融合DoPBL模式的开源硬件与编程混合式实验教学探索与实践

叶俊男，余哲寅，杨超翔

（华东理工大学艺术设计与传媒学院，上海 200237）

0 引 言

随着5G、物联网、人工智能等技术的发展，各高校设计专业已逐步将智能化设计作为重要的基础教学内容，以Arduino、BeagleBoard、树莓派等为代表的开源硬件为智能原型设计提供了良好的实现平台［1-2］，对现时代背景下设计相关专业学生智能化设计创新与实践教育具有重要意义。目前，开源硬件与编程实验课程同时覆盖了我国中小学基础教育、高等教育与职业教育三大领域［3］。该实验项目现已正式划入部分城市中小学课程体系［4］，同时在机械类、电子信息类、自动化类、计算机类等学科专业的高等教育中也已开展多年。同济大学［5］、四川美术学院［6］、湖南大学、清华大学、美国麻省理工学院、荷兰代尔夫特理工大学等国内外顶尖设计院校也逐步开设了基于开源硬件的实验课程、工作坊等。在设计类院校开设的实验课程中主要采用Arduino平台进行智能原型的设计流程与方法学习，为相关产品智能创新设计研究和实践提供了参考，并为之后的专业课程打好扎实的基础。同济大学设计创意学院围绕“设计＋技术＋商业”建立了开源硬件与编程课程体系，并实践多年；清华美院信息艺术设计系使用开源硬件进行原型基础课程的教学，诞生了诸多精彩的交互作品原型设计。美国麻省理工学院使用开源硬件与编程展开了大量产品智能原型、机器人交互、虚拟现实艺术等设计研究［7］。

我校艺术设计与传媒学院通过重新制定学生培养目标，修订教学大纲从2017 年开始分别在工业设计、数字媒体艺术等专业开设开源硬件与编程实验课程。通过多年实践教学，总结出课程的主要问题有：①课程时间所限，师生交互不足。课程中，教师需占用较长时间对数字、模拟电子基础知识和编程基础理论进行讲解，学生经常无法在课程中完成实验操作与调试，教师也无法充分对学生进行答疑、辅导、评价和启发，导致学生基础知识掌握不牢固，操作方法不熟练，课程教学效果与深度受到严重影响。②艺术类文科背景，代码编程难度高。传统课程中比较重视程序设计和编程语言的教学、练习，然而代码编程由于理论性强，需要背诵的内容繁多，入门门槛较高［8］。设计类专业学生大都是艺术类背景，数理学习能力较弱，因此课程实施难度大，教学效果也不理想。③项目制实验教学，主动性学习缺乏。传统课程中，较多采用基于教材案例的项目制教学，较多以教师讲授-教师演示-学生实验的流程进行，以项目、任务的方式培养学生的能力［1］，学生被动机械地进行实验验证［9］，难以激发学生的创新性和创造力。

线上线下相结合的混合式教学模式是信息时代背景下提高教育质量的必然选择［10-11］，已经逐步成为高等教育重要方式之一［12］，越来越受到教师和学生的认可与欢迎［13］。该模式使用计算机和网络技术将基本知识与技能教学放在线上进行，以精炼的文字、视频资料等形式，由学生灵活选择时间地点自主观看、阅读和学习，帮助学生建立知识和技能体系［14-15］，而将线下课堂的时间充分运用于实践、练习、讨论和教师答疑等［16］。2020 年新冠疫情以来，各大高校积极搭建线上课程平台，为线上线下相结合的教学模式提供了良好的基础，并已经积累了较多的成功案例，如：马超等［17］在机械设计实验课程中引入混合教学模式，提供了实验教学新思路；冯凌云等［18］采用线上线下相结合的教学模式打破了机器人教学的限制；此外，该混合教学模式还在医疗、化工、自动化等实验课程中得到实践。事实证明，线上线下相结合的混合式教学模式能够在实验课程中发挥积极的作用。

因此，针对当前开源硬件与编程实验课程存在的问题，以面向设计的产生式学习（Design-oriented Production-Based Learning，DoPBL）模式为基础，以线上线下混合教学模式为框架，探索该实验课程的创新教学方法与流程。

