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基于Arduino平台的高职信息工程类课程改革探索与实践

作者:未知

  摘  要 针对高职院校信息工程类课程特点,提出将Arduino平台引入信息工程类课程教学中。通过教学改革降低教学实验成本,降低学生学习门槛,从教学理念、教学设计、教学方法、课程实施、考核方式等方面探索信息工程类课程改革,将实践与学生的兴趣相结合,提高学生的创新意识和创造能力。
  关键词 Arduino;信息工程;课程改革;高职院校;任务驱动教学法
  中图分类号:G712    文献标识码:B
  文章编号:1671-489X(2019)15-0050-03
  1 高职院校信息工程类相关课程教学现状
  在高职院校信息工程类专业教学课程体系中,课程的前沿性、先进性和创造性不够,对于最新的大数据、云计算、AI、“互联网+”等技术知识引入不够,现有课程如“电子产品设计”“物联网导论”“单片机原理与应用”“传感技术”等对于学生的理论知识、理解能力、动手能力要求很高,课程的理论知识系统性强,知识点复杂,学习起来相对困难、枯燥,导致学生学习兴趣不够,思维模式陈旧,缺乏创新性,较难适应企业发展需要。
  高职院校生源种类多,学生文化课基础薄弱,数学逻辑思维和英语基础较为薄弱,而这些正是学习信息工程相关课程应具备的专业素养。高职院校的学生普遍缺乏坚持不懈和知难而上的进取精神,导致学习积极性不高。
  在信息工程类课程设计中,普遍采用单向灌输的教学方式,忽略与学生的交流,忽略对学生自主学习和创新的培养。信息工程类课程对实验室设备要求高,实训设备更新速度快,对学生的基础要求高,同时实训内容不利于二次开发和循环利用等问题,使得学生对信息工程类相关课程学习兴趣不高,教师教学也略感吃力。理论知识没有为实践操作做好铺垫,在实践过程中的项目教学法就不能在课堂教学中很好地开展,学生很难参与到实际的项目和比赛中,教师的教学目标也难以实现。
  随着Arduino平台的不断发展,许多与之相关的教学材料层出不穷,这对于侧重培养应用型人才的高职教育来说[1],在教学、技能竞赛及项目开发上有很高的利用价值。
  2 Arduino平台应用在信息工程类课程中的优势
  Arduino是一款适合于高职院校学生学习的开源电子原型平台,包含电路连接Arduino主控板的硬件部分和程序开发的Arduino IDE软件部分。使用Arduino编程语言和开发环境编写代码,然后上传到Arduino主控板上,Arduino能通过各种光敏、温湿度、压力、超声波等各类传感器或者开关感知环境,Arduino主控板进而控制灯光、蜂鸣器、步进电机、舵机、显示器等执行部件来反馈、影响、改变环境。2005年,Arduino开发团队公开了其硬件设计图,因此,任何人无须支付任何费用,都可复制生产Arduino硬件电路,这极大地推动了开源硬件和创客运动的发展。
  Arduino设计的目的是希望人们能够快速地学习电子和传感器的基础知识,并将创意和想法应用到设计之中。基于Arduino的开发,无须了解其内部核心控制器和存储控
  制;Arduino语言类似于C语言,甚至有创客教育中心开发了图形化编程语言,学生非常容易上手;全球有众多Arduino开发爱好者,有丰富的开源实例和类库,如机器人、门禁控制系统、倒车雷达等,可以针对大数据、云计算、“互联网+”等的要求,方便地嵌入外围部件,提高学生的动手能力和创新实践能力。
  Arduino简单的开发方式使得高职院校的学生能够更快、更好地完成项目开发,大大节约了学生的学习成本和开发周期。这不仅降低了学生实践动手的理论知识门槛,而且能充分调动学生的学习积极性[2],通过简单有趣的项目,提高学生对课程的认识和理解,同时能让追求个性的学生有更多发挥的空间。因此,Arduino平台能更好地促进信息工程类课程教学目标的实现。
