工程訓(xùn)練“開源硬件編程”在線上線下混合式教學(xué)中的應(yīng)用探究

陳小勤

（西南交通大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，四川 成都）

隨著媒體設(shè)備和媒體手段的豐富，線上教學(xué)越來越被人們所接受，線上線下混合式教學(xué)模式也越來越得到老師和學(xué)生的認(rèn)可，尤其在實(shí)踐課教學(xué)中發(fā)揮了比較大的作用[1]。

工程訓(xùn)練中心是高校大學(xué)生的實(shí)踐基地，也是大學(xué)生實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的搖籃。以往，工程訓(xùn)練這類實(shí)踐性超強(qiáng)的課程幾乎100%都是在線下進(jìn)行，2020年新冠疫情作為催化劑將諸如此類的實(shí)踐課一一推到了線上。但實(shí)踐畢竟是實(shí)踐，最終需要?jiǎng)邮植僮鳎駝t一切就是空談，等于紙上談兵，整個(gè)課程毫無意義。因此，我校的工程訓(xùn)練課將理論部分，如原理、知識要點(diǎn)、設(shè)備介紹、使用手冊等拿到網(wǎng)上作為線上教學(xué)，實(shí)際操作則是線下教學(xué)，如此形成了線上線下混合的教學(xué)模式。

在線下實(shí)操前，學(xué)生可在線上反復(fù)學(xué)習(xí)或預(yù)習(xí)上課內(nèi)容，為實(shí)操作準(zhǔn)備，也可在實(shí)操時(shí)調(diào)出線上課的關(guān)鍵內(nèi)容，專注于任務(wù)或項(xiàng)目制作，此模式類似于翻轉(zhuǎn)課堂。“開源硬件編程”課作為我校工程訓(xùn)練中眾多課程之一，其教學(xué)效果的好壞直接影響學(xué)生后期參加與開源硬件相關(guān)的各類比賽與創(chuàng)新活動，因此它在線上線下混合式教學(xué)中起著舉足輕重的作用。本文旨在探究開源硬件編程課在線上線下混合式教學(xué)中的較優(yōu)方案。

一 我校工程訓(xùn)練開源硬件編程課的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

具代表性的開源硬件開發(fā)平臺包括：Arduino、Raspberry Pi、BeagleBone等，其中Arduino更易于理解和使用，適用于各類專業(yè)學(xué)生[2-14]。因此，我校工程訓(xùn)練開源硬件編程課選擇Arduino為學(xué)習(xí)對象，其內(nèi)容分為三部分，分別為課程簡介、Arduino相關(guān)知識和實(shí)訓(xùn)任務(wù)的介紹，如圖1所示。

圖1 開源硬件編程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容圖示

二 開源硬件編程課的傳統(tǒng)教學(xué)模式及存在問題

2020年之前，我校工程訓(xùn)練開源硬件編程課的教學(xué)全部在線下進(jìn)行。整個(gè)課程含6學(xué)時(shí)，其中1學(xué)時(shí)為學(xué)生提前課外預(yù)習(xí)，5學(xué)時(shí)為課堂學(xué)習(xí)。課堂學(xué)習(xí)中，老師講解第一和第二部分占1學(xué)時(shí)；剩下4學(xué)時(shí)為第三部分內(nèi)容，老師舉一個(gè)例，學(xué)生跟著完成一個(gè)任務(wù)。該教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)在于：任務(wù)練習(xí)時(shí)，老師一邊舉例學(xué)生一邊做，遇到困難，老師當(dāng)場演示，并幫助學(xué)生查找問題，因此，整個(gè)課程下來，在老師的帶領(lǐng)下幾乎所有學(xué)生都能完成布置的任務(wù)。但該教學(xué)方式的缺點(diǎn)在于：①課前，大部分學(xué)生并不預(yù)習(xí)，也不完成或胡亂預(yù)習(xí)作業(yè)，即完全零基礎(chǔ)上課；②老師講課占了很多時(shí)間，學(xué)生現(xiàn)學(xué)現(xiàn)做，內(nèi)容不熟，知識掌握不牢；③整個(gè)課堂上，老師牽著學(xué)生走，學(xué)生缺少自主發(fā)揮的余地；④學(xué)生接納知識的速度不同，完成各任務(wù)的速度也參差不齊，做完的學(xué)生只有等著沒完成的學(xué)生，從而浪費(fèi)了大量時(shí)間，來讓部分學(xué)生跟上學(xué)習(xí)進(jìn)度；⑤從考核角度來講，在老師的帶動下，表面上大家都完成了任務(wù)，幾乎所有學(xué)生水平相當(dāng)，其實(shí)不然，部分學(xué)生并不理解實(shí)質(zhì)內(nèi)容，甚至沒有真正掌握完成整個(gè)開源項(xiàng)目的流程，所以，該教學(xué)方式不利于考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，這樣給出的考核成績?nèi)狈叫耘c參考價(jià)值。

