盧愛(ài)臣，魏建宇，馬文彬

(陸軍軍事交通學(xué)院計(jì)算機(jī)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(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)。作為近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)主要以臺(tái)式機(jī)和筆記本的形式運(yùn)行的系統(tǒng)，而樹(shù)莓派是專為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的、只有信用卡大小的微型計(jì)算機(jī)。它的體積小、功耗小，是個(gè)典型的所見(jiàn)即所得的計(jì)算機(jī)，各個(gè)部件直觀地?cái)[在面前，看得見(jiàn)摸得著[1]。樹(shù)莓派所需的基本接口齊備，擴(kuò)展容易，可以實(shí)現(xiàn)很多項(xiàng)目。

1 興趣引領(lǐng)“問(wèn)題導(dǎo)向”，細(xì)化項(xiàng)目目標(biāo)牽引

對(duì)一件事情的興趣，可以引出很多問(wèn)題，而問(wèn)題是激發(fā)學(xué)生探索欲望的原始動(dòng)力。學(xué)生只有在產(chǎn)生問(wèn)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(dòng)機(jī)。“問(wèn)題導(dǎo)向式”教學(xué)從需要出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生研究問(wèn)題。如：計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理；它自動(dòng)執(zhí)行程序的方式；樹(shù)莓派這么小的卡片式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式計(jì)算機(jī)功能的方式。這些他們很想了解但又懸而未決的問(wèn)題，必然會(huì)使學(xué)生迸發(fā)出強(qiáng)烈的求知欲望和迫不及待的探索熱情。

基于這個(gè)兩點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用“問(wèn)題導(dǎo)向式”教學(xué)模式，讓學(xué)生從舊知入手引出問(wèn)題，再在解決問(wèn)題中獲得新知。在解決問(wèn)題的過(guò)程中需要學(xué)生的相互合作來(lái)完成研究?jī)?nèi)容，得出結(jié)果。問(wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課上的實(shí)踐流程如下：

(1)拋出運(yùn)行效果，激發(fā)學(xué)生興趣，設(shè)計(jì)項(xiàng)目。如果教師演示的實(shí)例激發(fā)學(xué)生的好奇心，學(xué)習(xí)興趣和強(qiáng)烈的求知欲望便會(huì)油然而生。例如AI中典型的17自由度機(jī)器人，可以模仿人多動(dòng)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(huì)質(zhì)疑，它是怎么做到的，從而引出項(xiàng)目：計(jì)算機(jī)如何輸入輸出。很多智能設(shè)備能模仿人對(duì)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?jì)算機(jī)上，它又是如何把人的動(dòng)作識(shí)別到計(jì)算機(jī)上，并且轉(zhuǎn)換成自己能識(shí)別的0和1的。據(jù)此，構(gòu)思項(xiàng)目：人機(jī)如何實(shí)現(xiàn)交互。

(2)項(xiàng)目剖析，理清學(xué)習(xí)任務(wù)。提出問(wèn)題，提出項(xiàng)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(shí)需求，設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過(guò)程。而在實(shí)施的過(guò)程中，教師要善于把每一個(gè)學(xué)習(xí)模塊的內(nèi)容細(xì)化分解成一個(gè)容易掌握的“項(xiàng)目”，通過(guò)設(shè)計(jì)這些小的“項(xiàng)目”來(lái)實(shí)現(xiàn)總的學(xué)習(xí)目標(biāo)。例如機(jī)器人伸縮手臂的原理，是因?yàn)槎鏅C(jī)牽引的，舵機(jī)的牽引需要輸入輸出，如何把數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量的動(dòng)作輸出;輸出的信號(hào)如何精確讓機(jī)械手臂精確定位的;如何定時(shí)的信號(hào)又是以什么樣的通信方式傳輸?shù)?通過(guò)細(xì)化項(xiàng)目，逐步提出問(wèn)題步步引導(dǎo)，細(xì)化目標(biāo)。利用樹(shù)莓派的GPIO接口完全可以解決以上的問(wèn)題。

(3)交流互動(dòng)，研討項(xiàng)目實(shí)踐情況。根據(jù)項(xiàng)目難易情況，分組研討，每個(gè)小組推選代表上臺(tái)展示自己在這一堂課上的所學(xué)所得。展示過(guò)程中，教師根據(jù)學(xué)生的操作情況提出問(wèn)題，并引導(dǎo)學(xué)生思考。最后結(jié)合學(xué)生的完成和實(shí)現(xiàn)情況給出積極評(píng)價(jià)，增強(qiáng)學(xué)生的成就感。

