì)劃分課程知識點(diǎn)，知識講解簡單明了，重點(diǎn)錄制操作過程，使學(xué)生能夠在微課指導(dǎo)下快速掌握開發(fā)要點(diǎn)。 嚴(yán)格控制時(shí)長，保證學(xué)生在觀看期間集中注意力。

2.2 內(nèi)容設(shè)計(jì)

在微課內(nèi)容設(shè)計(jì)上，結(jié)合一線教師多年來在硬件開發(fā)方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新作品設(shè)計(jì)的需求，精心設(shè)計(jì)，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，兼顧實(shí)用性和創(chuàng)新性，采用任務(wù)驅(qū)動和項(xiàng)目導(dǎo)向的方式，使學(xué)生掌握開發(fā)知識、具備系統(tǒng)開發(fā)技能。

微課選擇Arduino 作為開發(fā)板， 它是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，具有良好的開放性，其軟件平臺Arduino IDE 使用簡單，具有極大的靈活性和良好的跨平臺性，初學(xué)者極易掌握，在學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新作品設(shè)計(jì)過程中被大量使用。

微課內(nèi)容包括知識講解和實(shí)踐兩部分，其中知識講解包括：（1）基礎(chǔ)學(xué)習(xí)：包含Arduino 介紹、Arduino IDE 配置、Fritzing 軟件使用方法、超聲波傳感器等15種傳感器使用方法， 及搶答器等四個(gè)簡單項(xiàng)目設(shè)計(jì)，每節(jié)課配有擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)供學(xué)生練習(xí)。 （2）高級實(shí)訓(xùn)：進(jìn)行復(fù)雜傳感器學(xué)習(xí)時(shí)， 以運(yùn)動檢測系統(tǒng)等八個(gè)項(xiàng)目為例，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行完整的項(xiàng)目開發(fā)流程，引導(dǎo)學(xué)生從單點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)逐步擴(kuò)展到多點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 實(shí)踐部分要求學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力，進(jìn)行創(chuàng)新作品設(shè)計(jì)開發(fā)。

3 實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用

3.1 教學(xué)策略

在教學(xué)過程中，使用“以學(xué)生為中心，成果為導(dǎo)向”的OBE 模式和“教師主導(dǎo)”+“學(xué)生主體”的混合學(xué)習(xí)模式相結(jié)合的策略，學(xué)生通過微課觀看實(shí)驗(yàn)步驟，通過實(shí)物搭建和安裝測試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過“問題引導(dǎo)—布置任務(wù)—學(xué)生思考自學(xué)—分組討論—教師總結(jié)答疑”的教學(xué)方式以問題引出知識要點(diǎn)，教師僅作為學(xué)生學(xué)習(xí)的輔助者，對于學(xué)生出現(xiàn)的問題予以幫助和解答，課堂由學(xué)生主導(dǎo)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3.2 教學(xué)目標(biāo)

3.2.1 知識目標(biāo)

（1）掌握Arduino 開發(fā)板的結(jié)構(gòu)、工作原理；（2）掌握常用傳感器的工作原理、使用場合、編程方法；（3）掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試、更新迭代的流程和方法。

3.2.2 能力目標(biāo)

（1）培養(yǎng)自學(xué)能力，能夠快速讀懂元器件相關(guān)資料并進(jìn)行應(yīng)用；（2）能夠熟練使用仿真電路設(shè)計(jì)軟件和編程軟件，進(jìn)行電路及程序設(shè)計(jì)；（3）按照電路設(shè)計(jì)完成實(shí)物設(shè)計(jì)，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行測試、進(jìn)行問題排查及修正。

3.2.3 情感目標(biāo)

（1）培養(yǎng)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問題，積極思考解決問題的創(chuàng)新意識；（2）培養(yǎng)學(xué)生勤于實(shí)踐、通過實(shí)踐不斷改進(jìn)作品的創(chuàng)新能力；（3）強(qiáng)化學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和精益求精的創(chuàng)新態(tài)度。

3.3 教學(xué)組織

微課設(shè)計(jì)完成后， 主要對我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的嵌入式實(shí)踐育人基地開設(shè)的“Arduino 創(chuàng)意作品設(shè)計(jì)”開放實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之余可以反復(fù)觀看微課，便于鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。

3.4 教學(xué)效果

通過微課輔助開放實(shí)驗(yàn)的開展， 學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握更加牢固， 學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實(shí)踐能力得到了大幅度提升，同時(shí)也激發(fā)了創(chuàng)新實(shí)踐熱情。申報(bào)的“基于Arduino 的自動調(diào)酒機(jī)器人”“基于Arduino 和3D 打印的智能測溫槍”等多項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目， 并在全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競賽等多項(xiàng)創(chuàng)新競賽中取得了優(yōu)異的成績。

4 結(jié)語

教學(xué)實(shí)踐證明， 在創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)中引入微課，能有效將知識點(diǎn)化難為簡，便于學(xué)生理解和課后實(shí)踐聯(lián)系，學(xué)生反饋效果良好。 微課實(shí)現(xiàn)了多種媒體的整合，使課堂內(nèi)容更加豐富。 在微課設(shè)計(jì)制作過程中，要求教師對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有深入的理解和較強(qiáng)的課程建構(gòu)能力，既提升了教師專業(yè)素質(zhì)和教學(xué)能力，也加快了信息化技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。