三 開源硬件編程課的混合式教學(xué)實(shí)施現(xiàn)狀

2020年到來，殃及全球的新冠疫情暴發(fā)，為了阻斷疫情的蔓延，2020年春季我國幾乎所有高校全部延遲開學(xué)。由教育部發(fā)文，政府主導(dǎo)、高校主體、社會參與的方式，共同實(shí)施并保障高校在疫情防控期間的在線教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”。我校的工程訓(xùn)練實(shí)踐課也不例外。經(jīng)學(xué)校和工程訓(xùn)練中心分管教學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)研討決定，工程訓(xùn)練的理論部分在線上進(jìn)行，正常開學(xué)后進(jìn)行實(shí)踐操作部分的教學(xué)。

（一） 基于雨課堂平臺的在線教學(xué)模式

2020年春季，我校工程訓(xùn)練課選擇雨課堂為教學(xué)平臺，并采用統(tǒng)一教學(xué)模式，具體為學(xué)生提前預(yù)習(xí)老師發(fā)布在雨課堂的資料或視頻，占用大概一小時(shí)，每個(gè)教學(xué)班按課表進(jìn)行在線兩小時(shí)的在線課堂學(xué)習(xí)，剩余為三個(gè)小時(shí)的實(shí)操。

“開源硬件編程”在線上課的教學(xué)中，將圖1中第一部分和第二部分的內(nèi)容通過錄制視頻的方式，發(fā)布在雨課堂作為學(xué)生的預(yù)習(xí)資料和上課視頻。雨課堂在線學(xué)習(xí)采用課堂答題的方式與學(xué)生互動并檢查學(xué)生預(yù)習(xí)的情況，同時(shí)復(fù)習(xí)課前的重點(diǎn)知識。課堂上在線介紹實(shí)訓(xùn)任務(wù)并舉例，由于時(shí)間短、內(nèi)容多，只能以部分任務(wù)為例，來為學(xué)生演示。一堂課下來，除了答題與學(xué)生互動外，老師講課及演示部分，由于學(xué)生手里沒有開發(fā)板和元器件，只能觀看不能操作，顯得有些枯燥，經(jīng)聽課老師及專家建議增加仿真部分。這正如文獻(xiàn)[15]借助虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺來展開混合式實(shí)踐教學(xué)。

通過網(wǎng)上搜索與比較，適合Arduino仿真的平臺如下表1所示。通過學(xué)習(xí)與使用比較，Autodesk公司推出的tinkerCAD在線仿真平臺，最容易上手且不需要安裝軟件。以跑馬燈為例，tinkerCAD的仿真界面如圖2所示。學(xué)生在該平臺可搭建電路，且該仿真非常貼近實(shí)際，如LED燈過壓時(shí)會有炸裂顯示等，起到了警示作用；學(xué)生還可模擬ArduinoIDE編程并上傳看Arduino及電路的執(zhí)行情況。整個(gè)過程逼真而有趣，使開源硬件編程在線課完全拿到了線上。通過加入tinkerCAD的仿真實(shí)施，發(fā)現(xiàn)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣高漲。因此后期開源硬件編程課選擇tinkerCAD為仿真平臺，實(shí)操時(shí)可直接把搭好的電路了編好的程序拷過來，在實(shí)物平臺上運(yùn)行，從而縮短了實(shí)際操作的時(shí)間。

表1 三種仿真平臺比較

圖2 跑馬燈在tinkerCAD中的仿真

（二） 基于MOOC平臺的線上自主學(xué)習(xí)模式

2020年秋季，學(xué)校正常開學(xué)后，學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)立馬加重，除了本學(xué)期的理論課外，還有疫情期間遺留下來的各種實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)課。同時(shí)，工程訓(xùn)練中心除了補(bǔ)春季和暑期的實(shí)操課，還得開始本學(xué)期的線上與實(shí)操課，老師們的教學(xué)任務(wù)也更加繁重。再加上各專業(yè)學(xué)生的時(shí)間不統(tǒng)一，給教務(wù)排課也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

