融合DoPBL模式的開源硬件與編程混合式實驗教學探索與實踐

葉俊男，余哲寅，楊超翔

（華東理工大學藝術設計與傳媒學院，上海 200237）

0 引 言

隨著5G、物聯網、人工智能等技術的發展，各高校設計專業已逐步將智能化設計作為重要的基礎教學內容，以Arduino、BeagleBoard、樹莓派等為代表的開源硬件為智能原型設計提供了良好的實現平臺［1-2］，對現時代背景下設計相關專業學生智能化設計創新與實踐教育具有重要意義。目前，開源硬件與編程實驗課程同時覆蓋了我國中小學基礎教育、高等教育與職業教育三大領域［3］。該實驗項目現已正式劃入部分城市中小學課程體系［4］，同時在機械類、電子信息類、自動化類、計算機類等學科專業的高等教育中也已開展多年。同濟大學［5］、四川美術學院［6］、湖南大學、清華大學、美國麻省理工學院、荷蘭代爾夫特理工大學等國內外頂尖設計院校也逐步開設了基于開源硬件的實驗課程、工作坊等。在設計類院校開設的實驗課程中主要采用Arduino平臺進行智能原型的設計流程與方法學習，為相關產品智能創新設計研究和實踐提供了參考，并為之后的專業課程打好扎實的基礎。同濟大學設計創意學院圍繞“設計＋技術＋商業”建立了開源硬件與編程課程體系，并實踐多年；清華美院信息藝術設計系使用開源硬件進行原型基礎課程的教學，誕生了諸多精彩的交互作品原型設計。美國麻省理工學院使用開源硬件與編程展開了大量產品智能原型、機器人交互、虛擬現實藝術等設計研究［7］。

我校藝術設計與傳媒學院通過重新制定學生培養目標，修訂教學大綱從2017 年開始分別在工業設計、數字媒體藝術等專業開設開源硬件與編程實驗課程。通過多年實踐教學，總結出課程的主要問題有：①課程時間所限，師生交互不足。課程中，教師需占用較長時間對數字、模擬電子基礎知識和編程基礎理論進行講解，學生經常無法在課程中完成實驗操作與調試，教師也無法充分對學生進行答疑、輔導、評價和啟發，導致學生基礎知識掌握不牢固，操作方法不熟練，課程教學效果與深度受到嚴重影響。②藝術類文科背景，代碼編程難度高。傳統課程中比較重視程序設計和編程語言的教學、練習，然而代碼編程由于理論性強，需要背誦的內容繁多，入門門檻較高［8］。設計類專業學生大都是藝術類背景，數理學習能力較弱，因此課程實施難度大，教學效果也不理想。③項目制實驗教學，主動性學習缺乏。傳統課程中，較多采用基于教材案例的項目制教學，較多以教師講授-教師演示-學生實驗的流程進行，以項目、任務的方式培養學生的能力［1］，學生被動機械地進行實驗驗證［9］，難以激發學生的創新性和創造力。

線上線下相結合的混合式教學模式是信息時代背景下提高教育質量的必然選擇［10-11］，已經逐步成為高等教育重要方式之一［12］，越來越受到教師和學生的認可與歡迎［13］。該模式使用計算機和網絡技術將基本知識與技能教學放在線上進行，以精煉的文字、視頻資料等形式，由學生靈活選擇時間地點自主觀看、閱讀和學習，幫助學生建立知識和技能體系［14-15］，而將線下課堂的時間充分運用于實踐、練習、討論和教師答疑等［16］。2020 年新冠疫情以來，各大高校積極搭建線上課程平臺，為線上線下相結合的教學模式提供了良好的基礎，并已經積累了較多的成功案例，如：馬超等［17］在機械設計實驗課程中引入混合教學模式，提供了實驗教學新思路；馮凌云等［18］采用線上線下相結合的教學模式打破了機器人教學的限制；此外，該混合教學模式還在醫療、化工、自動化等實驗課程中得到實踐。事實證明，線上線下相結合的混合式教學模式能夠在實驗課程中發揮積極的作用。

因此，針對當前開源硬件與編程實驗課程存在的問題，以面向設計的產生式學習（Design-oriented Production-Based Learning，DoPBL）模式為基礎，以線上線下混合教學模式為框架，探索該實驗課程的創新教學方法與流程。