1 DoPBL教学模式

DoPBL模式是董艳教授提出的新型教学模式［19］。该模式综合了问题式PBL（Problem-Based Learning）模式与项目式PBL（Project-Based Learning）模式的流程与要素，融入了斯坦福大学D.S.School的EDIPT设计思维模型，将共情（Empathize）、定义（Define）、构思（Ideate）、原型（Prototype）及测试（Test）5 个阶段与传统PBL模式相结合（见图1）。相较于传统PBL模式，该模式能够在引导学生自主构建知识体系的基础上，进一步培养学生包括创新思维、创造思维、设计思维、跨学科整合能力等在内的综合素质与能力［12］。其基本环节包括：①选定问题／项目。创设情境，学生发挥共情能力挖掘问题、确定项目。②制定方案／计划。基于对问题的深入分析，定义问题边界，构想解决方案，制定项目计划。③设计活动探究。通过调研、讨论，进一步获得资料与数据，迭代优化解决方案。④生成方案／作品。进行解决方案的原型制作。⑤进行成果交流。学生进行成果的展示与交流。⑥开展活动评价。对学习过程、成果开展全方位评价。张甜等［20］在STEAM［科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），艺术（Arts），数学（Mathematics）］教育中的Word模块教学中采用DoPBL 模式，提高了学生的综合能力；姚辉［21］在DoPBL 模式的基础上融入计算思维，提出了计算思维培养的PBL 模式（PBL for Computational thinking training，CTPBL模式），证实了该模式在计算机教育中的可行性。

图1 融合DoPBL的线上线下混合实验教学模式

图1 DoPBL教学模式

项目式PBL 教学模式在传统开源硬件与编程实验课程中较为常见［5，22］，根据课程教学内容和培养目标，DoPBL教学模式更契合设计相关专业的实验教学，采用该教学模式能够更好地开展智能产品创新设计实践教学，帮助提升学生的综合设计能力与素质。

2 开源硬件与编程混合式实验教学目标与软硬件

2.1 开源硬件与编程混合式实验教学目标

在专业知识方面，使学生了解基础编程语言的发展历史，语言优势和应用场景；能够了解编程语句基本逻辑，掌握Arduino基础编程语句与用法，掌握Arduino图形化编程方法，以及开源软硬件适配原理；能够掌握各种开源硬件的基本使用方式，并用其搭建智能硬件原型，以实现创意设计想法。为模型制作、产品创意设计等课程奠定基础。

在专业素质方面，使学生能够结合相关知识思考、识别和判断日常生活领域中存在的各种产品、交互、服务、系统等问题，树立社会主义核心价值观，并对复杂问题进行梳理与分析，结合掌握的知识技能来找寻可替代的最佳方案，培养学生的独立思考能力、问题解决能力与创新意识，以及设计美学与工程思维的培养。通过小组学习与研讨，培养学生团队合作能力，提升专业职业素养与责任意识。

2.2 相关软硬件选择

课程硬件采用Arduino Uno 开发套件；软件采用Arduino、慧编程和App Inventor。①Arduino Uno 开发套件。Arduino Uno 简单易学，价格便宜，支持Windows、MacOS、Linux 三大操作系统，其软硬件皆开源可拓展［23］，且硬件资源及网络资料丰富［5］，非常适合作为开源硬件与编程的学习平台。②慧编程（mBlock）。基于Scratch开发的图形化编程软件，能够将图形化程序转换为代码程序，且有丰富的程序扩展可供下载使用，降低编程的学习难度，提高学习效率。③Arduino IDE。Arduino官方开发编译工具，能够灵活地编写复杂的代码程序。④App Inventor。手机App图形化编程软件，用于课程后期App 与Arduino Uno交互操作的教学。

通过上述软硬件，要求学生熟练使用Arduino Uno开发板和各类基本的电子元件模块，配合手机APP，搭建产品或产品系统原型，实现自己的创意。另外，在编程中引入了图形化编程方法替代传统的代码编程，学生仅需在图形化界面修改语句块的参数和连接方式即可修改完整的程序，也可以将图形化程序转换为代码程序进行修改，有效地解决了单一代码编程对于设计专业学生难度过大的问题。

3 DoPBL模式的开源硬件与编程混合实验教学内容设计

3.1 融合DoPBL的混合式实验教学模式构建

针对教学目标，课程通过EDIPT［同理心（Empathy），定义（Define），创想（Ideate），原型（Phototype），测试（Test）］设计思维模型对DoPBL 教学模式进行了升级，创新提出融合DoPBL的线上线下混合实验教学模式。该模式包含基础理论与实验、项目实践两大模块，分为理论MOOC、基础实验、项目选定、方案制定、设计研究、原型制作、测试迭代、交流评价8 个环节。在项目实践模块中，在原有DoPBL模式中加入“测试迭代”环节，合并“进行成果交流”与“开展活动评价”两部分为“交流评价”环节（见表1）。理论MOOC和基础实验环节进行基础理论的讲授，并根据教材案例进行基础实验，为后续项目创新设计实践奠定基础；通过项目选定、方案制定、设计研究3 个环节生成与完善项目创新设计方案；之后在原型制作与测试迭代环节，完成产品智能设计原型的制作与测试；最后组织心得交流，并进行考核评价。

