謝丹艷 彭海靜

摘要：在新工科教育改革背景下，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力至關(guān)重要。智能應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程以面向創(chuàng)新思維培養(yǎng)為目標(biāo)，以樹(shù)莓派、Arduino等開(kāi)源硬件為學(xué)習(xí)工具，通過(guò)探討新的教學(xué)理念、教學(xué)方法、旨在培養(yǎng)學(xué)生鉆研探究、創(chuàng)新創(chuàng)造的科學(xué)精神，提升學(xué)生在智能應(yīng)用方面的技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神以及理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)。

關(guān)鍵詞： 創(chuàng)新思維;開(kāi)源硬件;教學(xué)改革;新工科

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）01-0170-03

1 引言

新工科教育就是應(yīng)對(duì)新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，為中國(guó)制造2025提供一系列的智力和人才支撐。2017年，教育部在組織多輪研討會(huì)的基礎(chǔ)上，先后形成了復(fù)旦共識(shí)[1]、天大行動(dòng)[2]和北京指南[3]，并發(fā)布了關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知，全力探索中國(guó)模式。通過(guò)了解國(guó)家對(duì)工程人才的需求和要求，在全球產(chǎn)業(yè)的變革、國(guó)家的戰(zhàn)略發(fā)展和工程教育發(fā)展的改革需求下，在新工科建設(shè)的背景下，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力至關(guān)重要。

在當(dāng)今社會(huì)，創(chuàng)新是社會(huì)進(jìn)步發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，而建設(shè)創(chuàng)新型社會(huì)的關(guān)鍵在于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和創(chuàng)新思維的激發(fā)。新工科建設(shè)背景下不僅要注重學(xué)生應(yīng)用性和實(shí)踐性的培養(yǎng)，更需要的是創(chuàng)造力的開(kāi)發(fā)和培養(yǎng)，因此在學(xué)校教學(xué)中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)是重中之重[4]。智能應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程就是在這樣的大背景下開(kāi)設(shè)的一門創(chuàng)新課程。

新工科的新包括了新興、新型和新生等內(nèi)涵，新興是指在高校原有的課程體系中從未開(kāi)設(shè)過(guò)的新課程，不再采取傳統(tǒng)的以教師講授為主的灌輸式教學(xué)、被動(dòng)式學(xué)習(xí)方法，而是采用新的教學(xué)方法，比如項(xiàng)目制學(xué)習(xí)法、線上線下混合式教學(xué)方法、理實(shí)一體化等新型教學(xué)方法。第二個(gè)是新興，指的是對(duì)傳統(tǒng)工科內(nèi)涵的拓展和延伸、人才培養(yǎng)目標(biāo)要求的轉(zhuǎn)變、發(fā)展模式的創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)的提升等等。第三個(gè)是新生，是指通過(guò)不同學(xué)科之間的交叉融合等衍生出來(lái)的一些新的符合時(shí)代發(fā)展的學(xué)科內(nèi)容。

智能應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程在新工科背景下，面向創(chuàng)新思維培養(yǎng)為目標(biāo)，以樹(shù)莓派、Arduino等開(kāi)源平臺(tái)為學(xué)習(xí)工具，通過(guò)探討新的教學(xué)理念、教學(xué)方法、考核方式，培養(yǎng)學(xué)生鉆研探究、創(chuàng)新創(chuàng)造的科學(xué)精神，提升學(xué)生在智能應(yīng)用方面的技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí)與基本能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神和理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)。最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)符合新工科建設(shè)要求的計(jì)算機(jī)人才的教學(xué)目標(biāo)。

2 基于開(kāi)源硬件培養(yǎng)創(chuàng)新思維的教學(xué)理念

“開(kāi)源” 是開(kāi)放源代碼的簡(jiǎn)稱，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代[5]。1998年成立的開(kāi)放源代碼促進(jìn)會(huì)（Open Source Initiative，縮寫(xiě)：OSI），確立了開(kāi)源軟件的概念，之后根據(jù)相關(guān)軟件協(xié)議規(guī)范，將概念拓展到硬件領(lǐng)域后，就出現(xiàn)了開(kāi)源硬件的概念，以Arduino、樹(shù)莓派等平臺(tái)為代表。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展，開(kāi)源硬件日趨成熟，在教育領(lǐng)域的潛能及優(yōu)勢(shì)漸顯?！秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》中指出要提高學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問(wèn)題的實(shí)踐能力[6]?！秶?guó)家教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》強(qiáng)調(diào)以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化，促進(jìn)教育的創(chuàng)新與變革[7]。開(kāi)源硬件憑借其功能多樣化、價(jià)格便宜、兼容性強(qiáng)、可擴(kuò)展性能優(yōu)良等特點(diǎn)得到了我國(guó)包括基礎(chǔ)教育、高等教育和職業(yè)教育等多個(gè)領(lǐng)域的共同關(guān)注，逐漸成為各層次師生開(kāi)展創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐的重要載體。

