創(chuàng)新能力驅(qū)動的硬件類課程群生態(tài)圈構(gòu)建與實施

高 燕，劉傳星

（榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類課程普遍具有較強的綜合性、實踐性和創(chuàng)新性要求，要求學(xué)生在了解相關(guān)基本概念的基礎(chǔ)上，掌握相關(guān)的原理、方法和技巧，同時通過實驗、自主實踐等環(huán)節(jié)將理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力[1]。如何對課程資源進行開發(fā)、更新、維護、共享和有效利用，如何解決各硬件課程之間存在的內(nèi)容銜接不暢和整體優(yōu)化不足的問題，成為硬件類課程教學(xué)改革中面臨的重要挑戰(zhàn)。

因此，本項目嘗試以省級一流課程電子技術(shù)基礎(chǔ)課程資源建設(shè)為抓手，整合優(yōu)質(zhì)課程資源，打造線上線下混合式教學(xué)圈和優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)開放互動圈，并通過教師、學(xué)生、管理者、教學(xué)管理平臺和教學(xué)保障機制形成良好的教學(xué)生態(tài)鏈，支撐教學(xué)生態(tài)圈建設(shè)。

1 教學(xué)中存在的問題

1.1 授課內(nèi)容陳舊

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類課程大多是多技術(shù)多學(xué)科的融合，涉及到了計算機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、圖像技術(shù)等眾多領(lǐng)域，覆蓋范圍廣，發(fā)展速度快[2-3]。然而，現(xiàn)存的問題是，盡管在教材的選擇上，教師已經(jīng)盡量做到選擇教學(xué)內(nèi)容新穎的以及與實際緊密結(jié)合的教材，但是由于行業(yè)發(fā)展迅速、技術(shù)迭代周期短，教學(xué)中依然難以避免地存在教材內(nèi)容陳舊、技術(shù)過時的問題。

1.2 實驗內(nèi)容單一，缺乏創(chuàng)新

硬件類課程都是實踐性極強的課程，好的實驗內(nèi)容可以做到與理論知識相互呼應(yīng)、互為補充、相互印證。然而，在目前的實驗教學(xué)中，大部分的實驗內(nèi)容較為單一，而且實驗設(shè)置多為驗證性、演示性實驗，實驗項目之間沒有聯(lián)系，各自為政[4-6]。學(xué)生在做實驗時只能操作單一性內(nèi)容，缺乏集成創(chuàng)新的意識，學(xué)生實驗興趣不高。

1.3 課程孤立，承接關(guān)系較弱

硬件類課程一般具有承上啟下的作用，與其他課程之間都有先修和后續(xù)的關(guān)系，但是這些課程在內(nèi)容設(shè)計和實驗安排上承接關(guān)系較弱，并沒有直觀地體現(xiàn)出先修課程和后續(xù)課程之間的內(nèi)容延續(xù)、彼此銜接的關(guān)系[7]。

2 理論教學(xué)改革措施

2.1 追蹤學(xué)科前沿技術(shù)，引入領(lǐng)域商業(yè)案例，動態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容

為了解決物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類課程中教學(xué)內(nèi)容陳舊的問題，在知識點的講授中，有意識地引入各個領(lǐng)域的前沿技術(shù)，例如百度API的人臉識別、圖像識別、語音識別等技術(shù)以及OneNET云平臺的數(shù)據(jù)可視化等。對新技術(shù)進行介紹和分析，能夠激發(fā)學(xué)生進行進一步探究的興趣，解決教材內(nèi)容陳舊過時的問題。同時引導(dǎo)學(xué)生對該領(lǐng)域科研論文進行學(xué)習(xí)和探討，分析論文中值得學(xué)習(xí)和借鑒的地方，例如系統(tǒng)設(shè)計方法、算法的引入等，并利用批判性思維發(fā)現(xiàn)論文中值得商榷和改進的地方，提出自己的改進思路和方案。通過這樣的分析訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生的科研意識。