3.2 融合DoPBL 模式的混合式实验教学方式与内容

依照我校设计相关专业培养计划，融合DoPBL教学模式对开源硬件与编程实验课程的教学内容进行了编排与整合。课程作为专业选修课于本科一年级第2学期开设，总学时为48 学时，分为讲授课程16 学时及实验课程32 学时，为期6 周，每周2 次，每次4 课时。具体教学计划与课时安排见表2。基础理论与实验模块对开源硬件与编程理论知识进行讲授，并配合相关实验，项目实践模块则为学生创意项目设计，最终成果将以期末成绩计入总分。下面通过建立的融合DoPBL线上线下混合实验教学模式的8 大环节对教学方式与内容进一步介绍。

表2 教学计划与课时安排

3.2.1 理论MOOC

理论MOOC 利用线上平台进行，教师制作并上传课件，供学生在线上学习。课件是教学开展的根本。开源硬件与编程课程的课件包含基础理论讲解，实验方法讲解、优秀案例分享3 部分。①基础理论部分以PPT和录音方式制作，需要对元器件的基本种类、工作原理、电路原理和运用领域等进行科普性介绍，应当涉及电子、机械等专业的基本专业知识，目的是让学生在面对智能产品不同功能需求时能够合理选择相应的电子元件模块。②实验方法讲解部分通过图示与视频演示相结合的方式讲解智能硬件模块的安装方法、使用方法、编程方法及可能包含的关键代码语句，图示、视频应当清晰、精炼，方便学生在实验过程中进行回放。③优秀案例分享部分以视频形式呈现，直观地让学生了解智能硬件模块的使用场景，同时开拓学生的设计思维，引发学生对生活中问题的思考。学生在该阶段中通过视频掌握理论知识，对相关操作技能进行初步的熟悉与了解。

在课程第1、3、5、7 节课安排线上理论MOOC，要求学生按课程计划完成课程理论部分的学习，如：第1节课完成开源硬件与编程概论、开发环境与软件安装、基本电路知识与实践、Arduino 与LED 灯、开关（数字信号）4 小节的学习。教师在课程第2、4、6、8 节课前通过在线学习平台系统检查学生学习完成度情况并进行考核打分。

3.2.2 基础实验

基础实验课程不再安排理论讲授，给予学生足够的时间对理论MOOC 中所学习的教学案例进行验证性实验，让学生自主分配时间来巩固各智能硬件的使用方法。教师在线下课程中仅对每个小组进行针对性答疑、辅导，同时鼓励学生根据掌握的内容进行创意设计，通过简单的自主设计、安装、实验，加深对各智能硬件功能及作用的认识。

3.2.3 项目选定

该环节在第5 节课中线上举行项目启动会议，学生进行项目设计分组并开始创新设计学习阶段。教师提前准备多个项目设计方向供学生选择，限定大致情境范围，引导学生对每个项目展开简单的共情分析，要求学生将自己代入情境中，发现情境中的实际的问题和需求，结合学习掌握情况和参考案例，最终确定项目设计方向与目标。

3.2.4 方案制定

该环节安排在第6、7 次课中进行，分为方案研讨和调研汇报两部分。在方案研讨环节，学生在课堂中进行头脑风暴、研究会议等，教师对学生方案内容进行针对性的指导，对开源硬件的技术可行性给出评估与建议。在调研汇报环节，每组学生通过视频会议形式线上汇报创新项目方案背景、拟解决的问题、实施技术方案、工作进度安排等，教师根据汇报内容从创新性、可行性等角度进行意见与建议。

3.2.5 设 计

EDIPT设计思维除了定义了设计思维的5 个步骤外，还强调通过步骤间的重复、循环，达到优化迭代设计的目的。该环节包括研究会议、中期汇报两部分，分别在第8、9 次课中以线下学习形式进行。学生对确定的创新项目基本方案展开包含用户需求、竞品分析、市场环境等研究，通过线下研究会议形式对涉及相关开源硬件技术与编程语言进行讨论与分析，在经过多次迭代优化后形成最终的解决方案，包括创意项目设计图、电路图、编程逻辑等，并在中期汇报环节进行汇报与交流，教师根据每组方案实施内容给出合理性建议。