開(kāi)源硬件不僅僅是硬件設(shè)計(jì)方法的開(kāi)放，更多體現(xiàn)的是一種創(chuàng)新理念的開(kāi)放，而創(chuàng)客教育的核心就是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[8-9]。因此基于開(kāi)源硬件培養(yǎng)創(chuàng)新思維的教學(xué)理念符合新工科背景下高等教育人才培養(yǎng)的要求。

3 面向創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)改革方法的探索

3.1 課程概述

智能應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)中的專業(yè)任選課，是在新工科教育改革背景下開(kāi)設(shè)的一門計(jì)算機(jī)專業(yè)拓展課程。課程在介紹智能應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以樹(shù)莓派、Arduino 為媒介，使學(xué)生掌握智能應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的基本流程，建立智能應(yīng)用系統(tǒng)的整體概念。旨在培養(yǎng)學(xué)生軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)思維，能夠解決現(xiàn)實(shí)工程問(wèn)題、具有人文情懷和高度社會(huì)責(zé)任感的工程創(chuàng)新型人才，并幫助學(xué)生樹(shù)立學(xué)好科學(xué)技術(shù)服務(wù)于國(guó)家和社會(huì)的責(zé)任心。

3.2 教學(xué)目標(biāo)

立足于專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)應(yīng)于畢業(yè)要求中關(guān)于了解計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、培養(yǎng)軟硬件工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和解決實(shí)際工程問(wèn)題能力等要求，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和創(chuàng)新思維等素質(zhì)。從記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造6個(gè)層次、從知識(shí)、能力、態(tài)度三階段實(shí)現(xiàn)最終的教學(xué)目標(biāo)，如圖1所示。

知識(shí)層：了解智能應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基本流程;了解樹(shù)莓派的基礎(chǔ)介紹、系統(tǒng)安裝和配置掌握樹(shù)莓派GPIO應(yīng)用;掌握樹(shù)莓派在軟硬件領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方法。

能力層：通過(guò)多種方法學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)與技能，完成自主項(xiàng)目設(shè)計(jì);每組學(xué)生完成一次翻轉(zhuǎn)課堂。

態(tài)度層：帶課程成果參加開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步改進(jìn)項(xiàng)目，以賽促賽，以賽促學(xué)。將課程成果申請(qǐng)專利、軟著，撰寫(xiě)論文等，確定未來(lái)可能的畢業(yè)設(shè)計(jì)方向乃至就業(yè)方向。

3.3 學(xué)情分析

課程面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大三學(xué)生開(kāi)設(shè)，這一階段的學(xué)生已掌握了基本的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，學(xué)生的抽象思維很活躍，思維方式由形式思維向辯證思維轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造性思維也有了進(jìn)一步提高，這些都有利于以創(chuàng)新設(shè)計(jì)為目的的課程的開(kāi)設(shè)，采用線上線下的混合式教學(xué)方法，因材施教，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)“最近發(fā)展區(qū)”，如圖2所示。

3.4 教學(xué)方法

基于課程目標(biāo)，采用多種手段結(jié)合的教學(xué)方法，以立德樹(shù)人為育人目標(biāo)，采用項(xiàng)目制學(xué)習(xí)法、線上線下混合式學(xué)習(xí)方法和理實(shí)一體化的課堂模式開(kāi)展課程的教學(xué)。

3.4.1立德樹(shù)人的育人目標(biāo)