1 DoPBL教學模式

DoPBL模式是董艷教授提出的新型教學模式［19］。該模式綜合了問題式PBL（Problem-Based Learning）模式與項目式PBL（Project-Based Learning）模式的流程與要素，融入了斯坦福大學D.S.School的EDIPT設計思維模型，將共情（Empathize）、定義（Define）、構思（Ideate）、原型（Prototype）及測試（Test）5 個階段與傳統PBL模式相結合（見圖1）。相較于傳統PBL模式，該模式能夠在引導學生自主構建知識體系的基礎上，進一步培養學生包括創新思維、創造思維、設計思維、跨學科整合能力等在內的綜合素質與能力［12］。其基本環節包括：①選定問題／項目。創設情境，學生發揮共情能力挖掘問題、確定項目。②制定方案／計劃?；趯栴}的深入分析，定義問題邊界，構想解決方案，制定項目計劃。③設計活動探究。通過調研、討論，進一步獲得資料與數據，迭代優化解決方案。④生成方案／作品。進行解決方案的原型制作。⑤進行成果交流。學生進行成果的展示與交流。⑥開展活動評價。對學習過程、成果開展全方位評價。張甜等［20］在STEAM［科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），藝術（Arts），數學（Mathematics）］教育中的Word模塊教學中采用DoPBL 模式，提高了學生的綜合能力；姚輝［21］在DoPBL 模式的基礎上融入計算思維，提出了計算思維培養的PBL 模式（PBL for Computational thinking training，CTPBL模式），證實了該模式在計算機教育中的可行性。

圖1 融合DoPBL的線上線下混合實驗教學模式

圖1 DoPBL教學模式

項目式PBL 教學模式在傳統開源硬件與編程實驗課程中較為常見［5，22］，根據課程教學內容和培養目標，DoPBL教學模式更契合設計相關專業的實驗教學，采用該教學模式能夠更好地開展智能產品創新設計實踐教學，幫助提升學生的綜合設計能力與素質。

2 開源硬件與編程混合式實驗教學目標與軟硬件

2.1 開源硬件與編程混合式實驗教學目標

在專業知識方面，使學生了解基礎編程語言的發展歷史，語言優勢和應用場景；能夠了解編程語句基本邏輯，掌握Arduino基礎編程語句與用法，掌握Arduino圖形化編程方法，以及開源軟硬件適配原理；能夠掌握各種開源硬件的基本使用方式，并用其搭建智能硬件原型，以實現創意設計想法。為模型制作、產品創意設計等課程奠定基礎。

在專業素質方面，使學生能夠結合相關知識思考、識別和判斷日常生活領域中存在的各種產品、交互、服務、系統等問題，樹立社會主義核心價值觀，并對復雜問題進行梳理與分析，結合掌握的知識技能來找尋可替代的最佳方案，培養學生的獨立思考能力、問題解決能力與創新意識，以及設計美學與工程思維的培養。通過小組學習與研討，培養學生團隊合作能力，提升專業職業素養與責任意識。

2.2 相關軟硬件選擇

課程硬件采用Arduino Uno 開發套件；軟件采用Arduino、慧編程和App Inventor。①Arduino Uno 開發套件。Arduino Uno 簡單易學，價格便宜，支持Windows、MacOS、Linux 三大操作系統，其軟硬件皆開源可拓展［23］，且硬件資源及網絡資料豐富［5］，非常適合作為開源硬件與編程的學習平臺。②慧編程（mBlock）?；赟cratch開發的圖形化編程軟件，能夠將圖形化程序轉換為代碼程序，且有豐富的程序擴展可供下載使用，降低編程的學習難度，提高學習效率。③Arduino IDE。Arduino官方開發編譯工具，能夠靈活地編寫復雜的代碼程序。④App Inventor。手機App圖形化編程軟件，用于課程后期App 與Arduino Uno交互操作的教學。

通過上述軟硬件，要求學生熟練使用Arduino Uno開發板和各類基本的電子元件模塊，配合手機APP，搭建產品或產品系統原型，實現自己的創意。另外，在編程中引入了圖形化編程方法替代傳統的代碼編程，學生僅需在圖形化界面修改語句塊的參數和連接方式即可修改完整的程序，也可以將圖形化程序轉換為代碼程序進行修改，有效地解決了單一代碼編程對于設計專業學生難度過大的問題。

3 DoPBL模式的開源硬件與編程混合實驗教學內容設計

3.1 融合DoPBL的混合式實驗教學模式構建

針對教學目標，課程通過EDIPT［同理心（Empathy），定義（Define），創想（Ideate），原型（Phototype），測試（Test）］設計思維模型對DoPBL 教學模式進行了升級，創新提出融合DoPBL的線上線下混合實驗教學模式。該模式包含基礎理論與實驗、項目實踐兩大模塊，分為理論MOOC、基礎實驗、項目選定、方案制定、設計研究、原型制作、測試迭代、交流評價8 個環節。在項目實踐模塊中，在原有DoPBL模式中加入“測試迭代”環節，合并“進行成果交流”與“開展活動評價”兩部分為“交流評價”環節（見表1）。理論MOOC和基礎實驗環節進行基礎理論的講授，并根據教材案例進行基礎實驗，為后續項目創新設計實踐奠定基礎；通過項目選定、方案制定、設計研究3 個環節生成與完善項目創新設計方案；之后在原型制作與測試迭代環節，完成產品智能設計原型的制作與測試；最后組織心得交流，并進行考核評價。

