周蘩雨 鄧蓓
(1.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300350;2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué),天津 300350)
電腦鼠是集多學(xué)科、多技術(shù)的融合體,主要涉及電子信息、程序設(shè)計、機(jī)械工程、自動控制、人工智能、傳感與測試技術(shù)等多項技術(shù)知識。電腦鼠研發(fā)設(shè)計制作過程充分鍛煉了學(xué)生“創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)造”的能力。電腦鼠走迷宮競賽已經(jīng)成為集“職業(yè)性、綜合性、先進(jìn)性、趣味性”為一體的創(chuàng)新實踐型教育平臺,在推動課程改革,提高教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生工程實踐創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮了重要作用。通過對電腦鼠實踐教學(xué)層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,采取“魯班工坊”教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式,以“教學(xué)做”一體化教學(xué)法在電腦鼠實踐教學(xué)硬件實踐、軟件實踐和創(chuàng)新性實踐三個模塊的具體應(yīng)用,驗證“魯班工坊”教學(xué)模式在電腦鼠實踐教學(xué)中所取得的成效。
在中國教育部和天津市教育委員會的推動下,“魯班工坊”作為天津市國家現(xiàn)代職業(yè)教育創(chuàng)新改革的重要成果,至今已在亞、歐、非、北美四大洲留下了足跡,并深刻影響著近十個國家的職業(yè)教育教學(xué)模式。
“魯班工坊”不僅傳承了中國古代智慧的精華,而且開拓了具有中國特色的現(xiàn)代職業(yè)教育教學(xué)模式。
1.“魯班工坊”的含義。魯班是中國古代著名發(fā)明家。魯班意指實踐、傳承、發(fā)明、創(chuàng)造,是古代勞動人民智慧的象征。工坊的本意是指工作場合,富含精致、文化意味。“魯班工坊”即為發(fā)明工場,它是集中國傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代職業(yè)教育為一體,培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新能力的現(xiàn)代學(xué)徒制職業(yè)教育模式。
2.“魯班工坊”的特征。發(fā)明創(chuàng)造性與實踐性是“魯班工坊”的重要特征?!棒敯喙し弧苯虒W(xué)模式主要以培訓(xùn)師資為核心。創(chuàng)立“魯班工坊”的內(nèi)涵,旨在通過校際合作、校企間合作為平臺建立良好的職業(yè)教育教學(xué)模式,為中外共同培養(yǎng)高技術(shù)技能人才?!棒敯喙し弧蓖ㄟ^“教學(xué)做”一體化的培養(yǎng)模式,提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力。
“教學(xué)做”一體化是“魯班工坊”教學(xué)模式的本質(zhì)內(nèi)涵,是電腦鼠實踐教學(xué)能力培養(yǎng)的重要方式。
1.“教學(xué)做”一體化的含義?!敖虒W(xué)做”一體化是一種教學(xué)方式,本質(zhì)即在“做中學(xué)”,在“做中教”,“教學(xué)做”合一?!白觥笔恰敖獭焙汀皩W(xué)”的載體?!敖虒W(xué)做”合一主要強(qiáng)調(diào)的是“怎樣做便怎樣學(xué),怎樣學(xué)便怎樣教”。
2.“教學(xué)做”一體化的特征?!敖虒W(xué)做”一體化的顯著特點就是實踐性?!敖虒W(xué)做”是一個不可分的整體,其實質(zhì)就是要把教學(xué)過程和實踐緊密結(jié)合起來,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力??刹僮餍允恰敖虒W(xué)做”一體化的另一重要特征。電腦鼠實踐教學(xué)能力培養(yǎng)特別強(qiáng)調(diào)可操作性,最終學(xué)生的能力也是體現(xiàn)在可操作性上的。
“魯班工坊”教學(xué)模式是中國職業(yè)教育教學(xué)模式理論與實踐的統(tǒng)一,在高技能人才培養(yǎng)中體現(xiàn)了學(xué)歷教育與技能培訓(xùn)形式合一。將“魯班工坊”教學(xué)模式運用到中國職業(yè)教育上,能夠更好地解決學(xué)生實踐能力培養(yǎng)中產(chǎn)生的各類問題。
電腦鼠具有多學(xué)科知識融合的特點,能夠培養(yǎng)學(xué)生的綜合技術(shù)能力。由于電腦鼠裝置具有嵌入式控制器、傳感器和機(jī)電運動部件等部分,集多項工程學(xué)科知識于一體,因而電腦鼠實踐教學(xué)項目已成為電子信息類專業(yè)獨具特色的實踐類教學(xué)項目之一。