融入課程思政內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生了解新工科教育與智能應(yīng)用發(fā)展背景下的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的模式，幫助學(xué)生了解新時(shí)代背景下國(guó)家、社會(huì)以及學(xué)校對(duì)人才成長(zhǎng)的要求，以便結(jié)合自身的情況來(lái)做好未來(lái)的發(fā)展規(guī)劃，樹(shù)立科學(xué)文化自信心、關(guān)心國(guó)家發(fā)展的主人翁精神、工科技術(shù)強(qiáng)國(guó)的實(shí)事求是精神。從國(guó)際視野、家國(guó)情懷、使命擔(dān)當(dāng)角度出發(fā)激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的決心;在理論和實(shí)踐的學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的精神和數(shù)字化的思維，養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣，利用學(xué)習(xí)走向未來(lái);在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)精神、堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3.4.2項(xiàng)目制學(xué)習(xí)法（PBL）

項(xiàng)目學(xué)習(xí)法即PBL（Project Based Learning）是指學(xué)生圍繞復(fù)雜的、來(lái)自真實(shí)情境的、具有一定挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目主題，在精心設(shè)計(jì)任務(wù)與活動(dòng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)放性探究，最終構(gòu)建成知識(shí)的意義和提升自身能力的一種教學(xué)方式[10]。一般來(lái)說(shuō)項(xiàng)目學(xué)習(xí)流程包括項(xiàng)目介紹，也就是說(shuō)項(xiàng)目描述，然后是項(xiàng)目解析、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目小結(jié)，以及有可能的拓展提高到最后可能的推廣。項(xiàng)目制學(xué)習(xí)法具體課堂實(shí)施如圖3所示。

對(duì)于本課程而言，學(xué)生經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)課程的訓(xùn)練后，進(jìn)入自主設(shè)計(jì)階段。在頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)產(chǎn)生創(chuàng)新思維，通過(guò)匯報(bào)討論達(dá)到項(xiàng)目的可實(shí)現(xiàn)性，解析項(xiàng)目獲得硬件和軟件方面的技術(shù)路線，最終通過(guò)查閱資料、實(shí)踐操作實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目。實(shí)施到項(xiàng)目小結(jié)階段基本完成課內(nèi)的學(xué)習(xí)任務(wù)，后面拓展和提高兩個(gè)階段可以引導(dǎo)學(xué)生在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室和各類項(xiàng)目中完成，通過(guò)作品的校園路演、參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、申請(qǐng)專利等方式完成項(xiàng)目的進(jìn)一步拓展，通過(guò)多種途徑培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

項(xiàng)目制學(xué)習(xí)法的特點(diǎn)有三個(gè)，分別是以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，以課本為中心轉(zhuǎn)化為以項(xiàng)目為中心，以課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?shí)踐為中心。符合當(dāng)前創(chuàng)新教學(xué)改革所倡導(dǎo)的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)改革目標(biāo)和新工科教育培養(yǎng)能解決工程實(shí)踐問(wèn)題人才的需求。

3.4.3混合式教學(xué)方法

混合式教學(xué)，即將在線教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)的一種“線上”+“線下”的教學(xué)模式。通過(guò)兩種教學(xué)組織形式的有機(jī)結(jié)合，可以把學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)由淺到深地引向深度學(xué)習(xí)。開(kāi)展混合教學(xué)的最終目的不是去使用在線平臺(tái)，不是去建設(shè)數(shù)字化的教學(xué)資源，也不是去開(kāi)展花樣翻新的教學(xué)活動(dòng)，而是有效提升絕大部分學(xué)生學(xué)習(xí)的深度[11-12]。

在教學(xué)內(nèi)容上，立足于專業(yè)培養(yǎng)方案，從課程大綱出發(fā)，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的難易程度、在專業(yè)培養(yǎng)中重要程度等諸多因素出發(fā)對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行板塊劃分，如表1所示。資源建設(shè)上，除了MOOC資源，還引入了CSDN、樹(shù)莓派論壇等專業(yè)性網(wǎng)站和器材自帶的學(xué)習(xí)視頻，能最大限度滿足學(xué)生自主設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生遇到困難自主查閱資料解決問(wèn)題的能力。

在教學(xué)組織上，結(jié)合規(guī)劃后的教學(xué)內(nèi)容，從課前、課中、課后三階段對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃。

課前：根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，對(duì)于較為簡(jiǎn)單的A類內(nèi)容，安排以MOOC視頻自學(xué)為主;對(duì)于難度較低的B類內(nèi)容，以自備資源學(xué)習(xí)為主，采用翻轉(zhuǎn)課堂和討論完成檢驗(yàn)，學(xué)生自學(xué)筆記提交于學(xué)習(xí)通。