3.2.6 原型制作

该环节安排在第10 次课以线下实验形式进行，通过学生团队分工协作，分别对既定的创新项目设计方案进行配件设计、装配制作、电路连接、程序编写等，通过相关开源硬件的应用完成最终设计方案原型制作。在这过程中，教师在课程中进行多轮小组巡查，鼓励学生独立思考、团队协作，开展围绕开源硬件安装与编程的答疑辅导与思维启发，提倡学生在实现期望础上优化原型的造型和结构设计。

3.2.7 测试迭代

在原型制作完成后，学生在课内外对创意项目原型进行多轮测试与迭代，教师在线下课程中针对学生创新项目碰到的程序无法运行、运行效果与预期不符等情况给出意见和建议，鼓励学生自主检查、思考与讨论。各组通过不断更新与改进程序逻辑优化原型设计方案，最终完成创意项目原型制作并完成相应的汇报PPT。

3.2.8 交流评价

课程最后通过交流评价环节完成期末考核，在实验室中排列展示各组创意项目作品。每组学生逐一对项目前期设计研究、方案概念发散、硬件方案运用、程序逻辑制定等内容进行讲解，并演示设计原型，其余团队对展示作品进行交流与点评，共享设计制作过程中的经验教训。教师对小组的课堂表现和作品效果进行点评，并对创意作品进行打分。

3.3 课程考核方式

课程考核将采取学生在线上、线下综合学习情况进行评定，期末总成绩包括主要包括平时成绩（30%）＋期末成绩（70%）。平时成绩包括出勤率（10%）＋在线课程学习情况（30%）＋基础实验完成情况（40%）＋课程互动表现（20%）。期末成绩评定包括创意项目汇报情况（10%）＋开源相关硬件模块使用与编程情况（50%）＋项目作品创新性与设计感（30%）＋团队协作情况（10%）。

4 教学实践与评价

4.1 教学实践

目前采用融合DoPBL 模式的开源硬件与编程线上线下混合式实验课程教学已经在艺术设计与传媒学院开展2 年，学生通过学校在线学习平台观看教师事先录制的教学视频，对各元件进行学习，并在线下基础实验课程中进行集中实验，学生均在规定时间内完成线上MOOC的观看，并有多次重复观看的记录。在项目实践模块，学生充分发挥思考，选定项目，制定方案，使用观察法、体验法、问卷调研、竞品分析等方法进行深入的设计研究，经过原型制作测试和多次优化，最终诞生了较多优秀大作业，如以舵机为核心的超声波感应翻书工具等（见图2）。最终，学生均获得了不错的成绩。另外，教师与学生之间在课程之余通过学习平台、微信、钉钉等途径建立联系，学生的困惑都得到了及时解决。

图2 学生作品-超声波感应翻书工具

4.2 教学效果评价

课程采用线上线下结合的授课方式，引入图形化编程方法对传统代码编程方法进行补充，融合DoPBL教学模式，以基础理论与实验模块、项目实践模块同步交错推进，诞生了一系列优秀作品，收获了学生和听课专家的好评，近2 年课程评教得分均高于95 分。以下总结学生和听课专家评教情况：

学生评价：①设计经验增加。在项目中多次经历设计研究阶段，学生已经逐步形成了设计研究的习惯，对各种不同的设计研究方法也都有亲身的体验，将更有助于其他专业课程的学习与推进。②设计成果储备。每次项目实验选题的过程都为学生积累了丰富的灵感和方案，其中一部分方案原型已经落地，具备转化为成熟产品的潜力，部分设计成果在后续的设计比赛、专利申请中得到了再次利用。③课程难度降低。图形化编程降低了编程的学习难度，消除了学生对编程的恐惧感，学习热情和效率提升。④学习时间灵活。理论部分采用线上MOOC教学，给学习时间分配提供了更多的可能，也方便反复学习。

听课专家评价：①教学深度增加。相较于传统的教学模式，融合DoPLB的混合实验教学模式丰富了教学内容，除了基本课程内容外新增了具体项目实践，增加了课程教学的深度。②课程内容丰富。新模式课程内容明显增加，课程更加饱满。

5 结 语

针对现有开源硬件与编程实验课程中存在的问题进行了改革与探索，融合DoPBL教学模式与线上线下混合式教学模式，构建了一套面向设计相关专业的开源硬件与编程实验课程的新教学模式。通过实践表明，新模式有效地提高了设计相关专业学生开源硬件与编程的学习效率与热情，降低了学习难度，在完成开源硬件基础教学的同时，全方位培养学生的创新设计能力，帮助学生积累了设计方案与经验，较好地达到了课程培养目标，具有较好的实践应用与推广价值。同时，在所构建的框架模型的基础上，可将研究进一步横向拓展，研究该模式在设计专业其他课程、或其他专业教学中运用的可能性，并提出具体的实施方法。