3.2 融合DoPBL 模式的混合式實驗教學方式與內容

依照我校設計相關專業培養計劃，融合DoPBL教學模式對開源硬件與編程實驗課程的教學內容進行了編排與整合。課程作為專業選修課于本科一年級第2學期開設，總學時為48 學時，分為講授課程16 學時及實驗課程32 學時，為期6 周，每周2 次，每次4 課時。具體教學計劃與課時安排見表2?；A理論與實驗模塊對開源硬件與編程理論知識進行講授，并配合相關實驗，項目實踐模塊則為學生創意項目設計，最終成果將以期末成績計入總分。下面通過建立的融合DoPBL線上線下混合實驗教學模式的8 大環節對教學方式與內容進一步介紹。

表2 教學計劃與課時安排

3.2.1 理論MOOC

理論MOOC 利用線上平臺進行，教師制作并上傳課件，供學生在線上學習。課件是教學開展的根本。開源硬件與編程課程的課件包含基礎理論講解，實驗方法講解、優秀案例分享3 部分。①基礎理論部分以PPT和錄音方式制作，需要對元器件的基本種類、工作原理、電路原理和運用領域等進行科普性介紹，應當涉及電子、機械等專業的基本專業知識，目的是讓學生在面對智能產品不同功能需求時能夠合理選擇相應的電子元件模塊。②實驗方法講解部分通過圖示與視頻演示相結合的方式講解智能硬件模塊的安裝方法、使用方法、編程方法及可能包含的關鍵代碼語句，圖示、視頻應當清晰、精煉，方便學生在實驗過程中進行回放。③優秀案例分享部分以視頻形式呈現，直觀地讓學生了解智能硬件模塊的使用場景，同時開拓學生的設計思維，引發學生對生活中問題的思考。學生在該階段中通過視頻掌握理論知識，對相關操作技能進行初步的熟悉與了解。

在課程第1、3、5、7 節課安排線上理論MOOC，要求學生按課程計劃完成課程理論部分的學習，如：第1節課完成開源硬件與編程概論、開發環境與軟件安裝、基本電路知識與實踐、Arduino 與LED 燈、開關（數字信號）4 小節的學習。教師在課程第2、4、6、8 節課前通過在線學習平臺系統檢查學生學習完成度情況并進行考核打分。

3.2.2 基礎實驗

基礎實驗課程不再安排理論講授，給予學生足夠的時間對理論MOOC 中所學習的教學案例進行驗證性實驗，讓學生自主分配時間來鞏固各智能硬件的使用方法。教師在線下課程中僅對每個小組進行針對性答疑、輔導，同時鼓勵學生根據掌握的內容進行創意設計，通過簡單的自主設計、安裝、實驗，加深對各智能硬件功能及作用的認識。

3.2.3 項目選定

該環節在第5 節課中線上舉行項目啟動會議，學生進行項目設計分組并開始創新設計學習階段。教師提前準備多個項目設計方向供學生選擇，限定大致情境范圍，引導學生對每個項目展開簡單的共情分析，要求學生將自己代入情境中，發現情境中的實際的問題和需求，結合學習掌握情況和參考案例，最終確定項目設計方向與目標。

3.2.4 方案制定

該環節安排在第6、7 次課中進行，分為方案研討和調研匯報兩部分。在方案研討環節，學生在課堂中進行頭腦風暴、研究會議等，教師對學生方案內容進行針對性的指導，對開源硬件的技術可行性給出評估與建議。在調研匯報環節，每組學生通過視頻會議形式線上匯報創新項目方案背景、擬解決的問題、實施技術方案、工作進度安排等，教師根據匯報內容從創新性、可行性等角度進行意見與建議。

3.2.5 設 計

EDIPT設計思維除了定義了設計思維的5 個步驟外，還強調通過步驟間的重復、循環，達到優化迭代設計的目的。該環節包括研究會議、中期匯報兩部分，分別在第8、9 次課中以線下學習形式進行。學生對確定的創新項目基本方案展開包含用戶需求、競品分析、市場環境等研究，通過線下研究會議形式對涉及相關開源硬件技術與編程語言進行討論與分析，在經過多次迭代優化后形成最終的解決方案，包括創意項目設計圖、電路圖、編程邏輯等，并在中期匯報環節進行匯報與交流，教師根據每組方案實施內容給出合理性建議。

