基于深度学习理论的教学模式的探索与实现——以嵌入式机器人应用开发课程为例

苏春芳，杨立志，倪 峰

（江阴职业技术学院 计算机科学系，江苏 江阴214405）

0 引 言

随着中国迈步中国“智”造，人工智能、物联网等技术的迅猛发展，具有深度学习能力的嵌入式、物联网人才越来越受到业界的欢迎，如何培养学生的深度学习能力，成为当前教育改革研究的热点课题。学习者的学习主要包括“浅层学习”和“深层学习”，相对而言，深度学习是一种更高阶的学习。对学习者深层学习能力的培养更关注学习者的批判性思维，旨在提升学习者技能迁移应用、解决新问题的能力，逐渐让学生摆脱浅层学习所带来的即时满足感，引导学生对知识进行深度加工，进而重构自身的知识体系和方法体系，从而提高触类旁通、举一反三的知识迁移能力和对未知问题的解决能力。

1 深度学习教学模式

深度学习是一种主动探究性的学习，是指在理解的基础上，学习者进行深度的信息加工，并将新知识融入到原有的知识结构中，重构自己的知识体系和方法体系，并能够进行知识的迁移，解决新的实际问题。文献[1]提出深度学习和浅层学习的概念，指出浅层学习与深度学习在学习特征上存在一定的差异。文献[2]指出浅层学习是一种机械的记忆，仅关注解决问题所需的公式和外在线索，缺少学习者的反思，是一种被动的学习；而深度学习是学习者主动地、批判地学习过程，在理解的基础上，建立新知识和原有知识之间的联系，是一种主动地、高阶地思维学习过程。文献[3]指出深度学习重在培养学习者的6种能力，主要包括认知领域、人际领域和个人领域3个层次的能力的培养，见表1。

表1 深度学习能力框架

教师可以通过合理构建教学情景、设计教学过程来培养学习者深度学习的能力，学习者不仅要掌握核心的专业知识，还要学习如何应用所学的知识，解决未知的、复杂的环境中的实际问题，这就要求教师传授给学生的是“授之以渔”，而不是“授之以鱼”。面对未知的、多变的信息时代，良好的团队协作和有效的沟通交流能力以及主动学习的能力更是不可或缺的，培养具有深度学习能力的、社会需要的人才是教学改革永恒的追求目标。

2 基于深度学习的课程教学改革

嵌入式机器人应用开发是嵌入式技术与应用专业的专业模块课程，教学目标是培养学生基于Arduino开发平台，应用传感器技术与综合控制技术，构建嵌入式系统及产品的能力。在传统教学过程中，侧重于知识点的讲解、理论的推导，学生往往通过模仿独自完成较为独立的、离散的动作技能，这对应辛普森动作技能领域的“有指导的反应、机械动作”这两个较低的动作技能层次，属于浅层学习的范畴。信息时代往往要求人们可以根据具体的应用情境对所掌握的动作技能进行相应的调整，基于自己的知识体系和方法体系，制定创新性的解决方案，顺利完成知识的迁移[4]，浅层的学习已经不满足时代的要求，因此在教学设计中要侧重于培养学习者 “适应、创新”这一深度学习的能力。基于深度学习理论，以“嵌入式机器人应用开发”这一课程为例，对本课程的教学目标、教学内容和教学评价进行了重新规划、设计，紧紧围绕“为什么教”“如何教”“教的怎么样”这3个方面重新进行课程的设计，侧重培养学习者认知领域、人际领域、个人领域的能力。

2.1 认知领域能力

在当今瞬息万变的信息时代，培养学生学习的能力比掌握知识本身更有意义 ，认知领域能力的培养目标是让学习者掌握核心的专业知识，提高批判性思维能力，侧重于提升学习者的学习能力。基于项目的学习（PBL）是培养学生认知能力的有效途径，整个教学课程按照“以学生为主体、教师为主导、行业规范为依据、实训为主线”的教学设计思路，将教学过程划分为课前、课堂、实训和课后4个环节。在整个教学周期中采用项目导入、任务驱动的方式，将企业真实的项目导入到课程教学中来，搭建理论知识与实际问题连接的桥梁，加快学习者对核心学科知识的掌握、内化和重构知识体系的速度，同时培养学生批判性思维，以及创新性的、多元化解决复杂问题的能力。

基于项目的深度教学过程是一个循环迭代的过程，知识的迭代过程包括课前、课堂、实训和课后4个环节，如图1所示。学习者通过对课前项目任务进行调研、分析，依据兴趣，选择开发任务，自发组成不同的项目组。以项目组为单位展开深层次的调研、学习，因此整个学习过程变为一个积极、主动、愉悦的学习体验，在学习者的内驱力作用下，学习变为一件快乐的、愉快的事情。在本课程的教学中，将企业真实的项目“智能家居控制系统”引入课程教学中，该项目既是课堂教学案例，又是学生课后优化、完善的项目，下面以“窗帘控制”为例介绍本课程的改革、实施情况。

图1 基于 PBL 的教学设计

课前：是一个学习者提前了解课堂任务，明确所要解决实际问题的手段。基于自己的兴趣爱好，学习者选择一个切入点，开展进一步的收集学习资料、调研工作，在此基础上，学习者已经对问题有了一定的认识，对问题的解决也逐步有了自己的构想、见解。在这个过程中，学习者明确了自己的学习目标，带着问题进入课堂。

在“窗帘控制”这一教学任务中，课前学生观看视频，了解本节的教学任务，获知学习的主要内容是PWM输出端口配置、ULN2003步进电机驱动芯片，脉冲宽度调制（PWM）等。依据自身的知识结构，学生在课前就对“窗帘控制”这一任务有了初步的构想，并自我确定了课堂学习的重点，带着问题进入课堂学习环节。

