本科一年級開設Arduino選修課的教學實踐

張崇明, 葉 宏, 倪繼鋒, 汪春梅, 李傳江

(上海師范大學 信息與機電工程學院, 上海 201418)

電類專業的一年級本科生大體只能接觸到一些通識課和基礎課,這種安排不利于對學生專業興趣和創新能力的培養,進而會影響后續專業課程的學習效果。在“新工科”建設[1]的大背景下,轉變培養思路,“問技術發展改內容”[2],對現有的課程體系和課程內容進行改革,把培養各種社會需要的技能作為本科教學的基礎。參考國內外同行的做法[3-4],嘗試在大一下學期開設一門實用的專業課。現有的專業課普遍對先修課程有一定要求,所以不能簡單地把高年級的課程提前到一年級開設。結合學校層面開展的教改活動,我院電子信息工程專業從2016春季學期開始,主要面向一年級本科生,開設了一門新的專業選修課——“Arduino入門”。本文將對這門課程開設的必要性、課程內容、教學目標、學習評價方案、教學過程實現、教學效果和實施過程中遇到的問題等進行分析和介紹。

1 課程簡介

1.1 開設本課程的必要性

Arduino作為流行的開源軟硬件平臺[5-6],早已受到相關學科教師的關注。不少一線教師已開始在他們的課程中利用Arduino完成各自的教學目標[7-9]。但是,該不該面向電類專業的本科生專門開設一門Arduino選修課,這其實是一個有爭議的話題。Arduino的入門難度較低,因此,在Arduino的愛好者中不乏文科背景的愛好者、藝術家和設計師,甚至還有大量參與科創活動的中學生。Arduino單獨設課的理由如下:

首先,不能把大一的學生關在創新活動的大門之外,電類專業大一的學生需要能把想法轉變為實物的工具,而Arduino的優勢正是快速實現一個物理系統的原型,能讓學生把創新的想法變成物理世界的一個實物。

其次,表面簡單的Arduino其實并不簡單[10],對于大多數學生來說,對于Arduino這樣的涉及硬件的知識和技能,雖然單憑自學可以入門,但很難深入理解并把它應用到有價值的實際項目中。在簡單易上手的Arduino背后,是龐大的Arduino開源生態系統。通過設置此課程,能讓學生有機會與教師及其他同學相互交流,因而能更好地掌握這個在一定程度上能改變物理世界的工具。

此外,開設這門課,也是在“新工科”建設的大背景下地方高校創新應用型和技術技能型人才培養方式的需要。“新工科”建設“天大行動”提出,要積極探索綜合性課程、問題導向課程、交叉學科研討課程,提高課程興趣度、學業挑戰度[2]。而本課程是符合這些要求的。

1.2 課程內容

本課程的主要教學內容是指導學生實現各種基于Arduino的有潛在應用價值的電子產品原型。Arduino的入門難度較低,因此,與傳統的電類專業課相比,本課程對先修課程基本沒有要求。

本課程的課內教學活動全部在實驗室環境中開展,總學時是32。具體教學內容包括 Arduino開源軟硬件平臺簡介、Arduino編程的基本語法、數字量和模擬量的輸入輸出、與PC機的串口通信、各種常用傳感器和執行器的用途和使用方法、基于Arduino的電子產品原型系統的構建步驟和實例分析。

1.3 教學目標

本課程的教學目標有3個:

(1) 引導學生盡可能早地接觸電子信息領域的專業知識,發現其中蘊藏的無窮樂趣。

(2) 幫助學生掌握基本的電子制作常識,了解Arduino開源軟硬件技術的全貌,了解電子產品原型系統的制作流程。

(3) 通過若干實驗和項目提高學生的動手能力、編程能力和創新能力,使學生初步具備設計和制作基于Arduino平臺的電子產品原型系統的能力。

概括說就是激發興趣、掌握知識和培養能力。

1.4 學習評價方案

本課程的學習評價方案如下:平時成績占總成績的50%,包括考勤、實驗、測驗等評分項目；期末采用“項目報告+項目實物演示+答辯”的方式進行考核,占總成績的50%。期末考核的具體要求是:利用Arduino實驗套件,設計一個基于Arduino的具有實際用途的電子裝置。學生需要根據自己的興趣自選設計題目。電子裝置的實物完成后,需要向教師匯報完成情況,進行實物演示并提交項目報告。教師根據選題質量、實物完成情況、項目報告完成情況和答辯表現給出學生的期末考核成績。

2 教學過程設計

“問學生志趣變方法”[2]的含義之一,就是要加強教學方法和教學手段的改革。為此,在本課程的教學過程中,運用了“混合式學習”[11-12]的策略和方法。教學過程如圖1所示,包括課前、課中和課后3個階段的教學活動。

圖1 教學過程結構示意圖

課前教學活動主要是要求學生提前觀看一些教學視頻和TED演講視頻。利用以微信為入口的“微助教”平臺(http://portal.teachermate.com.cn/)向學生推送這些視頻。教學視頻的內容和課中教學活動密切相關,其主要目的是減少課堂中教師的講授時間。教學視頻的內容主要來源于網絡。例如,Arduino創始人之一Massimo Banzi 錄制的幾個入門視頻被用作教學視頻。教師精選的TED視頻會和課中教學活動有一定關系,主要用來開闊學生的技術視野和提高學生的學習興趣。

