以項目為牽引的計算機CDIO創(chuàng)客教學(xué)模式研究

盧愛臣，魏建宇，馬文彬

(陸軍軍事交通學(xué)院計算機與信息技術(shù)教研室，天津300161)

0 引言

CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate)。作為近年來國際工程教育改革的最新成果，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。傳統(tǒng)意義上的計算機主要以臺式機和筆記本的形式運行的系統(tǒng)，而樹莓派是專為學(xué)習(xí)計算機設(shè)計的、只有信用卡大小的微型計算機。它的體積小、功耗小，是個典型的所見即所得的計算機，各個部件直觀地擺在面前，看得見摸得著[1]。樹莓派所需的基本接口齊備，擴展容易，可以實現(xiàn)很多項目。

1 興趣引領(lǐng)“問題導(dǎo)向”，細化項目目標(biāo)牽引

對一件事情的興趣，可以引出很多問題，而問題是激發(fā)學(xué)生探索欲望的原始動力。學(xué)生只有在產(chǎn)生問題，迫切需要解決的情況下，才有可能真正激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動機?！皢栴}導(dǎo)向式”教學(xué)從需要出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生研究問題。如：計算機的運行原理；它自動執(zhí)行程序的方式；樹莓派這么小的卡片式系統(tǒng)，實現(xiàn)臺式計算機功能的方式。這些他們很想了解但又懸而未決的問題，必然會使學(xué)生迸發(fā)出強烈的求知欲望和迫不及待的探索熱情。

基于這個兩點，在計算機基礎(chǔ)教學(xué)實踐中運用“問題導(dǎo)向式”教學(xué)模式，讓學(xué)生從舊知入手引出問題，再在解決問題中獲得新知。在解決問題的過程中需要學(xué)生的相互合作來完成研究內(nèi)容，得出結(jié)果。問題導(dǎo)向式教學(xué)在計算機基礎(chǔ)課上的實踐流程如下：

(1)拋出運行效果，激發(fā)學(xué)生興趣，設(shè)計項目。如果教師演示的實例激發(fā)學(xué)生的好奇心，學(xué)習(xí)興趣和強烈的求知欲望便會油然而生。例如AI中典型的17自由度機器人，可以模仿人多動作，做前空翻、后空翻、跟著節(jié)奏跳舞，胳膊能屈能伸等。學(xué)生就會質(zhì)疑，它是怎么做到的，從而引出項目：計算機如何輸入輸出。很多智能設(shè)備能模仿人對疼、熱、涼的感觸做出相似的反應(yīng)。那么人類世界的物理變量是如何輸?shù)接嬎銠C上，它又是如何把人的動作識別到計算機上，并且轉(zhuǎn)換成自己能識別的0和1的。據(jù)此，構(gòu)思項目：人機如何實現(xiàn)交互。

(2)項目剖析，理清學(xué)習(xí)任務(wù)。提出問題，提出項目教學(xué)目標(biāo)，指導(dǎo)學(xué)生按照CDIO模式的要求，鋪墊必要的知識需求，設(shè)計項目實現(xiàn)過程。而在實施的過程中，教師要善于把每一個學(xué)習(xí)模塊的內(nèi)容細化分解成一個容易掌握的“項目”，通過設(shè)計這些小的“項目”來實現(xiàn)總的學(xué)習(xí)目標(biāo)。例如機器人伸縮手臂的原理，是因為舵機牽引的，舵機的牽引需要輸入輸出，如何把數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換成模擬量的動作輸出;輸出的信號如何精確讓機械手臂精確定位的;如何定時的信號又是以什么樣的通信方式傳輸?shù)?通過細化項目，逐步提出問題步步引導(dǎo)，細化目標(biāo)。利用樹莓派的GPIO接口完全可以解決以上的問題。

(3)交流互動，研討項目實踐情況。根據(jù)項目難易情況，分組研討，每個小組推選代表上臺展示自己在這一堂課上的所學(xué)所得。展示過程中，教師根據(jù)學(xué)生的操作情況提出問題，并引導(dǎo)學(xué)生思考。最后結(jié)合學(xué)生的完成和實現(xiàn)情況給出積極評價，增強學(xué)生的成就感。

2 CDIO項目轉(zhuǎn)變課堂主體

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要高度精確的計算。計算機控制的導(dǎo)彈之所以能準確地擊中預(yù)定的目標(biāo)，是與計算機的精確計算分不開的。一般計算機可以有十幾位甚至幾十位(二進制)有效數(shù)字，計算精度可由千分之幾到百萬分之幾，是任何計算工具所望塵莫及的。幾乎可以肯定任何一個學(xué)生在接觸計算機的時候都無法直接解釋。計算機教學(xué)，教，教的是思想、方法，學(xué)，是接受領(lǐng)會知識的過程，是一個經(jīng)過融會貫通再到悟的過程。從思維的角度，而不是單單從硬件、語言本身，要側(cè)重分析，如何換位思考，站在計算機的角度，把計算的思想傳達給學(xué)生。把解決問題的時間留給學(xué)生，把思考的空間留給學(xué)生。

