本科一年级开设Arduino选修课的教学实践

张崇明, 叶 宏, 倪继锋, 汪春梅, 李传江

(上海师范大学 信息与机电工程学院, 上海 201418)

电类专业的一年级本科生大体只能接触到一些通识课和基础课,这种安排不利于对学生专业兴趣和创新能力的培养,进而会影响后续专业课程的学习效果。在“新工科”建设[1]的大背景下,转变培养思路,“问技术发展改内容”[2],对现有的课程体系和课程内容进行改革,把培养各种社会需要的技能作为本科教学的基础。参考国内外同行的做法[3-4],尝试在大一下学期开设一门实用的专业课。现有的专业课普遍对先修课程有一定要求,所以不能简单地把高年级的课程提前到一年级开设。结合学校层面开展的教改活动,我院电子信息工程专业从2016春季学期开始,主要面向一年级本科生,开设了一门新的专业选修课——“Arduino入门”。本文将对这门课程开设的必要性、课程内容、教学目标、学习评价方案、教学过程实现、教学效果和实施过程中遇到的问题等进行分析和介绍。

1 课程简介

1.1 开设本课程的必要性

Arduino作为流行的开源软硬件平台[5-6],早已受到相关学科教师的关注。不少一线教师已开始在他们的课程中利用Arduino完成各自的教学目标[7-9]。但是,该不该面向电类专业的本科生专门开设一门Arduino选修课,这其实是一个有争议的话题。Arduino的入门难度较低,因此,在Arduino的爱好者中不乏文科背景的爱好者、艺术家和设计师,甚至还有大量参与科创活动的中学生。Arduino单独设课的理由如下:

首先,不能把大一的学生关在创新活动的大门之外,电类专业大一的学生需要能把想法转变为实物的工具,而Arduino的优势正是快速实现一个物理系统的原型,能让学生把创新的想法变成物理世界的一个实物。

其次,表面简单的Arduino其实并不简单[10],对于大多数学生来说,对于Arduino这样的涉及硬件的知识和技能,虽然单凭自学可以入门,但很难深入理解并把它应用到有价值的实际项目中。在简单易上手的Arduino背后,是庞大的Arduino开源生态系统。通过设置此课程,能让学生有机会与教师及其他同学相互交流,因而能更好地掌握这个在一定程度上能改变物理世界的工具。

此外,开设这门课,也是在“新工科”建设的大背景下地方高校创新应用型和技术技能型人才培养方式的需要。“新工科”建设“天大行动”提出,要积极探索综合性课程、问题导向课程、交叉学科研讨课程,提高课程兴趣度、学业挑战度[2]。而本课程是符合这些要求的。

1.2 课程内容

本课程的主要教学内容是指导学生实现各种基于Arduino的有潜在应用价值的电子产品原型。Arduino的入门难度较低,因此,与传统的电类专业课相比,本课程对先修课程基本没有要求。

本课程的课内教学活动全部在实验室环境中开展,总学时是32。具体教学内容包括 Arduino开源软硬件平台简介、Arduino编程的基本语法、数字量和模拟量的输入输出、与PC机的串口通信、各种常用传感器和执行器的用途和使用方法、基于Arduino的电子产品原型系统的构建步骤和实例分析。

1.3 教学目标

本课程的教学目标有3个:

(1) 引导学生尽可能早地接触电子信息领域的专业知识,发现其中蕴藏的无穷乐趣。

(2) 帮助学生掌握基本的电子制作常识,了解Arduino开源软硬件技术的全貌,了解电子产品原型系统的制作流程。

(3) 通过若干实验和项目提高学生的动手能力、编程能力和创新能力,使学生初步具备设计和制作基于Arduino平台的电子产品原型系统的能力。

概括说就是激发兴趣、掌握知识和培养能力。

1.4 学习评价方案

本课程的学习评价方案如下:平时成绩占总成绩的50%,包括考勤、实验、测验等评分项目；期末采用“项目报告+项目实物演示+答辩”的方式进行考核,占总成绩的50%。期末考核的具体要求是:利用Arduino实验套件,设计一个基于Arduino的具有实际用途的电子装置。学生需要根据自己的兴趣自选设计题目。电子装置的实物完成后,需要向教师汇报完成情况,进行实物演示并提交项目报告。教师根据选题质量、实物完成情况、项目报告完成情况和答辩表现给出学生的期末考核成绩。

2 教学过程设计

“问学生志趣变方法”[2]的含义之一,就是要加强教学方法和教学手段的改革。为此,在本课程的教学过程中,运用了“混合式学习”[11-12]的策略和方法。教学过程如图1所示,包括课前、课中和课后3个阶段的教学活动。

图1 教学过程结构示意图

课前教学活动主要是要求学生提前观看一些教学视频和TED演讲视频。利用以微信为入口的“微助教”平台(http://portal.teachermate.com.cn/)向学生推送这些视频。教学视频的内容和课中教学活动密切相关,其主要目的是减少课堂中教师的讲授时间。教学视频的内容主要来源于网络。例如,Arduino创始人之一Massimo Banzi 录制的几个入门视频被用作教学视频。教师精选的TED视频会和课中教学活动有一定关系,主要用来开阔学生的技术视野和提高学生的学习兴趣。

