“基于Arduino 和傳感器創新實驗”微課設計及實踐教學應用

張 晶 藍 天 譚筠梅 穆 聰

（蘭州交通大學計算機科學與技術實驗教學中心，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

在新工科建設和工程教育專業認證的背景下，高校日益重視工程學科間的交叉與融合。 現代工程是跨多學科的綜合體，對社會、政治、經濟、環境、法律和文化背景的依賴性強，工程問題越來越復雜，要求學生應具備解決復雜工程問題的能力。

目前國內的大學生在畢業后暴露出的問題主要表現在學生的實踐動手能力弱， 綜合素質不高方面。針對這一現象，近年來高校在多方面積極努力增加學生的實踐動手能力培養機會，通過科學調整課程設計內容、增加實踐實習環節、開展創新創業活動來增強學生綜合實踐能力。

1 教學背景

“Arduino 和傳感器創新實驗”是蘭州交通大學計算機科學與技術國家級實驗教學示范中心開設的面向全校學生的創新實踐類課程，目標是使學生通過學習Arduino 開發板及各類傳感器， 提升設計嵌入式作品的能力，使學生在學習和實踐中具備解決復雜工程問題的能力。 這門實踐課程以“單片機技術及應用”“C語言程序設計”等課程的學習為基礎，是進行復雜嵌入式系統設計開發的基礎。

微課是以闡釋某一知識點為目標，以短小精悍的在線視頻為表現形式，包括多種教學要素的有機結合體，它利用信息化教學手段，時間短、內容精煉，學生利用碎片化時間學習，能顯著提高教學效率。

目前硬件類實驗類的微課較少，學生進行硬件學習時遇到問題， 需要花費大量時間來尋求解決辦法，為了提高學習效率，亟需在實踐教學中配合硬件開發類的微課來進行輔助學習。

2 微課設計

2.1 設計思路

課程設計思路根據Arduino 硬件系統設計開發的流程，遵循學生的認知規律，進行規劃編排，詳細劃分課程知識點，知識講解簡單明了，重點錄制操作過程，使學生能夠在微課指導下快速掌握開發要點。 嚴格控制時長，保證學生在觀看期間集中注意力。

2.2 內容設計

在微課內容設計上，結合一線教師多年來在硬件開發方面的實踐經驗和學生進行創新作品設計的需求，精心設計，加強理論與實踐的結合，兼顧實用性和創新性，采用任務驅動和項目導向的方式，使學生掌握開發知識、具備系統開發技能。

微課選擇Arduino 作為開發板， 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，初學者極易掌握，在學生進行創新作品設計過程中被大量使用。

微課內容包括知識講解和實踐兩部分，其中知識講解包括：（1）基礎學習：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， 及搶答器等四個簡單項目設計，每節課配有擴展實驗供學生練習。 （2）高級實訓：進行復雜傳感器學習時， 以運動檢測系統等八個項目為例，帶領學生進行完整的項目開發流程，引導學生從單點系統設計逐步擴展到多點系統設計。 實踐部分要求學生發揮創造力，進行創新作品設計開發。

3 實踐教學應用

3.1 教學策略

在教學過程中，使用“以學生為中心，成果為導向”的OBE 模式和“教師主導”+“學生主體”的混合學習模式相結合的策略，學生通過微課觀看實驗步驟，通過實物搭建和安裝測試驗證實驗內容。通過“問題引導—布置任務—學生思考自學—分組討論—教師總結答疑”的教學方式以問題引出知識要點，教師僅作為學生學習的輔助者，對于學生出現的問題予以幫助和解答，課堂由學生主導，增強學生的創新思維、創新能力以及團隊協作能力。

3.2 教學目標

3.2.1 知識目標

（1）掌握Arduino 開發板的結構、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）掌握系統設計、調試、更新迭代的流程和方法。

3.2.2 能力目標

（1）培養自學能力，能夠快速讀懂元器件相關資料并進行應用；（2）能夠熟練使用仿真電路設計軟件和編程軟件，進行電路及程序設計；（3）按照電路設計完成實物設計，能夠對系統進行測試、進行問題排查及修正。

3.2.3 情感目標

（1）培養學生善于發現問題，積極思考解決問題的創新意識；（2）培養學生勤于實踐、通過實踐不斷改進作品的創新能力；（3）強化學生嚴謹的工作態度和精益求精的創新態度。

3.3 教學組織

微課設計完成后， 主要對我校計算機科學與技術國家級實驗教學示范中心的嵌入式實踐育人基地開設的“Arduino 創意作品設計”開放實驗進行輔助，學生在實驗之余可以反復觀看微課，便于鞏固學習內容。

3.4 教學效果

通過微課輔助開放實驗的開展， 學生對實驗內容的掌握更加牢固， 學生的創新意識和創新實踐能力得到了大幅度提升，同時也激發了創新實踐熱情。申報的“基于Arduino 的自動調酒機器人”“基于Arduino 和3D 打印的智能測溫槍”等多項大學生創新訓練計劃項目， 并在全國大學生物聯網設計競賽等多項創新競賽中取得了優異的成績。

4 結語

教學實踐證明， 在創新開放實驗中引入微課，能有效將知識點化難為簡，便于學生理解和課后實踐聯系，學生反饋效果良好。 微課實現了多種媒體的整合，使課堂內容更加豐富。 在微課設計制作過程中，要求教師對實驗內容有深入的理解和較強的課程建構能力，既提升了教師專業素質和教學能力，也加快了信息化技術在實踐教學中的應用。