2.2 融合線上線下，利用新媒體平臺，創(chuàng)新授課方式

利用教學(xué)輔助平臺，例如學(xué)習(xí)通、雨課堂等，建立SPOC視頻庫、資料庫、題庫、作業(yè)庫、試卷庫和活動庫，供學(xué)生和教師開展線上教學(xué)。在線下授課時利用平臺提供的豐富互動手段開展簽到、選人、搶答、投票、主題討論等教學(xué)活動[8]，實現(xiàn)了對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的全過程考核。與此同時，針對如今成長在網(wǎng)絡(luò)時代的學(xué)生特點，為滿足他們多樣化和個性化的學(xué)習(xí)需求，利用各類新媒體平臺，例如嗶哩嗶哩、抖音、CSDN、微信公眾號等，把這些平臺上與課程相關(guān)的內(nèi)容推薦給學(xué)生，拓展多元化的知識獲取途徑、豐富授課方式。

2.3 鏈接能力培養(yǎng)路徑，打造硬件類課程體系，形成課程生態(tài)圈

第一階段，構(gòu)建一個由學(xué)生主體、教師主體、課程平臺、課程資源、課程活動、實踐項目等共同組成的電子技術(shù)課程生態(tài)圈，如圖1所示。

圖1 電子技術(shù)課程生態(tài)圈

在課程生態(tài)圈中，學(xué)生始終處于教學(xué)的主體地位，所有的教學(xué)活動都緊緊圍繞著這個主體展開。學(xué)生之間相互協(xié)作、共同進步。

以授課教師為主導(dǎo)的教師主體，不僅僅包括了課程的授課教師，還包括了教學(xué)平臺的管理者、輔助各類教學(xué)活動有序開展的助學(xué)者以及充實教學(xué)資源、提供豐富項目經(jīng)驗的行業(yè)專家。由他們組成的教師主體，根據(jù)需要隨時向?qū)W生主體提供引導(dǎo)和支持。同時，教師主體間通過信息交流彼此保持密切聯(lián)系，隨時掌握和修正教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進度，使得教學(xué)活動保質(zhì)保量地有序進行。

學(xué)習(xí)通、雨課堂等教學(xué)平臺可以輔助教師實時掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，實時跟蹤課堂中每個個體對課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況[9]，并將量化數(shù)據(jù)提供給教師主體和學(xué)生主體，使教學(xué)中的各主體及時獲得教學(xué)反饋和評價，修正教學(xué)進度和內(nèi)容。

第二階段，總結(jié)電子技術(shù)課程生態(tài)圈構(gòu)建的思路和方法，形成一套切實可行的實施辦法，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)各硬件類課程教學(xué)中進行推廣試行，打造適合各課程的生態(tài)圈。

第三階段，在硬件類各課程生態(tài)圈基本構(gòu)建完成之后，以實踐項目作為切入點，打造由電子技術(shù)基礎(chǔ)、單片機原理及應(yīng)用、嵌入式原理及應(yīng)用等硬件核心課程為基礎(chǔ)的硬件類課程群生態(tài)圈。精心設(shè)計適合不同年級、不同層次學(xué)生完成的各級各類實踐項目、課程設(shè)計和大作業(yè)。

真正實現(xiàn)將體系內(nèi)各課程知識點融會貫通、綜合應(yīng)用。同時，以此為契機，將教學(xué)生態(tài)圈建設(shè)的構(gòu)想和方法推廣到相關(guān)的上下游課程，利用貫通式大作業(yè)、課程設(shè)計和實踐類項目將前后硬件課程串接起來，打造硬件類課程群生態(tài)圈，使學(xué)生對硬件類專業(yè)課體系有完整清晰的認識，能夠理清各硬件類專業(yè)課之間的承接關(guān)系，使得他們能夠在課程群生態(tài)圈的良好教學(xué)環(huán)境中將物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)硬件課程體系內(nèi)各門課程知識點融會貫通。