依據(jù)電腦鼠功能特點和需要,可將電腦鼠實踐教學(xué)項目分為硬件實踐、軟件實踐和創(chuàng)新性實踐三部分,通過三個不同層次的實踐教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)成所需要的實踐能力培養(yǎng)體系。
電腦鼠實踐教學(xué)主要目標(biāo)是針對學(xué)生的軟硬件設(shè)計能力、系統(tǒng)規(guī)劃能力、創(chuàng)新能力進(jìn)行培養(yǎng)。電腦鼠硬件實踐能力模塊是電腦鼠設(shè)計的基礎(chǔ)。認(rèn)識電腦鼠的基本硬件結(jié)構(gòu),學(xué)習(xí)和掌握電腦鼠硬件之間是如何工作的,以電腦鼠實訓(xùn)系統(tǒng)為教學(xué)載體,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)和科技創(chuàng)新能力。
1.主要教學(xué)內(nèi)容。電腦鼠硬件實踐能力模塊涉及較多的基礎(chǔ)性學(xué)科知識理論,需要學(xué)生在對電路分析、模擬電子線路、高頻電子線路等理論課程有較深的理解后,依據(jù)理論設(shè)計出硬件系統(tǒng)規(guī)劃所需要的模塊。主要涉及電路和機(jī)械兩部分內(nèi)容,熟悉電腦鼠硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,是電腦鼠電路制作系統(tǒng)設(shè)計和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計的基礎(chǔ)。
2.主要教學(xué)目標(biāo)。電腦鼠硬件實踐能力模塊的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生分析電路和設(shè)計電路的能力,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析和優(yōu)化的能力。通過對電機(jī)驅(qū)動、微處理器主控、傳感器、電腦鼠機(jī)械結(jié)構(gòu)等設(shè)計與分析,加深對所學(xué)理論課程的理解,并將理論知識轉(zhuǎn)化為設(shè)計能力,解決電腦鼠各個模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。
電腦鼠在迷宮中搜索是對未知環(huán)境的探索,而在沖刺階段是對已知路徑的規(guī)劃,因此電腦鼠在未知環(huán)境和已知環(huán)境下對控制能力的要求極其重要。在硬件電路差距越來越小的情況下,軟件設(shè)計便成為了核心要素。
1.主要教學(xué)內(nèi)容。嵌入式系統(tǒng)類課程的實踐能力主要體現(xiàn)于軟件設(shè)計能力,以完成電腦鼠一系列動作的指令編程。主要課程為單片機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、EDA、微機(jī)原理與接口、路徑搜索算法等理論課程。軟件設(shè)計能力是電腦鼠設(shè)計的核心。電腦鼠基本框架結(jié)構(gòu)大致可以劃分為傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分。
2.主要教學(xué)目標(biāo)。電腦鼠軟件設(shè)計能力模塊的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)規(guī)劃、嵌入式軟件設(shè)計、驅(qū)動設(shè)計等能力。具體軟件設(shè)計能力包括:電機(jī)驅(qū)動軟件、中斷模塊、紅外線檢測軟件、轉(zhuǎn)彎模塊、方向修正模塊等的設(shè)計,是電腦鼠完成任務(wù)的關(guān)鍵。
電腦鼠技術(shù)涉及電子、機(jī)械、運動控制、人工智能和軟件工程等多門學(xué)科,模擬了生物學(xué)中肢體、感官和大腦的協(xié)調(diào)工作,對學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)賦予極大空間,學(xué)生可以自主設(shè)計,開闊思路,大膽實踐,挑戰(zhàn)自我。電腦鼠創(chuàng)新實踐能力模塊主要是圍繞智能迷宮搜索算法為電腦鼠選擇合適的運行路徑展開,從而提高電腦鼠的運行效率。
1.主要教學(xué)內(nèi)容。迷宮搜索算法是創(chuàng)新實踐部分的核心內(nèi)容,需要學(xué)生結(jié)合迷宮實際情況進(jìn)行算法融合,將不同算法進(jìn)行取長補(bǔ)短。路徑規(guī)劃是電腦鼠導(dǎo)航技術(shù)的重要部分,具有培養(yǎng)學(xué)生擁有更加突出的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性能力。探索迷宮通常有兩種策略方式:一是盡快到達(dá)目標(biāo)地;二是搜索整個迷宮。編寫電腦鼠搜索迷宮的基本方法所用程序,主要是左手法則算法和右手法則算法。