課中教學活動每周開展一次,每次持續90 min。大體時間安排如下:前10 min用來和學生交流,了解和檢查課前觀看視頻的情況,并對其中較有趣和較有啟發性的內容進行探討；接下來的20 min用來講解教學計劃中安排的授課內容；之后的60 min圍繞一個實驗項目展開。

在實驗時間段內,學生先是要完成一個基礎實驗,即按照實驗指導書中的要求,構建一個基于Arduino的電子裝置。在此基礎上,按照教師的要求,對該裝置進行改進,從而完成一個擴展實驗。這期間會有大量的師生間的交流。

因為實驗指導書中有詳細的實驗步驟,加之有授課教師和實驗室教師的指導,幾乎所有學生都能在60 min的實驗時間段內完成基礎實驗。雖然擴展實驗和基礎實驗相關,但軟硬件方面都可能需要做一定程度的調整和改變,且實驗指導書上沒有相關的內容,因此,只有部分學生有能力在實驗時間段內完成擴展實驗。所有學生都需要撰寫和提交實驗報告。此外,所有學生還需要完成一個在線小測驗,用來評估本周的學習目標是否達到。

為了讓學生能切實有條件實施上述課后教學活動,允許和鼓勵學生把Arduino實驗套件帶回宿舍。因為未完成擴展實驗的學生需要使用實驗套件對軟硬件進行調試。這樣做的另一個好處是,方便了有興趣玩Arduino的學生,他們可以更靈活地安排學習時間,還可以利用實驗套件做一些自己感興趣的創新項目。

在基于“混合式學習”的教學過程中,讓學生在一定程度上能自主選擇學習時間、學習路徑和學習場所是至關重要的。在課前,每個學生都可以選擇最適合自己的時間地點,通過手機觀看視頻和完成課前反饋。在課中和課后,每個學生都可以根據自己的能力水平為擴展實驗分配時間。部分能力強的學生可以在教師的指導下定制他們的學習路徑,他們往往比其他學生提前數周完成教學計劃中安排的實驗內容,因此有時間來完成一個較高水平的期末項目作品。

3 效果評估和問題討論

本課程已面向一年級本科生連續開課2次,根據課上課下得到的反饋,以及從“微助教”平臺和Blackboard系統獲得的統計數據,做了初步的教學效果評估。

在2017春季學期,針對38名來自于電子信息工程專業的選修本課程的大一學生做了在線問卷調查。關于專業興趣,調查結果如下:在學習本課程之前,表示對所學專業“較有興趣”和“很有興趣”的比例分別是34.2%和10.5%,在學習本課程之后,表示對所學專業“較有興趣”和“很有興趣”的比例分別是36.8%和13.2%?？梢?本課程在保持和提升學生專業興趣方面是有效果的。

該問卷中的另一道題目是:假如讓你報名參加和專業相關的競賽或大學生創新創業訓練計劃項目,你有多大信心完成項目并取得較好名次？在學習本課程之前,表示對此“較有信心”和“有點信心”的比例分別是5.3%和23.7%,在學習本課程之后,表示“較有信心”和“有點信心”的比例分別是21%和34.2%。自信心的提升間接表明,學生是學到了一些實際技能的。而從學期末學生提交的項目作品,可以更直接地觀察到他們專業技能水平的提高。與此同期也注意到,在本課程教學班中,學生實際申報各類學科競賽和創新項目的人數也明顯高于全學院的平均水平,一些申報項目正是基于Arduino平臺。可見,本課程在學生創新能力培養方面是有幫助的。

在本課程的實施過程中也發現一些問題。

首先,學生在課外的學習投入不足。雖然向學生再三強調參與課前和課后教學活動的重要性,但根據從“微助教”平臺和Blackboard系統獲得的數據,學生及時參與這些活動的比例在60%左右。在此情況下,縮短課堂上的講授時間會導致那些不參與課前和課后教學活動的學生更難完成學習任務。造成這一局面的原因是多方面的,例如部分學生對任意選修課的重視程度不夠、少數來混學分的學生確實對本課程不感興趣、電類專業的學生課業負擔重、學生還不適應新的學習模式等。

其次,教學組織和實驗室管理方面的負擔加重。課前、課中和課后3個階段教學活動的設計和準備,需要比傳統的教學方式消耗更多時間。在選課人數較多的情況下,課中對學生實驗活動的指導和評價,使得實驗指導教師十分忙碌,實驗套件中各種分立元器件的損壞率和丟失率都較高。

在后續的教學實踐過程中將探索減小這些問題影響的方法。

4 結語

從過去2年的教學實踐中積累的經驗和獲得的教學數據來看,把本科電類專業的專業課前置到一年級開設的做法是可行的。Arduino作為流行的開源軟硬件平臺,具有硬件成本低、入門門檻低、學習曲線平滑和網絡資源豐富的特點,是在一年級開設專業選修課的理想選擇。教學實踐表明,Arduino選修課在保持、提高學生專業興趣和培養學生創新能力方面都發揮了積極的作用。在“新工科”建設的大背景下,要改變“先知識后技能”的培養思路,要把創新創業、跨學科交叉融合、批判性思維等核心素養的培養放在重要位置。本課程也是在教學一線落實“新工科”建設目標的有益嘗試。

References)

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