課中：課堂采用理實(shí)一體化的模式，將線下課時(shí)全部安排在實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)線上理論和部分操作過(guò)程的學(xué)習(xí)，在線下課堂進(jìn)行討論、操作，操作中遇到的問(wèn)題通過(guò)查閱資料師生共同解決，借助實(shí)踐操作不斷熟悉軟硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用模式，同時(shí)在不斷地查閱資料和匯報(bào)討論中逐漸形成團(tuán)隊(duì)的自主設(shè)計(jì)構(gòu)思。

課后：部分創(chuàng)新型較強(qiáng)的自主設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，通過(guò)課后參加開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，將項(xiàng)目通過(guò)專利、軟著、論文等形式發(fā)表，同時(shí)在成果撰寫(xiě)過(guò)程中不斷完善項(xiàng)目，參加各類大賽，以賽促學(xué)。

通過(guò)混合式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，在理論學(xué)習(xí)和項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、通過(guò)查閱資料、翻轉(zhuǎn)課堂、師生共同討論等方法來(lái)解決問(wèn)題。教師提供大量的學(xué)習(xí)視頻，課程資源清單，國(guó)內(nèi)外各類關(guān)于開(kāi)源軟硬件的網(wǎng)絡(luò)資源。由于每個(gè)團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不同，需要學(xué)生根據(jù)自己項(xiàng)目所需要的知識(shí)，帶著問(wèn)題去線上自主學(xué)習(xí)，從而找到不同的解決辦法，培養(yǎng)學(xué)生遇到困難自主查閱資料解決問(wèn)題的能力。

3.4.4理實(shí)一體化的課堂

理實(shí)一體化課堂突破以往理論與實(shí)踐相脫節(jié)的現(xiàn)象。強(qiáng)調(diào)通過(guò)設(shè)定教學(xué)任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)，讓師生雙方邊教、邊學(xué)、邊做，全程構(gòu)建素質(zhì)和技能培養(yǎng)框架，豐富課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高教學(xué)質(zhì)量[8]。在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，理論和實(shí)踐交替進(jìn)行，直觀和抽象交錯(cuò)出現(xiàn)，沒(méi)有固定的先實(shí)后理或先理后實(shí)，而理中有實(shí)，實(shí)中有理，突出學(xué)生動(dòng)手能力和專業(yè)技能的培養(yǎng)，充分調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

課程中不再簡(jiǎn)單地將理論和實(shí)踐課程獨(dú)立授課，而是充分融合理論和實(shí)踐知識(shí)，通過(guò)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作結(jié)合，充分體現(xiàn)應(yīng)用型本科教育中重視實(shí)踐教育的理念，也符合國(guó)家對(duì)新工科教育改革背景下人才培養(yǎng)的要求。

4 結(jié)論

在新工科教育改革背景下，通過(guò)引入樹(shù)莓派、Arduino等開(kāi)源硬件平臺(tái)，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)情分析，提出智能應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程的教學(xué)改革方法，以立德樹(shù)人為育人目標(biāo)，采用項(xiàng)目制學(xué)習(xí)法、線上線下混合式學(xué)習(xí)方法和理實(shí)一體化的課堂模式開(kāi)展課程的教學(xué)。通過(guò)課程教學(xué)激發(fā)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力、邏輯思維能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。通過(guò)課內(nèi)理論的學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的鍛煉，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)撰寫(xiě)專利、發(fā)表論文、軟著、參加大學(xué)生競(jìng)賽等方式學(xué)以致用，確定未來(lái)可能的畢業(yè)設(shè)計(jì)方向乃至就業(yè)方向，從而樹(shù)立科學(xué)文化自信心、關(guān)心國(guó)家發(fā)展的主人翁精神和工科技術(shù)強(qiáng)國(guó)的實(shí)事求是精神。

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【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2021-04-07

基金項(xiàng)目：泰州學(xué)院2020年度“教育教學(xué)改革研究課題”（2020JGC03）;泰州學(xué)院2020年度“課程思政”示范課程（20KCZ11）

作者簡(jiǎn)介：謝丹艷（1983—），女，浙江寧波人，講師， 博士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教育;彭海靜（1979—）， 男， 江蘇泰州人， 副教授，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教育。

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