基于跨學科項目式學習的高職電子信息技術專業群實踐教學研究

劉彥宇 張志宏

（北海職業學院 廣西·北海 536000）

區域產業經濟與高職教育發展共同推動了高職專業群的誕生，專業群的建設是高職院校未來專業發展的大趨勢[1]。實踐教學是高職院校應用型人才培養的重要手段，是高職教學的重要環節，是培養學生對理論知識的掌握與應用、提高分析問題與動手的能力、培養團隊協作能力與創新創業能力的重要環節，是高職院校應用型人才培養的重要保障，在整個教學活動中起著至關重要的作用，決定著人才培養目標能否實現，通過實踐教學要讓學生具備一定的創造力，保持良好的學習興趣和創新激情。

專業群組群邏輯需要各專業之間的資源實現共享與協同發展[2]。需要學生在跨學科的技術領域里獲取實踐技能，以滿足產業職業就業需求。要實現教學的多領域融合，須改變課程結構使其趨于均衡化和綜合化，充分實現不同領域內容的交叉和滲透，進行融合教學，打破壁壘，加強聯系。

同時，我們當前生活在一個不斷快速變化的世界中，知識的生命周期比任何時候都短，所有重要領域的信息都在以指數方式增長，這導致了傳統教育方法的改變，學生也需要在跨學科的技術領域里獲取知識與技能。根據最新報告顯示國內工程技術人員從18歲到46歲階段，平均有8.3份工作，這些工作中許多不屬于同一領域，這種情況在新技術和新材料快速更迭的今天體現得淋漓盡致。如今的學生一生可能會從事多種職業，要想在瞬息萬變、相互關聯的復雜世界中取得成功，也需要具備強大的跨學科學習能力。

要滿足產業職業就業需求及多領域知識儲備，專業群的學生就要掌握更多跨學科知識，要具備一定的創造力、批判性思維、溝通和協作能力。學生需要接觸不同來源、各類主題的大量信息，必須學會在此過程中評估有用信息并獲取知識。只要學生的目標和自身情況不斷變化，高職的學習和教學方法就會處于不斷的更替優化過程中。

近年來，已經提出了多種實用的實踐教學方法，旨在提高實踐教學效果。這些新穎的教學方法在課堂上促進了學生的參與和互動，這些方法不再以教師為中心，而是以學習者為中心，讓學生能夠參與創造[3]。其中，跨學科學習和基于項目的學習是近年來提高實踐教學效果的兩種非常適合的教學方法，也是實現專業群組內各專業之間資源共享與協同發展的重要教學方法。

1 跨學科學習

跨學科學習是指不同專業領域，不同課程領域知識和技能的融合式學習[4-6]。針對特定問題提供不同領域的觀點，使課程更加緊湊一致。跨學科學習可以作為擴展課程提供給學生。目前跨學科學習主要應用在實驗室項目或者工作室項目，針對特定的目標精心策劃，基于先前經驗，結合不同課程或專業領域，設計混合的學習內容。同時，跨學科學習要培養學生建立不同學習領域之間聯系的能力，要掌握超越學科界限的學習方法，從不同的角度重新審視一個知識或技能的時候，學生的理解水平能夠顯著提高，課程對于學生來說也就變得更加連貫和有意義。

2 項目式學習

在電子信息技術類的實踐教學中主要應用項目式學習方法，將實驗組裝成項目。高職院校的學生自主學習能力較弱，被動接受知識的耐心有限，基于此，項目式學習可以有效吸引學生的注意力，并為學習提供了聯系現實應用的橋梁。完成項目后，學生會記住他們所學的內容，并且比傳統的教學方法記憶時間更長。在此過程中，他們還會學習如何進行責任分工、建立信心、解決問題、協作工作、交流想法、提高創新能力。因此，通過項目式學習獲得知識的學生，能夠更好地將他們所學知識和技能應用于新環境、新項目中。

3 專業群中的跨學科項目式學習

目前，專業群實踐教學的跨學科融合相對脫節，實踐知識和技能的學習越來越無法滿足產業職業就業需求的復雜性，很多高職院校仍然采用簡單的某一專業學科內的工程實踐，當前必須迅速調整實踐教學以適應產業就業需求。基于跨學科項目式學習正是解決這一問題的可行方案。

跨學科項目式學習方法非常適合電子信息技術類專業群的特點。該類專業群專注于電子信息工程、應用電子、計算機科學、通訊科學、機電等專業領域的融合。在實踐教學過程中組成項目小組，共同完成基于跨學科的實驗室項目。在實際應用中，我們已經探索出一種符合高職專業群發展的跨學科項目式學習方法，對來自電子信息技術專業群中不同專業的學生進行組隊，包括計算機類、電子類、機電類的學生，運用跨學科項目式方法，收效顯著。

本文介紹了可用于此類實踐教學的項目。機器人設計項目是最簡單的解決方案。它們本質上是跨學科研究，并為學生提供了與不同專業領域具有互補學習經驗的同學一起合作學習的機會。一般情況下，這類實踐教學項目安排在專業群課程的最后1年，有的課程為單個獨立項目，有的課程為多個項目的集合。它們將幫助畢業生了解電氣工程、控制系統及其集成、計算機程序設計、機械工程的跨學科基礎知識，并將賦予學生強大的團隊技能來解決跨學科邊界的復雜問題。

該模型側重于在跨學科環境中合作制定項目，同時幫助學生了解在項目結束時自身具備了哪些職業能力，這種方法通常被稱為基于結果的方法。學習成果清楚地表明了學生期望達到的目標，以及期望學生通過參與學習過程來明確自身扮演角色。