又經(jīng)研討決定將工程訓(xùn)練線上課內(nèi)容傳到MOOC平臺，學(xué)生依照自己的時(shí)間，在實(shí)操課之前自由安排學(xué)習(xí)，在線答題與討論作為線上學(xué)習(xí)成績。這種教學(xué)方式的好處是時(shí)間安排靈活；而tinkerCAD仿真部分需要學(xué)生自學(xué)，于是tinkerCAD仿真部分又被制作成視頻上傳到MOOC平臺，這也考查了學(xué)生學(xué)習(xí)的獨(dú)立性。

（三） 線下實(shí)操部分的教學(xué)

線上學(xué)習(xí)無論采用哪種方式，學(xué)生都可反復(fù)學(xué)習(xí)，直到把沒明白的內(nèi)容弄懂。實(shí)操時(shí)，部分內(nèi)容也可重新鞏固，這與翻轉(zhuǎn)課堂有著異曲同工之處。雖然tinkerCAD在線仿真可將理論和實(shí)踐無縫銜接起來，但還是離不開具體實(shí)物的操作，具體內(nèi)容如圖3所示。

圖3 開源硬件編程線下課的安排

四 開源硬件編程課在線上線下混合式教學(xué)中存在的問題及幾點(diǎn)思考

（一） 存在的問題

上述開源硬件編程課基于雨課堂的線上線下混合式教學(xué)，完成了我校春季和暑期機(jī)械、力學(xué)、電氣、信息專業(yè)1607人的實(shí)訓(xùn)；基于MOOC的線上線下混合式教學(xué)，完成了我校秋季物理、材料和生物專業(yè)560人的實(shí)訓(xùn)。總的來說混合式教學(xué)優(yōu)點(diǎn)很多，如：線上課可以反復(fù)學(xué)習(xí)，為線下課奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；線上成績記錄明確，便于老師統(tǒng)計(jì)；基于MOOC平臺的學(xué)習(xí)時(shí)間靈活，學(xué)生可根據(jù)自身情況而自由選擇學(xué)習(xí)時(shí)間。但還存在如下問題：①基于雨課堂的學(xué)習(xí)，線上線下學(xué)習(xí)時(shí)隔太久，知識遺忘太多，此問題由于實(shí)際情況客觀造成，后期應(yīng)該不存在；②視頻錄制的質(zhì)量很大程度上影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果；③線上學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生遇到不能解決的問題，不能及時(shí)得到答疑和解決；④在實(shí)操時(shí)，對于文科專業(yè)的學(xué)生，大部分學(xué)生編程能力不強(qiáng)，動手能力差，部分學(xué)生要獨(dú)立完成某個(gè)任務(wù)存在一定困難；⑤線上的學(xué)習(xí)、答題與討論可能存在成績不真實(shí)與互助的情況。

（二） 思考與改進(jìn)

為提高開源硬件編程課在線上線下混合式教學(xué)質(zhì)量，并針對上述問題做了如下幾點(diǎn)思考與改進(jìn)。

1.基于MOOC平臺的學(xué)習(xí)，只需要求在實(shí)操前完成線上的學(xué)習(xí)即可，以保證學(xué)生有足夠的學(xué)習(xí)時(shí)間且不易忘記。

2.將知識碎片化，案例典型化。“碎片”間相互獨(dú)立，前后關(guān)聯(lián)，便于理解、記憶知識和掌握技能。并通過典型案例培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣。

3.隨時(shí)關(guān)注學(xué)生QQ群和教學(xué)平臺，為學(xué)生答疑解惑，并主動監(jiān)督未完成學(xué)習(xí)的學(xué)生；

4.由于時(shí)間關(guān)系且任務(wù)多，部分學(xué)生要在有限時(shí)間完成這么多任務(wù)存在一定困難，可將任務(wù)難度分級，比如分為必做和選做，對于有能力的學(xué)生可自主選擇任務(wù)，如模擬輸入輸出的應(yīng)用、舵機(jī)的應(yīng)用均可作為選做任務(wù)；由此考核成績還可按完成任務(wù)的多少和獨(dú)立完成任務(wù)的時(shí)間打分，這樣具有一定的實(shí)際意義和參考價(jià)值。

5.實(shí)操課堂上多與學(xué)生互動，同時(shí)考查學(xué)生在線學(xué)習(xí)的真實(shí)情況。

五 結(jié)語

新冠疫情作為催化劑，加速了工程訓(xùn)練此類實(shí)踐課程的線上線下混合式教學(xué)模式的開展。開源硬件編程課通過兩學(xué)期再加暑期短學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐證明，開源硬件編程非常適合線上線下混合的教學(xué)模式。這不僅是目前疫情期間不得不選的教學(xué)模式，也有望成為今后實(shí)踐教學(xué)主流的發(fā)展方向。