  3 基于Arduino平台的高职信息工程类课程改革探索
  教学理念  过去传统的高职院校信息工程类课程都是先学习理论基础知识,然后理论与实践相结合,完成某个项目的模拟仿真,最后按照电路图焊接调试完成课程设计,如此的教学设计和内容对于学生的理论知识和实践动手能力要求很高。但大部分学生只是依葫芦画瓢,教师怎么做,就跟着怎么做,知其然而不知其所以然,理论与实践脱节,不能很好地达到教学目标。
  基于Arduino平台的信息工程类课程教学,需坚持“以企业应用为背景,以工作过程为导向,以任务驱动为手段”的教学设计理念,在岗位调研的基础上解构关键职业岗位能力,以职业能力为中心设计教学过程。采用“教—学—做”一体化模式,合作探究、任务驱动、行动导向,通过不同的任务驱动,让学生多角度学习并且掌握信息工程类项目的构建和设计,从而提升学生的专业能力和专业素养。
  根据市场对信息工程类应用型人才的需求,在课程设计中弱化电子信息类理论教学,强化培养学生动手能力。针对信息技术产业革命的需求,加入嵌入式、智能制造等新课程,提高学生新技术的实践能力。对于前沿科技,以教师引导、学生主体的方式,拓宽知识面,提升技术应用能力。
  教学设计  为了提高学生的动手能力和创新能力,在教学设计过程中采用任务驱动教学法。如在“物联网应用设计”的课程设计中,以实际工作任务为引领,以创新能力培养为主线,把一个大型的物联网应用系统进行多个模块划分,分批次和阶段性地把各个模块实现,然后再组装成一个大型的系统。将课程知识体系整合到每个项目教学模块,在教学过程中注意学生设计能力培养的循序渐进。
  在课程开始,教师要注意引导学生观察联系生活现象,激发学生的兴趣,利用各种Arduino教学资源,吸引学生的注意,让学生相信自己可以设计实现自己的兴趣与创意。在教学过程中,教师引入基本元器件的使用及注意事项,在课堂中讲解与演示相结合,让学生体会Arduino的便利与优势。在教学的中后期,教师提出教学目标,充当项目指导和引领的角色,让学生自主设计,将更多的主动权交给学生。教学末期,通过教师评价、小组评价、个人评价相结合,综合考评每个学生的项目设计,使学生在评价中成长。在整个教学设计中注意培养学生良好的知识素养、动手能力、行为习惯和创新能力。   教学方法  信息工程类课程理论性较强,如“传感器技术”课程较多地关注各类传感器原理和检测输入输出信号。教学方法相对传统化、机械化,大多数时间教师在讲台上讲,学生在台下听,采用“满堂灌”的教学方式,学生听课的积极性不高,上课的效果也不好。同时,该课程教学实训的设备较为昂贵,因此更新较慢,较难跟上设备更新换代的步伐。
  基于Arduino平台的信息工程类课程教学内容和方法,应贯彻“技能培养为主,知识够用为度”的教学思想,重点培养学生的创新意识,提高岗位实践能力[3]。因此,教师在教学之前需精心准备各种典型案例,构建课程的宏观教学设计,创新教学模式,充分利用现代信息技术,开展多样化的教学方法,因材施教。如利用网络平台开展慕课教学、微课教学、翻转课堂、头脑风暴等,引导学生自主学习、个性化教学。如“物联网应用设计”课程涉及传感器技术、控制技术、物联网应用等,教师可提前准备好不同物联网应用设计案例,在课堂上通过视频、动画、小组讨论、头脑风暴等方式提高学生的上课积极性,在课堂教学中组建引入多个项目群,如智能家居显示系统、智能家居感应系统、智能家居控制系统、智能家居通信系统的实现等。在教学过程中,以若干个案例为载体,形成循序渐进、种类多样的项目群,以体验、启发、讨论、研究等互动、合作、分享教学方式,构建完整的教学设计布局[4],从而培养学生分析问题、解决问题的能力。