2.主要教學(xué)目標(biāo)。電腦鼠優(yōu)化算法,掌握電腦鼠競賽的規(guī)范,可以最快的速度完成迷宮搜索和最優(yōu)路徑選擇,學(xué)習(xí)以往電腦鼠競賽迷宮案例要點分析,為參加IEEE 國際標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠走迷宮大賽作好準(zhǔn)備。電腦鼠走迷宮大賽規(guī)則完成迷宮搜索和最優(yōu)路徑選擇,是考查一個系統(tǒng)對一個未知環(huán)境的探測、分析及決策能力的一種比賽。學(xué)習(xí)電腦鼠是如何智能選擇路徑的,設(shè)計出最優(yōu)路徑選擇程序。
電腦鼠涉及傳感器檢測、人工智能、自動控制和機(jī)電運動部件應(yīng)用等技能和綜合職業(yè)素養(yǎng),電腦鼠實踐教學(xué)對學(xué)生設(shè)計能力、分析能力、創(chuàng)造性和創(chuàng)新性能力的培養(yǎng),提高電子信息類高素質(zhì)、高技能應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。如何實現(xiàn)學(xué)生這些能力的培養(yǎng)目標(biāo),一直是實踐教學(xué)研究的課題。
“魯班工坊”“教學(xué)做”一體化教學(xué)模式的顯著特點就是實踐性。教學(xué)過程和實踐有機(jī)融合為一體,培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神,促進(jìn)學(xué)生的理論知識、實踐能力和綜合素質(zhì)的提升。電腦鼠實踐教學(xué)項目的過程就是“教學(xué)做”一體化的過程,培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力的過程。整個實踐教學(xué)以學(xué)生為主體,以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向,以任務(wù)驅(qū)動為手段,以能力培養(yǎng)為目標(biāo),進(jìn)行實際操作訓(xùn)練,提高學(xué)生實踐技能,促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。
1.做中教的目的。將理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合,形成學(xué)生主體模式。以硬件設(shè)計中的電路設(shè)計為例,學(xué)生在掌握理論知識后進(jìn)行實踐,用理論指導(dǎo)實踐,將知識轉(zhuǎn)化為技能。做中教的目的:要求學(xué)生掌握對傳感器與嵌入式的關(guān)聯(lián),能靈活安裝及調(diào)試不同的傳感器,具有一定的編寫程序能力。要求學(xué)生獨立分析問題和解決問題,自主選擇知識,結(jié)合理論知識進(jìn)行實踐操作。通過研究分析,可以用各種方式去設(shè)計作品,發(fā)揮個人潛能,培訓(xùn)學(xué)生的設(shè)計能力,從而提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。
2.做中教的內(nèi)容。通過聲控傳感器、紅外傳感器,編寫程序使電腦鼠隨著音樂跳舞,電腦鼠按規(guī)定路徑及要求完成系列動作。電腦鼠結(jié)合嵌入式系統(tǒng)、傳感器、控制等多方面技術(shù),配以優(yōu)良程序的設(shè)計,可在不同的迷宮搜索中自動記憶和選擇路徑,快速到達(dá)指定目的地。
3.做中教的方法。設(shè)計不同級別難度并對應(yīng)不同得分,學(xué)生兩人一組,可自行選擇不同難易級別,充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力,教師啟發(fā)指導(dǎo)。學(xué)生有了創(chuàng)新改進(jìn)的想法,教師就要引導(dǎo)學(xué)生動手實踐,解決制作過程中遇到的問題,不要讓學(xué)生僅停留在思考層面,而要把學(xué)生的思維引向?qū)嵺`研究,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。
在電腦鼠競賽中,要使電腦鼠在千變?nèi)f化的迷宮中發(fā)揮優(yōu)越性就需要在機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計、運動控制、控制算法等方面提高優(yōu)化設(shè)計能力。整個實踐過程是以學(xué)生為主體,圍繞教學(xué)內(nèi)容設(shè)置任務(wù),讓學(xué)生自己動手,做中學(xué)既能提高教學(xué)效果,又能提高學(xué)習(xí)效果。
1.做中學(xué)的目的。電腦鼠是一個復(fù)雜嵌入式系統(tǒng),以競賽為目標(biāo),明確電腦鼠設(shè)計與控制技術(shù)難點,激勵學(xué)生學(xué)習(xí)。用理論指導(dǎo)實踐,用實踐驗證理論,鼓勵學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐動手能力。做中學(xué)的目的:熟悉給定電腦鼠結(jié)構(gòu)組成及原理,熟練操控電腦鼠,根據(jù)比賽要求,以最短時間走出迷宮,能夠參加各級別電腦鼠走迷宮比賽。
2.做中學(xué)的內(nèi)容。熟悉給定電腦鼠結(jié)構(gòu)組成及原理,掌握電腦鼠傳感器調(diào)試及程序代碼編寫,根據(jù)比賽要求熟練操控電腦鼠。
