基于深度學習理論的教學模式的探索與實現
——以嵌入式機器人應用開發課程為例

蘇春芳，楊立志，倪 峰

（江陰職業技術學院 計算機科學系，江蘇 江陰214405）

0 引 言

隨著中國邁步中國“智”造，人工智能、物聯網等技術的迅猛發展，具有深度學習能力的嵌入式、物聯網人才越來越受到業界的歡迎，如何培養學生的深度學習能力，成為當前教育改革研究的熱點課題。學習者的學習主要包括“淺層學習”和“深層學習”，相對而言，深度學習是一種更高階的學習。對學習者深層學習能力的培養更關注學習者的批判性思維，旨在提升學習者技能遷移應用、解決新問題的能力，逐漸讓學生擺脫淺層學習所帶來的即時滿足感，引導學生對知識進行深度加工，進而重構自身的知識體系和方法體系，從而提高觸類旁通、舉一反三的知識遷移能力和對未知問題的解決能力。

1 深度學習教學模式

深度學習是一種主動探究性的學習，是指在理解的基礎上，學習者進行深度的信息加工，并將新知識融入到原有的知識結構中，重構自己的知識體系和方法體系，并能夠進行知識的遷移，解決新的實際問題。文獻[1]提出深度學習和淺層學習的概念，指出淺層學習與深度學習在學習特征上存在一定的差異。文獻[2]指出淺層學習是一種機械的記憶，僅關注解決問題所需的公式和外在線索，缺少學習者的反思，是一種被動的學習；而深度學習是學習者主動地、批判地學習過程，在理解的基礎上，建立新知識和原有知識之間的聯系，是一種主動地、高階地思維學習過程。文獻[3]指出深度學習重在培養學習者的6種能力，主要包括認知領域、人際領域和個人領域3個層次的能力的培養，見表1。

表1 深度學習能力框架

教師可以通過合理構建教學情景、設計教學過程來培養學習者深度學習的能力，學習者不僅要掌握核心的專業知識，還要學習如何應用所學的知識，解決未知的、復雜的環境中的實際問題，這就要求教師傳授給學生的是“授之以漁”，而不是“授之以魚”。面對未知的、多變的信息時代，良好的團隊協作和有效的溝通交流能力以及主動學習的能力更是不可或缺的，培養具有深度學習能力的、社會需要的人才是教學改革永恒的追求目標。

2 基于深度學習的課程教學改革

嵌入式機器人應用開發是嵌入式技術與應用專業的專業模塊課程，教學目標是培養學生基于Arduino開發平臺，應用傳感器技術與綜合控制技術，構建嵌入式系統及產品的能力。在傳統教學過程中，側重于知識點的講解、理論的推導，學生往往通過模仿獨自完成較為獨立的、離散的動作技能，這對應辛普森動作技能領域的“有指導的反應、機械動作”這兩個較低的動作技能層次，屬于淺層學習的范疇。信息時代往往要求人們可以根據具體的應用情境對所掌握的動作技能進行相應的調整，基于自己的知識體系和方法體系，制定創新性的解決方案，順利完成知識的遷移[4]，淺層的學習已經不滿足時代的要求，因此在教學設計中要側重于培養學習者 “適應、創新”這一深度學習的能力。基于深度學習理論，以“嵌入式機器人應用開發”這一課程為例，對本課程的教學目標、教學內容和教學評價進行了重新規劃、設計，緊緊圍繞“為什么教”“如何教”“教的怎么樣”這3個方面重新進行課程的設計，側重培養學習者認知領域、人際領域、個人領域的能力。