3 實驗內(nèi)容和方法創(chuàng)新

3.1 設(shè)計難度階梯式遞增實驗項目

通過把一個完整的項目進行拆分，設(shè)計成一系列由易到難的階梯式實驗任務(wù)，讓學(xué)生循序漸進地完成一個實用智能家居系統(tǒng)的開發(fā)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)成就感的同時也為以后的畢業(yè)設(shè)計、工作打下基礎(chǔ)。例如，嵌入式系統(tǒng)與原理課程中智能語音家居系統(tǒng)項目的實驗教學(xué)進度安排如圖2所示。

圖2 智能語音家居系統(tǒng)項目實驗安排

實際項目開發(fā)涉及到專業(yè)知識的方方面面，能夠?qū)⑶度胧较到y(tǒng)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微信小程序開發(fā)，甚至把Gitee代碼協(xié)作平臺和騰訊會議的使用結(jié)合在一起，讓學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識融會貫通，并學(xué)會自己獨立解決問題。

3.2 利用百度API開放平臺和OneNET云平臺增加實驗創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度

百度開放平臺是百度各產(chǎn)品線開放平臺、開源庫、開放API的統(tǒng)一入口，開放API提供了免費的人臉識別、文字識別、圖像技術(shù)、語音技術(shù)等[10]，只要接入API就可以利用這些技術(shù)實現(xiàn)有趣的項目功能。圖3就是利用人臉識別技術(shù)實現(xiàn)的人臉考勤系統(tǒng)。

圖3 利用百度開放平臺完成的人臉識別實驗

OneNET云平臺是中國移動在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和真實設(shè)備之間搭建的一個高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺。利用這個平臺可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)收集、分析和展示，還可以實現(xiàn)指令的下發(fā)。OneNET云平臺收集到的數(shù)據(jù)流信息顯示如圖4所示，移動端界面展示如圖5所示。

圖4 OneNET云平臺收集到的數(shù)據(jù)流信息

圖5 移動端界面展示

3.3 更換陳舊實驗設(shè)備，配置靈活功能模塊

在實驗教學(xué)中，依據(jù)具體實驗項目需要的功能，按需靈活購買各類硬件模塊，學(xué)生可以依據(jù)自己需要的功能自由組合功能模塊，在提高了學(xué)生動手能力和自主創(chuàng)新性能力的同時極大地降低了實驗成本。即便某個模塊損壞，購買替換的費用也大大地降低。圖6是學(xué)生自己設(shè)計完成的基于微信小程序的智能語音家居系統(tǒng)，可以通過語音、手勢和移動端小程序協(xié)同完成對家居環(huán)境信息的采集、顯示和設(shè)備的控制。

圖6 學(xué)生設(shè)計實現(xiàn)的智能語音家居系統(tǒng)

3.4 培養(yǎng)工程思維，多角度、多維度思考問題

在電子產(chǎn)品的設(shè)計過程中，不能僅僅考慮產(chǎn)品功能是否實現(xiàn)，還應(yīng)該從工業(yè)設(shè)計以及工程實踐的角度，對比分析設(shè)計方案的優(yōu)劣，在各種設(shè)計方案中找到最優(yōu)解決方案。同時，還需要綜合考慮產(chǎn)品的可靠性、成本、功耗、體積以及是否適合行業(yè)需求等種種因素，這樣才能設(shè)計出符合市場需要和用戶要求的產(chǎn)品。因此，需要在教學(xué)過程中通過實際案例培養(yǎng)學(xué)生多角度、多維度思考問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生初步的工程思維。

4 結(jié) 語

在課程的理論教學(xué)過程中，百度API和OneNET云平臺的引入極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)和探索的興趣。在課程的實踐過程中，難度階梯式遞增實驗教學(xué)是首次開展的新的教學(xué)模式。讓學(xué)生能夠充分利用實驗室現(xiàn)有器件，在已經(jīng)完成的具備基本功能的電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，進一步地思考和完善，做出更有趣、更智能的電子系統(tǒng)。

同時，這樣的實驗教學(xué)設(shè)計在充分激發(fā)了學(xué)生自主創(chuàng)新和動手能力的同時，讓他們真正體會到了學(xué)習(xí)的快樂和成就感，也體現(xiàn)了課程的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。