课中教学活动每周开展一次,每次持续90 min。大体时间安排如下:前10 min用来和学生交流,了解和检查课前观看视频的情况,并对其中较有趣和较有启发性的内容进行探讨；接下来的20 min用来讲解教学计划中安排的授课内容；之后的60 min围绕一个实验项目展开。

在实验时间段内,学生先是要完成一个基础实验,即按照实验指导书中的要求,构建一个基于Arduino的电子装置。在此基础上,按照教师的要求,对该装置进行改进,从而完成一个扩展实验。这期间会有大量的师生间的交流。

因为实验指导书中有详细的实验步骤,加之有授课教师和实验室教师的指导,几乎所有学生都能在60 min的实验时间段内完成基础实验。虽然扩展实验和基础实验相关,但软硬件方面都可能需要做一定程度的调整和改变,且实验指导书上没有相关的内容,因此,只有部分学生有能力在实验时间段内完成扩展实验。所有学生都需要撰写和提交实验报告。此外,所有学生还需要完成一个在线小测验,用来评估本周的学习目标是否达到。

为了让学生能切实有条件实施上述课后教学活动,允许和鼓励学生把Arduino实验套件带回宿舍。因为未完成扩展实验的学生需要使用实验套件对软硬件进行调试。这样做的另一个好处是,方便了有兴趣玩Arduino的学生,他们可以更灵活地安排学习时间,还可以利用实验套件做一些自己感兴趣的创新项目。

在基于“混合式学习”的教学过程中,让学生在一定程度上能自主选择学习时间、学习路径和学习场所是至关重要的。在课前,每个学生都可以选择最适合自己的时间地点,通过手机观看视频和完成课前反馈。在课中和课后,每个学生都可以根据自己的能力水平为扩展实验分配时间。部分能力强的学生可以在教师的指导下定制他们的学习路径,他们往往比其他学生提前数周完成教学计划中安排的实验内容,因此有时间来完成一个较高水平的期末项目作品。

3 效果评估和问题讨论

本课程已面向一年级本科生连续开课2次,根据课上课下得到的反馈,以及从“微助教”平台和Blackboard系统获得的统计数据,做了初步的教学效果评估。

在2017春季学期,针对38名来自于电子信息工程专业的选修本课程的大一学生做了在线问卷调查。关于专业兴趣,调查结果如下:在学习本课程之前,表示对所学专业“较有兴趣”和“很有兴趣”的比例分别是34.2%和10.5%,在学习本课程之后,表示对所学专业“较有兴趣”和“很有兴趣”的比例分别是36.8%和13.2%。可见,本课程在保持和提升学生专业兴趣方面是有效果的。

该问卷中的另一道题目是:假如让你报名参加和专业相关的竞赛或大学生创新创业训练计划项目,你有多大信心完成项目并取得较好名次？在学习本课程之前,表示对此“较有信心”和“有点信心”的比例分别是5.3%和23.7%,在学习本课程之后,表示“较有信心”和“有点信心”的比例分别是21%和34.2%。自信心的提升间接表明,学生是学到了一些实际技能的。而从学期末学生提交的项目作品,可以更直接地观察到他们专业技能水平的提高。与此同期也注意到,在本课程教学班中,学生实际申报各类学科竞赛和创新项目的人数也明显高于全学院的平均水平,一些申报项目正是基于Arduino平台。可见,本课程在学生创新能力培养方面是有帮助的。

在本课程的实施过程中也发现一些问题。

首先,学生在课外的学习投入不足。虽然向学生再三强调参与课前和课后教学活动的重要性,但根据从“微助教”平台和Blackboard系统获得的数据,学生及时参与这些活动的比例在60%左右。在此情况下,缩短课堂上的讲授时间会导致那些不参与课前和课后教学活动的学生更难完成学习任务。造成这一局面的原因是多方面的,例如部分学生对任意选修课的重视程度不够、少数来混学分的学生确实对本课程不感兴趣、电类专业的学生课业负担重、学生还不适应新的学习模式等。

其次,教学组织和实验室管理方面的负担加重。课前、课中和课后3个阶段教学活动的设计和准备,需要比传统的教学方式消耗更多时间。在选课人数较多的情况下,课中对学生实验活动的指导和评价,使得实验指导教师十分忙碌,实验套件中各种分立元器件的损坏率和丢失率都较高。

在后续的教学实践过程中将探索减小这些问题影响的方法。

4 结语

从过去2年的教学实践中积累的经验和获得的教学数据来看,把本科电类专业的专业课前置到一年级开设的做法是可行的。Arduino作为流行的开源软硬件平台,具有硬件成本低、入门门槛低、学习曲线平滑和网络资源丰富的特点,是在一年级开设专业选修课的理想选择。教学实践表明,Arduino选修课在保持、提高学生专业兴趣和培养学生创新能力方面都发挥了积极的作用。在“新工科”建设的大背景下,要改变“先知识后技能”的培养思路,要把创新创业、跨学科交叉融合、批判性思维等核心素养的培养放在重要位置。本课程也是在教学一线落实“新工科”建设目标的有益尝试。

References)

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