3.2.6 原型制作

該環節安排在第10 次課以線下實驗形式進行，通過學生團隊分工協作，分別對既定的創新項目設計方案進行配件設計、裝配制作、電路連接、程序編寫等，通過相關開源硬件的應用完成最終設計方案原型制作。在這過程中，教師在課程中進行多輪小組巡查，鼓勵學生獨立思考、團隊協作，開展圍繞開源硬件安裝與編程的答疑輔導與思維啟發，提倡學生在實現期望礎上優化原型的造型和結構設計。

3.2.7 測試迭代

在原型制作完成后，學生在課內外對創意項目原型進行多輪測試與迭代，教師在線下課程中針對學生創新項目碰到的程序無法運行、運行效果與預期不符等情況給出意見和建議，鼓勵學生自主檢查、思考與討論。各組通過不斷更新與改進程序邏輯優化原型設計方案，最終完成創意項目原型制作并完成相應的匯報PPT。

3.2.8 交流評價

課程最后通過交流評價環節完成期末考核，在實驗室中排列展示各組創意項目作品。每組學生逐一對項目前期設計研究、方案概念發散、硬件方案運用、程序邏輯制定等內容進行講解，并演示設計原型，其余團隊對展示作品進行交流與點評，共享設計制作過程中的經驗教訓。教師對小組的課堂表現和作品效果進行點評，并對創意作品進行打分。

3.3 課程考核方式

課程考核將采取學生在線上、線下綜合學習情況進行評定，期末總成績包括主要包括平時成績（30%）＋期末成績（70%）。平時成績包括出勤率（10%）＋在線課程學習情況（30%）＋基礎實驗完成情況（40%）＋課程互動表現（20%）。期末成績評定包括創意項目匯報情況（10%）＋開源相關硬件模塊使用與編程情況（50%）＋項目作品創新性與設計感（30%）＋團隊協作情況（10%）。

4 教學實踐與評價

4.1 教學實踐

目前采用融合DoPBL 模式的開源硬件與編程線上線下混合式實驗課程教學已經在藝術設計與傳媒學院開展2 年，學生通過學校在線學習平臺觀看教師事先錄制的教學視頻，對各元件進行學習，并在線下基礎實驗課程中進行集中實驗，學生均在規定時間內完成線上MOOC的觀看，并有多次重復觀看的記錄。在項目實踐模塊，學生充分發揮思考，選定項目，制定方案，使用觀察法、體驗法、問卷調研、競品分析等方法進行深入的設計研究，經過原型制作測試和多次優化，最終誕生了較多優秀大作業，如以舵機為核心的超聲波感應翻書工具等（見圖2）。最終，學生均獲得了不錯的成績。另外，教師與學生之間在課程之余通過學習平臺、微信、釘釘等途徑建立聯系，學生的困惑都得到了及時解決。

圖2 學生作品-超聲波感應翻書工具

4.2 教學效果評價

課程采用線上線下結合的授課方式，引入圖形化編程方法對傳統代碼編程方法進行補充，融合DoPBL教學模式，以基礎理論與實驗模塊、項目實踐模塊同步交錯推進，誕生了一系列優秀作品，收獲了學生和聽課專家的好評，近2 年課程評教得分均高于95 分。以下總結學生和聽課專家評教情況：

學生評價：①設計經驗增加。在項目中多次經歷設計研究階段，學生已經逐步形成了設計研究的習慣，對各種不同的設計研究方法也都有親身的體驗，將更有助于其他專業課程的學習與推進。②設計成果儲備。每次項目實驗選題的過程都為學生積累了豐富的靈感和方案，其中一部分方案原型已經落地，具備轉化為成熟產品的潛力，部分設計成果在后續的設計比賽、專利申請中得到了再次利用。③課程難度降低。圖形化編程降低了編程的學習難度，消除了學生對編程的恐懼感，學習熱情和效率提升。④學習時間靈活。理論部分采用線上MOOC教學，給學習時間分配提供了更多的可能，也方便反復學習。

聽課專家評價：①教學深度增加。相較于傳統的教學模式，融合DoPLB的混合實驗教學模式豐富了教學內容，除了基本課程內容外新增了具體項目實踐，增加了課程教學的深度。②課程內容豐富。新模式課程內容明顯增加，課程更加飽滿。

5 結 語

針對現有開源硬件與編程實驗課程中存在的問題進行了改革與探索，融合DoPBL教學模式與線上線下混合式教學模式，構建了一套面向設計相關專業的開源硬件與編程實驗課程的新教學模式。通過實踐表明，新模式有效地提高了設計相關專業學生開源硬件與編程的學習效率與熱情，降低了學習難度，在完成開源硬件基礎教學的同時，全方位培養學生的創新設計能力，幫助學生積累了設計方案與經驗，較好地達到了課程培養目標，具有較好的實踐應用與推廣價值。同時，在所構建的框架模型的基礎上，可將研究進一步橫向拓展，研究該模式在設計專業其他課程、或其他專業教學中運用的可能性，并提出具體的實施方法。