CDIO本身就是為了解決現(xiàn)實中需求，引導(dǎo)思維模式，強調(diào)的是算法而非語法。計算機學(xué)習(xí)的引導(dǎo)，就是讓學(xué)生在實踐活動中發(fā)現(xiàn)問題，著手解決問題，教師則成為課堂的“主持人”，讓學(xué)生成為主體，變身“主角”。課堂要從有限的知識傳授模式轉(zhuǎn)變成活躍的研討模式，拋開“一言堂”、“一家之言”，在研討和爭辯的氣氛中激發(fā)思想的火花。提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性、創(chuàng)造性，實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生靈活運用計算機基礎(chǔ)知識能力的目標(biāo)。

3 創(chuàng)客思維，全面感知計算機

思維方式是影響一個人進步速度的重要因素。如果擁有正確而高效的思維方式，那么在處事時便可以事半功倍；反之，如果受困于傳統(tǒng)的框架思維，不能及時做出突破性改變，就會在低效率甚至毫無意義的思考中浪費掉許多時間。研究計算機就一定要站在計算機的角度去思考、感知，一定要有基本的設(shè)計思維、創(chuàng)客思維，只有將設(shè)計的思維融入到日常的學(xué)習(xí)生活中，創(chuàng)客做出來的作品才是真正美的作品，才能讓計算機不再是一門冰冷的科學(xué)。

樹莓派自問世以來，受眾多計算機發(fā)燒友和創(chuàng)客的追捧，“麻雀雖小，五臟俱全”。它之所以可以稱為計算機，因為它有自己的CPU，有人機交互的IO接口及部件，有存儲設(shè)備，有總線，它還能根據(jù)需求進行GPIO擴展[2]。

樹莓派是最早從類似樂高積木而研究出來的一個開放式開源的一個卡片電腦，最早英國出來的這種東西，現(xiàn)在發(fā)展非常快，已經(jīng)成為很多創(chuàng)客們這些年物聯(lián)網(wǎng)實驗一個很重要的工具。GVSUN利用這種不同類型的樹莓派和不同類型的物聯(lián)網(wǎng)的接口可以為大學(xué)各種各樣的專業(yè)的實驗室提供定制化的創(chuàng)客實驗，這種創(chuàng)客實驗通過樹莓派和各種物聯(lián)的連接件和軟件數(shù)據(jù)庫組成的創(chuàng)客實驗的一系列實驗體系。這個是經(jīng)?？吹降臉漭珊偷脑囼炏洌瑸榱俗屵@個樹莓派使得學(xué)生能夠非常清楚的操作和看到，有感觀，把樹莓派專門做的很透明。

基于樹莓派，可以開展外延CDIO項目，可以做數(shù)據(jù)庫實驗，可以裝一個小的mysql操作實驗，比如LABVIEW實驗，遠程通過樹莓派讀取實時溫度濕度。比如還可以做二氧化碳，可以做振動，還可以做可穿戴醫(yī)療的樹莓派實驗。比如綜合測試人體的各項理化指標(biāo)，物聯(lián)網(wǎng)的實驗。比如可以通過樹莓派進行遠程的門禁的控制，圖象識別的實驗，比如使遠程的可以進行開關(guān)，遠程抓取這個圖象的視頻[5]。通過CDIO項目的實施，使得計算機的學(xué)習(xí)變成很有用的一件事情。

4 創(chuàng)客環(huán)境搭建構(gòu)想

實用性原則：充分考慮學(xué)生使用計算機的體驗，充分利用各類工具和設(shè)備，在樹莓派的平臺上高效率地實現(xiàn)CDIO項目。設(shè)備要配置樹莓派、常用傳感器(如溫濕度傳感器、紅外傳感器、光電式位移/位置傳感器、壓力傳感器等)，配置萬用表、示波器等測試測量設(shè)備，考慮3D打印機、回流焊機等[3]。

可操作性原則：利用現(xiàn)有的設(shè)備和平臺，將CDIO付諸實現(xiàn)，使之成為能樹莓派上運行和模擬的項目[4]。

靈活性原則：能滿足不同環(huán)境、不同主題的需求，設(shè)計的CDIO項目易于布置，方便功能擴展。

啟發(fā)性原則：CDIO項目有代表性，有啟發(fā)性，能迸發(fā)出創(chuàng)意的火花，使學(xué)生富有創(chuàng)客熱情。

5 結(jié)語

結(jié)合樹莓派平臺，采用CDIO人才培養(yǎng)模式能夠有效促進實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。經(jīng)過四年的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和項目訓(xùn)練，學(xué)生們能夠明顯地感受到在計算機各方面的收獲——較全面地掌握了計算機基礎(chǔ)的理論知識，較深刻地理解了工程項目的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行過程和有關(guān)規(guī)范，基本形成正確的工程觀和方法論，顯著提高了利用計算機分析問題、解決問題中的知識綜合運用能力、團隊協(xié)作能力。學(xué)生實現(xiàn)了從被動學(xué)習(xí)到主動學(xué)習(xí)、從不敢動手到期望實踐、從模板思維到發(fā)揮想象、從過分自我到團結(jié)協(xié)作的蛻變。