2.1 認知領域能力

在當今瞬息萬變的信息時代，培養學生學習的能力比掌握知識本身更有意義 ，認知領域能力的培養目標是讓學習者掌握核心的專業知識，提高批判性思維能力，側重于提升學習者的學習能力。基于項目的學習（PBL）是培養學生認知能力的有效途徑，整個教學課程按照“以學生為主體、教師為主導、行業規范為依據、實訓為主線”的教學設計思路，將教學過程劃分為課前、課堂、實訓和課后4個環節。在整個教學周期中采用項目導入、任務驅動的方式，將企業真實的項目導入到課程教學中來，搭建理論知識與實際問題連接的橋梁，加快學習者對核心學科知識的掌握、內化和重構知識體系的速度，同時培養學生批判性思維，以及創新性的、多元化解決復雜問題的能力。

基于項目的深度教學過程是一個循環迭代的過程，知識的迭代過程包括課前、課堂、實訓和課后4個環節，如圖1所示。學習者通過對課前項目任務進行調研、分析，依據興趣，選擇開發任務，自發組成不同的項目組。以項目組為單位展開深層次的調研、學習，因此整個學習過程變為一個積極、主動、愉悅的學習體驗，在學習者的內驅力作用下，學習變為一件快樂的、愉快的事情。在本課程的教學中，將企業真實的項目“智能家居控制系統”引入課程教學中，該項目既是課堂教學案例，又是學生課后優化、完善的項目，下面以“窗簾控制”為例介紹本課程的改革、實施情況。

圖1 基于 PBL 的教學設計

課前：是一個學習者提前了解課堂任務，明確所要解決實際問題的手段。基于自己的興趣愛好，學習者選擇一個切入點，開展進一步的收集學習資料、調研工作，在此基礎上，學習者已經對問題有了一定的認識，對問題的解決也逐步有了自己的構想、見解。在這個過程中，學習者明確了自己的學習目標，帶著問題進入課堂。

在“窗簾控制”這一教學任務中，課前學生觀看視頻，了解本節的教學任務，獲知學習的主要內容是PWM輸出端口配置、ULN2003步進電機驅動芯片，脈沖寬度調制（PWM）等。依據自身的知識結構，學生在課前就對“窗簾控制”這一任務有了初步的構想，并自我確定了課堂學習的重點，帶著問題進入課堂學習環節。

課堂：基于對課前任務的調研分析，課堂教學過程往往轉化為對舊知識重構的過程，學習者在課堂中批判性地接受知識，從而避免了淺層學習中學習者對知識簡單地復制、記憶的過程，改變了學習者盲目地、無選擇地全盤接收的狀態；學習者對知識的接收，持有一種批判的、審視的態度，在這種批判性思維的驅使下，激發學習者深入思考、分析、研究知識的過程。課堂教學變成一個批判性、創新性思考問題、解決問題的過程，避免學習者不必要的盲從，從而培養學習者的創新性[5]。

課堂中，學生邊學習、邊思考，應用新學到的知識去評估最初制訂的方案是否可行，適當加以調整。在課堂教學環節中，會出現對項目實施方案的爭辯和討論，不斷出現思想火花的迸射。

實訓：在項目實訓中，組織項目組成員之間相互討論，通過學習者之間的思維碰撞，加速或深化知識的內化過程，促成知識的重構。

在實訓環節中，依據興趣，學生可以有選擇的加入“硬件組裝調試”“步進電機驅動”“PWM脈沖信號處理”等項目組中。在“窗簾控制”教學任務中，讓學生感知角位移與線位移的之間關系，有助于學生在機械設備精密控制領域進行知識遷移。

課后：在課后的任務拓展中主要完成的是知識遷移應用，學習者將所學的知識泛化，遷移到新的情境中，解決實際問題。在該門課程的教學過程中，將企業的真實項目引入到實訓環節，在老師的指導下，學生應用所學的知識，解決實際的、復雜的問題，從而完成知識的遷移應用。

課后學生依據自行設計的方案，對“智能家居控制系統”進一步的優化、完善，比如學生為“窗簾控制”添加智能元素，將窗簾的手動控制升級為智能控制，依據室內的溫度、濕度、光照自主決策窗簾的開與關。

