創新能力驅動的硬件類課程群生態圈構建與實施

高 燕，劉傳星

（榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000）

0 引 言

物聯網專業硬件類課程普遍具有較強的綜合性、實踐性和創新性要求，要求學生在了解相關基本概念的基礎上，掌握相關的原理、方法和技巧，同時通過實驗、自主實踐等環節將理論與實踐相結合，培養學生解決實際工程問題的能力[1]。如何對課程資源進行開發、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容銜接不暢和整體優化不足的問題，成為硬件類課程教學改革中面臨的重要挑戰。

因此，本項目嘗試以省級一流課程電子技術基礎課程資源建設為抓手，整合優質課程資源，打造線上線下混合式教學圈和優質資源建設開放互動圈，并通過教師、學生、管理者、教學管理平臺和教學保障機制形成良好的教學生態鏈，支撐教學生態圈建設。

1 教學中存在的問題

1.1 授課內容陳舊

物聯網專業硬件類課程大多是多技術多學科的融合，涉及到了計算機技術、通信技術、傳感器技術、電子技術、圖像技術等眾多領域，覆蓋范圍廣，發展速度快[2-3]。然而，現存的問題是，盡管在教材的選擇上，教師已經盡量做到選擇教學內容新穎的以及與實際緊密結合的教材，但是由于行業發展迅速、技術迭代周期短，教學中依然難以避免地存在教材內容陳舊、技術過時的問題。

1.2 實驗內容單一，缺乏創新

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

1.3 課程孤立，承接關系較弱

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的關系，但是這些課程在內容設計和實驗安排上承接關系較弱，并沒有直觀地體現出先修課程和后續課程之間的內容延續、彼此銜接的關系[7]。

2 理論教學改革措施

2.1 追蹤學科前沿技術，引入領域商業案例，動態更新教學內容

為了解決物聯網專業硬件類課程中教學內容陳舊的問題，在知識點的講授中，有意識地引入各個領域的前沿技術，例如百度API的人臉識別、圖像識別、語音識別等技術以及OneNET云平臺的數據可視化等。對新技術進行介紹和分析，能夠激發學生進行進一步探究的興趣，解決教材內容陳舊過時的問題。同時引導學生對該領域科研論文進行學習和探討，分析論文中值得學習和借鑒的地方，例如系統設計方法、算法的引入等，并利用批判性思維發現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。通過這樣的分析訓練培養學生的科研意識。

2.2 融合線上線下，利用新媒體平臺，創新授課方式

利用教學輔助平臺，例如學習通、雨課堂等，建立SPOC視頻庫、資料庫、題庫、作業庫、試卷庫和活動庫，供學生和教師開展線上教學。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、主題討論等教學活動[8]，實現了對學生學習過程的全過程考核。與此同時，針對如今成長在網絡時代的學生特點，為滿足他們多樣化和個性化的學習需求，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的內容推薦給學生，拓展多元化的知識獲取途徑、豐富授課方式。

2.3 鏈接能力培養路徑，打造硬件類課程體系，形成課程生態圈

第一階段，構建一個由學生主體、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課程生態圈，如圖1所示。

圖1 電子技術課程生態圈

在課程生態圈中，學生始終處于教學的主體地位，所有的教學活動都緊緊圍繞著這個主體展開。學生之間相互協作、共同進步。

以授課教師為主導的教師主體，不僅僅包括了課程的授課教師，還包括了教學平臺的管理者、輔助各類教學活動有序開展的助學者以及充實教學資源、提供豐富項目經驗的行業專家。由他們組成的教師主體，根據需要隨時向學生主體提供引導和支持。同時，教師主體間通過信息交流彼此保持密切聯系，隨時掌握和修正教學內容和教學進度，使得教學活動保質保量地有序進行。

學習通、雨課堂等教學平臺可以輔助教師實時掌握每個學生的學習數據，實時跟蹤課堂中每個個體對課程內容的學習情況[9]，并將量化數據提供給教師主體和學生主體，使教學中的各主體及時獲得教學反饋和評價，修正教學進度和內容。

第二階段，總結電子技術課程生態圈構建的思路和方法，形成一套切實可行的實施辦法，在物聯網專業各硬件類課程教學中進行推廣試行，打造適合各課程的生態圈。

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

真正實現將體系內各課程知識點融會貫通、綜合應用。同時，以此為契機，將教學生態圈建設的構想和方法推廣到相關的上下游課程，利用貫通式大作業、課程設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圈，使學生對硬件類專業課體系有完整清晰的認識，能夠理清各硬件類專業課之間的承接關系，使得他們能夠在課程群生態圈的良好教學環境中將物聯網工程專業硬件課程體系內各門課程知識點融會貫通。

3 實驗內容和方法創新

3.1 設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，設計成一系列由易到難的階梯式實驗任務，讓學生循序漸進地完成一個實用智能家居系統的開發，培養學習成就感的同時也為以后的畢業設計、工作打下基礎。例如，嵌入式系統與原理課程中智能語音家居系統項目的實驗教學進度安排如圖2所示。

圖2 智能語音家居系統項目實驗安排

實際項目開發涉及到專業知識的方方面面，能夠將嵌入式系統、傳感器技術、通信技術、網絡技術、微信小程序開發，甚至把Gitee代碼協作平臺和騰訊會議的使用結合在一起，讓學生能夠將所學知識融會貫通，并學會自己獨立解決問題。

3.2 利用百度API開放平臺和OneNET云平臺增加實驗創新性和挑戰度

百度開放平臺是百度各產品線開放平臺、開源庫、開放API的統一入口，開放API提供了免費的人臉識別、文字識別、圖像技術、語音技術等[10]，只要接入API就可以利用這些技術實現有趣的項目功能。圖3就是利用人臉識別技術實現的人臉考勤系統。

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網應用和真實設備之間搭建的一個高效、穩定、安全的應用平臺。利用這個平臺可以實現實驗數據收集、分析和展示，還可以實現指令的下發。OneNET云平臺收集到的數據流信息顯示如圖4所示，移動端界面展示如圖5所示。

圖4 OneNET云平臺收集到的數據流信息

圖5 移動端界面展示

3.3 更換陳舊實驗設備，配置靈活功能模塊

在實驗教學中，依據具體實驗項目需要的功能，按需靈活購買各類硬件模塊，學生可以依據自己需要的功能自由組合功能模塊，在提高了學生動手能力和自主創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是學生自己設計完成的基于微信小程序的智能語音家居系統，可以通過語音、手勢和移動端小程序協同完成對家居環境信息的采集、顯示和設備的控制。

圖6 學生設計實現的智能語音家居系統

3.4 培養工程思維，多角度、多維度思考問題

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

4 結 語

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

同時，這樣的實驗教學設計在充分激發了學生自主創新和動手能力的同時，讓他們真正體會到了學習的快樂和成就感，也體現了課程的創新性和挑戰性。