該解決方案需要一個多學科融合的復雜實驗室或者多個功能不同的分散實訓室的支持，實驗項目不是專門針對單個學科或一組相關學科，而是針對一組項目。它需要多學科多領域的設備，因此機器人實訓室非常適合。

4 專業群實踐教學案例──機械臂項目

下面描述一些可以圍繞機械臂開展的項目。項目使用Lynxmotion的L6AC-KT Lynx 6機械臂組合套件。它由旋轉底座、肩部、活動肘部、手腕（帶旋轉）和功能性抓手組成。機械臂組合套件的部件如圖1所示。組裝完成的機械臂如圖2所示。

圖1：用于PC端的Lynx 6機械臂組合套件

圖 2：Lynx 6 機械臂

機械臂的運動系統由五臺 Hitec HS-422伺服電機驅動（一臺用于底座，兩臺用于肩部，一臺用于肘部，一臺用于手腕，夾具包含一個HS-81伺服電機）。這些伺服系統提供準確且可重復的5 DOF運動。電機由 SSC-32伺服控制器驅動。它由基于PC端的軟件RIOS（機械臂交互式操作系統）控制，允許使用串行電纜通過PC控制機械臂。如果需要獨立操作，可以在RIOS/SSC-32中使用BASIC代碼來控制LinxmotionBotBoard的手臂（具有BasicAtom或Basic Stamp 2微控制器模塊）。

BASIC Stamp是一個微控制器，在ROM中內置了一個小型的專用BASIC解釋器 (PBASIC)，它由Parallax公司制造，一直受到電子愛好者的廣泛好評，因為它的學習門檻低，并且由于其使用簡單易懂的BASIC語言和完整全面的文檔，使其非常便于操作。

4.1 電子學

套件組裝完成后，電子學類專業學生將扮演主要角色。他們的貢獻包括：（1）驗證伺服系統；（2）連接電線；（3）檢查伺服控制板；（4）將機械臂連接到帶有BasicAtom或BasicStamp2 的控制板；（5）使用RC控制手臂；（6）使用其他伺服器和3D打印的零件來創建新設備；（7）使用不同的微控制器板進行控制（Arduino 或 Raspberry Pi）；（8）使用其他伺服系統和3D打印部件來創建新的類似設備。

4.2 計算機科學

計算機科學類專業的學生發揮專業特點，重點關注以下方面：（1）用BASIC為Basic Atom或Basic Stamp 2編寫控制軟件；（2）為用于控制功能的不同微控制器板（Arduino或Raspberry Pi）編寫軟件；（3）在PC上編寫控制軟件，通過串口控制手臂；（4）為高級閉環反饋控制編寫代碼；（5）使用先進的人機界面在PC上編寫復雜的控制軟件，通過Internet控制機械臂、使用語音命令、使用Kinect界面或使用網絡攝像頭使機械臂模仿重復用戶手勢。

4.3 機電學

機電類專業的學生在項目開展過程中，擁有更多的專業知識，他們應該帶頭參與以下多個主題：（1）機械結構。機械臂作為套件提供，學生應組裝設備；（2）校準。伺服電機應調整到與啟動配置相對應的啟動位置，保證系統復位時設置的準確性。測量最大位移并定義限制操作（機械、電氣或軟件），以防止機械臂強制執行限制操作；（3）通過機械臂的校準，測量關節角度，精確測量連桿長度，計算出末端執行器的可達工作空間。校準最重要的作用在于確定將每個伺服器帶到指定角度所需的命令。為了實現這一點，每個關節伺服的三個采樣角度以及它們相應的伺服命令都需要記錄下來，這些命令將使關節達到指定角度，然后將這些數據應用于通過插值形成的公式，公式將伺服工作范圍內的任何角度映射到相應的伺服命令；（4）穩定和平衡。檢查手臂工作在潛在位置的穩定性和平衡性。考慮最大允許負載的情況；（5）在計算機輔助設計程序中創建其他機械臂，通過3D打印部件并創建新設備。

5 結論

高職院校專業發展大趨勢是滿足產業職業就業需求的專業群建設，因此跨學科和專業領域的教學準備將會是高職院校的必然選擇。此類教學安排的最佳時期是在專業群課程的最后1年。專業群內不同專業學生將在專用實訓室內一起學習，獲得從事復雜項目的專業知識，以滿足產業就業需求。在跨學科領域的專業實訓環境內，傳統的按照已經編制好的實驗方案模仿的實驗項目將會被學生自主解決問題的發現機制所取代，學生將會更加自信，同時能夠解決更具挑戰性的項目。

本文介紹了一種跨學科實踐教學案例──“機械臂”項目。機器人設計是適合電子信息技術類專業群的最簡單的跨學科實踐教學解決方案。目前，大多數機械產品都包含監控或控制的電子設備。電子設備通常包括嵌入式可編程電路，例如微處理器或微控制器，必須對其進行編程才能正常工作。所有這些知識的整合才能夠設計出可靠、多功能智能系統，如工業機器人、醫療設備、自動化裝配線和自動駕駛汽車等。本文利用機器人手臂項目闡述此概念。設備采用Lynxmotion生產的機械臂組合套件。項目任務包括電子類（電線和連接、電源、伺服、SSC-32伺服控制器）、機電類（研究套件組件、齒輪和其他機器零件、在運動學分析中構建手臂）和計算機科學類（Windows編程、控制等）。

此類跨學科項目將提供融合電子、機電和計算機的學科組合，以提供設計、構建和優化產業職業就業所需的綜合性技能。專業群內混合的學生群體可以進行跨學科的項目實踐，此類實踐不是專門針對單個學科或一組相關學科，而是針對一組精心挑選的項目，此類項目不僅可用于開展教學實踐，同時也可以作為學生創新創業的衍生項目。