2.2 人際領域

在項目的學習過程中，項目組的作用得到了充分的發揮，為學習者人際領域能力的培養搭建友好的環境。通過項目組討論以及對總體設計、詳細設計、測試等階段成果物的匯報，充分培養學習者團隊協作、有效溝通的能力。項目的實施是項目組成員共同協作的過程，為每個團隊成員提供個人匯報、集體討論的機會。依據軟件行業的項目開發設計流程，主要劃分為4個環節培養學習者團隊協作和溝通交流的能力，如圖2所示。

在項目組討論過程中，時常出現項目組成員之間的分享、爭辯、辯論，從而鍛煉項目組成員的溝通和交流的能力，并進一步促成了項目組長與組員、組員之間的分工協作、交流的機會。依據軟件設計、開發的流程，項目的實施過程可分為制訂解決方案、設計評審、編碼評審、代碼評審、測試評審4個環節，每個環節的完成都是項目組合作、知識遷移解決問題的過程。首先通過項目組的討論，確定最終的解決方案；其次在項目后續的設計、編碼、測試環節，為項目組成員提供階段成果的匯報機會。匯報過程是個人能力提升、成員交流能力培養的有效、快捷的方式。

2.3 個人領域

基于教學過程中的個性化指導和課后的項目咨詢等有效教學手段，使學習者獲得問題解決的成功感與喜悅感，在個性化輔導過程中，學習者學會的是分析問題、解決問題的方法，進而增強學習者的學習毅力。結合深度學習理論，對個人領域能力的培養，具體可以通過2個環節實施。

（1）個性化指導：主要是在尊重學生的個體差異和個人的興趣愛好的基礎上，培養學習者學會學習的能力和學習毅力。通過個性化指導，讓學習者充分體驗到問題解決后的快樂，從而提升自信心，為學習者創建一個目標可達的情景。一般情況下如果學習者遇到問題，并且通過多次嘗試還是收效甚微，甚至沒有達到預期的目標時，就會失去信心，甚至喪失繼續研究的興趣。興趣是最好的老師，在本門課程的教學過程中，設計個性化指導環節，重在提升學習者的學習興趣。

圖2 人際領域能力培養流程

（2）開設項目咨詢課：基于學習者課前的預習，學生往往按照自己的興趣選取相應的功能模塊。為了解決問題，學習者往往會展開深層次、個性化的學習，由于個人知識結構和思維方式的不同，所遇到的問題也不盡相同，因此開設項目咨詢課是快速幫助學習者解決實際問題的一個重要的手段，也是提升學習興趣，增強學習毅力的一個重要的方式。

“窗簾控制”升級為“智能窗簾”的過程中，學生遇到的個性化的問題均是在項目咨詢課中得到解決的，從根本上保證了項目的順利進行。有針對性的、個性化的輔導有效地增強了學生的自信心，也是學生不畏困難，順利完成項目任務的有效的途徑。

3 結 語

基于深度學習理論，以嵌入式專業的專業模塊課程嵌入式機器人應用開發為例，從理論上分析了深度學習的能力框架，著重闡述了如何開展深度學習，如何進行教學內容的設計以及教學實施等關鍵性問題。在教學中，逐步探索出一種基于項目的深度學習的教學方法，并進一步實施完善深度學習的課程教學改革。在教學改革中，有效地提高了學生深度學習的能力。能力面向性強、行業適應快是畢業生共同的特點，主要表現在對未知的控制器、未知的業務領域適應期短；另外用人單位也反饋畢業生具有較強的分析問題、解決問題的能力，具有不怕困難，耐心、踏實完成項目任務的毅力。在教學改革過程中，也存在部分學生學習不主動的問題，接下來將繼續深化本門課程的教學改革，在后續的教學改革中，側重于營造沉浸式學習氛圍，搭建體驗式學習環境，從而更進一步提高學生深度學習的能力。