课堂：基于对课前任务的调研分析，课堂教学过程往往转化为对旧知识重构的过程，学习者在课堂中批判性地接受知识，从而避免了浅层学习中学习者对知识简单地复制、记忆的过程，改变了学习者盲目地、无选择地全盘接收的状态；学习者对知识的接收，持有一种批判的、审视的态度，在这种批判性思维的驱使下，激发学习者深入思考、分析、研究知识的过程。课堂教学变成一个批判性、创新性思考问题、解决问题的过程，避免学习者不必要的盲从，从而培养学习者的创新性[5]。

课堂中，学生边学习、边思考，应用新学到的知识去评估最初制订的方案是否可行，适当加以调整。在课堂教学环节中，会出现对项目实施方案的争辩和讨论，不断出现思想火花的迸射。

实训：在项目实训中，组织项目组成员之间相互讨论，通过学习者之间的思维碰撞，加速或深化知识的内化过程，促成知识的重构。

在实训环节中，依据兴趣，学生可以有选择的加入“硬件组装调试”“步进电机驱动”“PWM脉冲信号处理”等项目组中。在“窗帘控制”教学任务中，让学生感知角位移与线位移的之间关系，有助于学生在机械设备精密控制领域进行知识迁移。

课后：在课后的任务拓展中主要完成的是知识迁移应用，学习者将所学的知识泛化，迁移到新的情境中，解决实际问题。在该门课程的教学过程中，将企业的真实项目引入到实训环节，在老师的指导下，学生应用所学的知识，解决实际的、复杂的问题，从而完成知识的迁移应用。

课后学生依据自行设计的方案，对“智能家居控制系统”进一步的优化、完善，比如学生为“窗帘控制”添加智能元素，将窗帘的手动控制升级为智能控制，依据室内的温度、湿度、光照自主决策窗帘的开与关。

2.2 人际领域

在项目的学习过程中，项目组的作用得到了充分的发挥，为学习者人际领域能力的培养搭建友好的环境。通过项目组讨论以及对总体设计、详细设计、测试等阶段成果物的汇报，充分培养学习者团队协作、有效沟通的能力。项目的实施是项目组成员共同协作的过程，为每个团队成员提供个人汇报、集体讨论的机会。依据软件行业的项目开发设计流程，主要划分为4个环节培养学习者团队协作和沟通交流的能力，如图2所示。

在项目组讨论过程中，时常出现项目组成员之间的分享、争辩、辩论，从而锻炼项目组成员的沟通和交流的能力，并进一步促成了项目组长与组员、组员之间的分工协作、交流的机会。依据软件设计、开发的流程，项目的实施过程可分为制订解决方案、设计评审、编码评审、代码评审、测试评审4个环节，每个环节的完成都是项目组合作、知识迁移解决问题的过程。首先通过项目组的讨论，确定最终的解决方案；其次在项目后续的设计、编码、测试环节，为项目组成员提供阶段成果的汇报机会。汇报过程是个人能力提升、成员交流能力培养的有效、快捷的方式。

2.3 个人领域

基于教学过程中的个性化指导和课后的项目咨询等有效教学手段，使学习者获得问题解决的成功感与喜悦感，在个性化辅导过程中，学习者学会的是分析问题、解决问题的方法，进而增强学习者的学习毅力。结合深度学习理论，对个人领域能力的培养，具体可以通过2个环节实施。

（1）个性化指导：主要是在尊重学生的个体差异和个人的兴趣爱好的基础上，培养学习者学会学习的能力和学习毅力。通过个性化指导，让学习者充分体验到问题解决后的快乐，从而提升自信心，为学习者创建一个目标可达的情景。一般情况下如果学习者遇到问题，并且通过多次尝试还是收效甚微，甚至没有达到预期的目标时，就会失去信心，甚至丧失继续研究的兴趣。兴趣是最好的老师，在本门课程的教学过程中，设计个性化指导环节，重在提升学习者的学习兴趣。

图2 人际领域能力培养流程

（2）开设项目咨询课：基于学习者课前的预习，学生往往按照自己的兴趣选取相应的功能模块。为了解决问题，学习者往往会展开深层次、个性化的学习，由于个人知识结构和思维方式的不同，所遇到的问题也不尽相同，因此开设项目咨询课是快速帮助学习者解决实际问题的一个重要的手段，也是提升学习兴趣，增强学习毅力的一个重要的方式。

“窗帘控制”升级为“智能窗帘”的过程中，学生遇到的个性化的问题均是在项目咨询课中得到解决的，从根本上保证了项目的顺利进行。有针对性的、个性化的辅导有效地增强了学生的自信心，也是学生不畏困难，顺利完成项目任务的有效的途径。

3 结 语

基于深度学习理论，以嵌入式专业的专业模块课程嵌入式机器人应用开发为例，从理论上分析了深度学习的能力框架，着重阐述了如何开展深度学习，如何进行教学内容的设计以及教学实施等关键性问题。在教学中，逐步探索出一种基于项目的深度学习的教学方法，并进一步实施完善深度学习的课程教学改革。在教学改革中，有效地提高了学生深度学习的能力。能力面向性强、行业适应快是毕业生共同的特点，主要表现在对未知的控制器、未知的业务领域适应期短；另外用人单位也反馈毕业生具有较强的分析问题、解决问题的能力，具有不怕困难，耐心、踏实完成项目任务的毅力。在教学改革过程中，也存在部分学生学习不主动的问题，接下来将继续深化本门课程的教学改革，在后续的教学改革中，侧重于营造沉浸式学习氛围，搭建体验式学习环境，从而更进一步提高学生深度学习的能力。