2 CDIO項(xiàng)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(jì)算。計(jì)算機(jī)控制的導(dǎo)彈之所以能準(zhǔn)確地?fù)糁蓄A(yù)定的目標(biāo)，是與計(jì)算機(jī)的精確計(jì)算分不開(kāi)的。一般計(jì)算機(jī)可以有十幾位甚至幾十位(二進(jìn)制)有效數(shù)字，計(jì)算精度可由千分之幾到百萬(wàn)分之幾，是任何計(jì)算工具所望塵莫及的。幾乎可以肯定任何一個(gè)學(xué)生在接觸計(jì)算機(jī)的時(shí)候都無(wú)法直接解釋。計(jì)算機(jī)教學(xué)，教，教的是思想、方法，學(xué)，是接受領(lǐng)會(huì)知識(shí)的過(guò)程，是一個(gè)經(jīng)過(guò)融會(huì)貫通再到悟的過(guò)程。從思維的角度，而不是單單從硬件、語(yǔ)言本身，要側(cè)重分析，如何換位思考，站在計(jì)算機(jī)的角度，把計(jì)算的思想傳達(dá)給學(xué)生。把解決問(wèn)題的時(shí)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(shí)中需求，引導(dǎo)思維模式，強(qiáng)調(diào)的是算法而非語(yǔ)法。計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)的引導(dǎo)，就是讓學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，著手解決問(wèn)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(shí)傳授模式轉(zhuǎn)變成活躍的研討模式，拋開(kāi)“一言堂”、“一家之言”，在研討和爭(zhēng)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(dòng)性、積極性、創(chuàng)造性，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)能力的目標(biāo)。

3 創(chuàng)客思維，全面感知計(jì)算機(jī)

思維方式是影響一個(gè)人進(jìn)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(shí)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(shí)做出突破性改變，就會(huì)在低效率甚至毫無(wú)意義的思考中浪費(fèi)掉許多時(shí)間。研究計(jì)算機(jī)就一定要站在計(jì)算機(jī)的角度去思考、感知，一定要有基本的設(shè)計(jì)思維、創(chuàng)客思維，只有將設(shè)計(jì)的思維融入到日常的學(xué)習(xí)生活中，創(chuàng)客做出來(lái)的作品才是真正美的作品，才能讓計(jì)算機(jī)不再是一門冰冷的科學(xué)。

樹(shù)莓派自問(wèn)世以來(lái)，受眾多計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，因?yàn)樗凶约旱腃PU，有人機(jī)交互的IO接口及部件，有存儲(chǔ)設(shè)備，有總線，它還能根據(jù)需求進(jìn)行GPIO擴(kuò)展[2]。

樹(shù)莓派是最早從類似樂(lè)高積木而研究出來(lái)的一個(gè)開(kāi)放式開(kāi)源的一個(gè)卡片電腦，最早英國(guó)出來(lái)的這種東西，現(xiàn)在發(fā)展非?？欤呀?jīng)成為很多創(chuàng)客們這些年物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)一個(gè)很重要的工具。GVSUN利用這種不同類型的樹(shù)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(shí)驗(yàn)室提供定制化的創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)，這種創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)通過(guò)樹(shù)莓派和各種物聯(lián)的連接件和軟件數(shù)據(jù)庫(kù)組成的創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)的一系列實(shí)驗(yàn)體系。這個(gè)是經(jīng)?？吹降臉?shù)莓派和的試驗(yàn)箱，為了讓這個(gè)樹(shù)莓派使得學(xué)生能夠非常清楚的操作和看到，有感觀，把樹(shù)莓派專門做的很透明。

基于樹(shù)莓派，可以開(kāi)展外延CDIO項(xiàng)目，可以做數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)驗(yàn)，可以裝一個(gè)小的mysql操作實(shí)驗(yàn)，比如LABVIEW實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)程通過(guò)樹(shù)莓派讀取實(shí)時(shí)溫度濕度。比如還可以做二氧化碳，可以做振動(dòng)，還可以做可穿戴醫(yī)療的樹(shù)莓派實(shí)驗(yàn)。比如綜合測(cè)試人體的各項(xiàng)理化指標(biāo)，物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)。比如可以通過(guò)樹(shù)莓派進(jìn)行遠(yuǎn)程的門禁的控制，圖象識(shí)別的實(shí)驗(yàn)，比如使遠(yuǎn)程的可以進(jìn)行開(kāi)關(guān)，遠(yuǎn)程抓取這個(gè)圖象的視頻[5]。通過(guò)CDIO項(xiàng)目的實(shí)施，使得計(jì)算機(jī)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(shí)用性原則：充分考慮學(xué)生使用計(jì)算機(jī)的體驗(yàn)，充分利用各類工具和設(shè)備，在樹(shù)莓派的平臺(tái)上高效率地實(shí)現(xiàn)CDIO項(xiàng)目。設(shè)備要配置樹(shù)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(wàn)用表、示波器等測(cè)試測(cè)量設(shè)備，考慮3D打印機(jī)、回流焊機(jī)等[3]。

可操作性原則：利用現(xiàn)有的設(shè)備和平臺(tái)，將CDIO付諸實(shí)現(xiàn)，使之成為能樹(shù)莓派上運(yùn)行和模擬的項(xiàng)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(jì)的CDIO項(xiàng)目易于布置，方便功能擴(kuò)展。

啟發(fā)性原則：CDIO項(xiàng)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(yǔ)

結(jié)合樹(shù)莓派平臺(tái)，采用CDIO人才培養(yǎng)模式能夠有效促進(jìn)實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。經(jīng)過(guò)四年的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和項(xiàng)目訓(xùn)練，學(xué)生們能夠明顯地感受到在計(jì)算機(jī)各方面的收獲——較全面地掌握了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的理論知識(shí)，較深刻地理解了工程項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行過(guò)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(jì)算機(jī)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題中的知識(shí)綜合運(yùn)用能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。學(xué)生實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)學(xué)習(xí)、從不敢動(dòng)手到期望實(shí)踐、從模板思維到發(fā)揮想象、從過(guò)分自我到團(tuán)結(jié)協(xié)作的蛻變。