3.做中學(xué)的方法。以競賽目標(biāo)為導(dǎo)向,在做中學(xué)。教學(xué)方法:學(xué)生分組,每組兩人。熟練掌握電腦鼠結(jié)構(gòu)原理、傳感器功能及調(diào)試、程序代碼的編寫;在迷宮上反復(fù)練習(xí),能夠根據(jù)不同的迷宮調(diào)試傳感器、編寫修改程序;完成不同迷宮的訓(xùn)練,教師全程指導(dǎo)。
電腦鼠實踐教學(xué)能力培養(yǎng)是將多個學(xué)科的知識綜合在一起,訓(xùn)練學(xué)生各種綜合性的實踐能力,提高學(xué)生在電子線路設(shè)計、嵌入式軟件編程和調(diào)試等方面的綜合能力。學(xué)生自主設(shè)計電腦鼠系統(tǒng),培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計能力。
1.做中悟的目的。在前面對電腦鼠軟硬件性能熟練掌握的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計并制作電腦鼠,可先改進(jìn)現(xiàn)有電腦鼠,在此基礎(chǔ)上提出各自的創(chuàng)新設(shè)計。通過對電腦鼠研發(fā)設(shè)計制作過程,培養(yǎng)學(xué)生“創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)造”能力。以學(xué)生的自主探究和動手制造為核心,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和問題解決能力,強(qiáng)調(diào)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)上,培養(yǎng)其設(shè)計能力、合作能力、動手實踐能力、問題解決能力和創(chuàng)新能力。鼓勵學(xué)生有創(chuàng)造性思維、批判性思維和實踐精神,激發(fā)創(chuàng)新的熱情。培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的意識與能力,才能適應(yīng)未來的變化,不斷豐富自己的能力結(jié)構(gòu),以形成系統(tǒng)解決問題的能力。
2.做中悟的內(nèi)容。啟發(fā)學(xué)生針對現(xiàn)有電腦鼠性能及結(jié)構(gòu)存在的問題可分步驟進(jìn)行改進(jìn),完善電腦鼠機(jī)械結(jié)構(gòu),改進(jìn)硬件電路,選擇傳感器器件及相關(guān)器件,開發(fā)編寫底層代碼等。例如:電腦鼠在迷宮中的行走,可以簡化為直行和轉(zhuǎn)彎兩部分。學(xué)習(xí)智能鼠作直線的原理,學(xué)會控制智能鼠精確轉(zhuǎn)彎。電腦鼠動起來是靠電機(jī)驅(qū)動,通過一系列操作來實現(xiàn)電腦鼠直行,需要使用已經(jīng)調(diào)試好發(fā)射強(qiáng)度的紅外線傳感器。實現(xiàn)電腦鼠左右轉(zhuǎn)彎需要左右電機(jī)配合,電腦鼠轉(zhuǎn)彎角度是由兩個參數(shù)控制的,電機(jī)速度和轉(zhuǎn)彎時間。
3.做中悟的方法。以設(shè)計制作為手段在做中悟,通過不同專業(yè)學(xué)生自由結(jié)合成組(建議由機(jī)械、電子、軟件相配合)。電腦鼠已經(jīng)結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)、傳感器、控制等多方面技術(shù),配以優(yōu)良程序的設(shè)計,使電腦鼠可在不同的迷宮搜索中自動記憶和選擇路徑,快速到達(dá)指定目的地。對現(xiàn)有電腦鼠分析存在問題提出改進(jìn)方案并進(jìn)行實施,對已完成現(xiàn)有改進(jìn)的小組可提出創(chuàng)新設(shè)計電腦鼠方案,教師給予技術(shù)指導(dǎo)。
學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中手腦并用,將理論知識與實踐操作貫穿于整個教學(xué)過程中,做到學(xué)以致用。電腦鼠每個實踐教學(xué)階段都有設(shè)計制作內(nèi)容,學(xué)生在設(shè)計制作調(diào)試的過程中,深刻理解理論原理,掌握制作技能,并針對復(fù)雜的實際情況優(yōu)化設(shè)計,解決實際應(yīng)用問題。在整個學(xué)習(xí)過程中,不但提高了學(xué)生的技能,而且拓展了創(chuàng)新思維。
總之,電腦鼠的研究為未來人工智能的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),電腦鼠實踐教學(xué)能力訓(xùn)練,為培養(yǎng)人工智能人才作出貢獻(xiàn)。運用“魯班工坊”“教學(xué)做”一體化的教學(xué)模式,將多個學(xué)科相結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生逐步完成各類實踐教學(xué)項目,引領(lǐng)學(xué)生在國際賽事上脫穎而出,是中國職業(yè)教育領(lǐng)域上的突破。“魯班工坊”教學(xué)模式不僅在電腦鼠實踐教學(xué)項目中起到積極推動作用,而且為中國職業(yè)教育“走出去”打下堅實的基礎(chǔ)。