  课程实施  Arduino平台下能实现的项目很多,如炫酷LED灯控制、按键开关控制、触摸延时开关、温度与湿度检测、气体检测、LCD显示、电机控制、蓝牙通信、机器人运动、无线通信等。信息工程类可以按照专业方向的不同,适当选取三四个项目学习。如物联网专业可选择各类传感器的应用、蓝牙通信的应用;通信电子专业可以选择无线通信、蓝牙通信等;计算机应用专业可以选择LCD和LED控制等项目。
  基于Arduino平台的信息工程类课程教学过程中采取由浅入深、逐步复杂的项目单元模式,在教学实施过程中强调在“学中做、做中学”,加强技能培养。如在“物联网应用设计”课程中,可采用案例教学法和项目教学法,以设计一个智能家居系统为课程目的,以Arduino作为控制核心,围绕家居显示系统、家居感应系统、家居控制系统、家居通信系统四个模块为载体,各系统分阶段由易到难地构造诸多小产品作为学习情境,如温度监控、湿度监控、光线监控、窗帘无线控制、门锁控制、智能背景音乐、遥控空调、窗口报警、烟雾报警监控等学习任务情境。
  较为简单、趣味性较强的项目如家居显示系统、家居感应系统,学生可自主完成设计,一方面可以锻炼学生的动手能力,另一方面可以巩固学生的基础知识。对于较为复杂、开放性较强的题目,学生可以组队合作完成,如家居控制系统、家居通信系统等,该类项目能够进一步丰富学生的设计思想。同时,分工合作不但能锻炼学生的动手能力,而且能够锻炼其团队协作能力。在项目设计过程中,教师可提供答疑,引导学生自主解决设计过程中遇到的问题,从而推进项目的正常运行。
  考核方式  在以往的信息工程类课程中,考核方式一般以理论考核或者实践考核为主,而该种考核方式与内容容易让学生死记硬背,难以达到学以致用的效果。因此,在基于Arduino平台的课程考核中,采用多元评价、动态评价的教学评价方式,推行项目考评、过程考评的教学考核方式。
  在项目设计的每一个任务学习中,根据项目的具体情况设计相应的考核方式,并且每个阶段考核按照一定的比例计入期末考核成绩。这让学生能在学习中更加有目标性,也在每一次阶段性考核中提高学习积极性,同时通过各种场景设计、程序设计、程序调试、硬件测试、软硬件联调、项目答辩等方式,全方位锻炼学生的程序理解能力、程序设计能力、问题解决能力等。
  以赛促学  信息工程相关技术应用非常广泛,电子信息类相关竞赛,如机器人竞赛、智能小车竞赛、智能家居设计竞赛等,能带动、刺激、引导学生真正地举一反三、学以致用,采用多元化方式教学能够更快更好地推进学生知识素养、能力素养和技能素养的培养[5]。在教学过程中,一方面邀请企业、行业专家开展各类讲座,不断拓宽学生的知识面;另一方面设立社团开展各类兴趣活动,举办各种技能竞赛,进一步激发学生的学习热情,培养学生的自主学习精神。在参与竞赛的过程中,不仅锻炼了学生对知识的应用能力,而且锻炼了学生的创造能力、团队协作能力和创新能力。
  4 结语
  本文结合信息工程类课程,尝试基于Arduino平台在高职信息工程类课程中进行教学改革,教学实践证明,引入Arduino平台,是一种良好的教学改革。针对不同课程特点,选择贴近行业实际的教学设备,选择贴近本专业实际应用的教学案例,使得教学内容与时俱进,从而使课堂变得更有趣味性和创造性,极大地激发了学生的学习兴趣和创新意识。
  参考文献
  [1]李金,郎需鹏,韩子华.高职教育混合所有制办学研究[J].现代职业教育,2018(2).
  [2]唐普霞,张海生,桑峻.基于Arduino平台的高职电子类课程改革探索与实践[J].电子世界,2018(2):95.
  [3]马平川.浅析核心课程《可视化程序设计》课程设计[J].教育现代化,2018(52):271-273.
  [4]尹旭熙.浅析与职业岗位技能标准对接的高职课程标准[J].知识文库,2019(4).
  [5]王翔燕,罗生全.高职课程资源开发的现存问题及其对策[J].四川职业技术学院学报,2011,21(2):92-94.
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