以项目为牵引的计算机CDIO创客教学模式研究

卢爱臣，魏建宇，马文彬

(陆军军事交通学院计算机与信息技术教研室，天津300161)

0 引言

CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)。作为近年来国际工程教育改革的最新成果，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。传统意义上的计算机主要以台式机和笔记本的形式运行的系统，而树莓派是专为学习计算机设计的、只有信用卡大小的微型计算机。它的体积小、功耗小，是个典型的所见即所得的计算机，各个部件直观地摆在面前，看得见摸得着[1]。树莓派所需的基本接口齐备，扩展容易，可以实现很多项目。

1 兴趣引领“问题导向”，细化项目目标牵引

对一件事情的兴趣，可以引出很多问题，而问题是激发学生探索欲望的原始动力。学生只有在产生问题，迫切需要解决的情况下，才有可能真正激发他们的学习动机。“问题导向式”教学从需要出发，引导学生研究问题。如：计算机的运行原理；它自动执行程序的方式；树莓派这么小的卡片式系统，实现台式计算机功能的方式。这些他们很想了解但又悬而未决的问题，必然会使学生迸发出强烈的求知欲望和迫不及待的探索热情。

基于这个两点，在计算机基础教学实践中运用“问题导向式”教学模式，让学生从旧知入手引出问题，再在解决问题中获得新知。在解决问题的过程中需要学生的相互合作来完成研究内容，得出结果。问题导向式教学在计算机基础课上的实践流程如下：

(1)抛出运行效果，激发学生兴趣，设计项目。如果教师演示的实例激发学生的好奇心，学习兴趣和强烈的求知欲望便会油然而生。例如AI中典型的17自由度机器人，可以模仿人多动作，做前空翻、后空翻、跟着节奏跳舞，胳膊能屈能伸等。学生就会质疑，它是怎么做到的，从而引出项目：计算机如何输入输出。很多智能设备能模仿人对疼、热、凉的感触做出相似的反应。那么人类世界的物理变量是如何输到计算机上，它又是如何把人的动作识别到计算机上，并且转换成自己能识别的0和1的。据此，构思项目：人机如何实现交互。

(2)项目剖析，理清学习任务。提出问题，提出项目教学目标，指导学生按照CDIO模式的要求，铺垫必要的知识需求，设计项目实现过程。而在实施的过程中，教师要善于把每一个学习模块的内容细化分解成一个容易掌握的“项目”，通过设计这些小的“项目”来实现总的学习目标。例如机器人伸缩手臂的原理，是因为舵机牵引的，舵机的牵引需要输入输出，如何把数字控制信号转换成模拟量的动作输出;输出的信号如何精确让机械手臂精确定位的;如何定时的信号又是以什么样的通信方式传输的;通过细化项目，逐步提出问题步步引导，细化目标。利用树莓派的GPIO接口完全可以解决以上的问题。

(3)交流互动，研讨项目实践情况。根据项目难易情况，分组研讨，每个小组推选代表上台展示自己在这一堂课上的所学所得。展示过程中，教师根据学生的操作情况提出问题，并引导学生思考。最后结合学生的完成和实现情况给出积极评价，增强学生的成就感。

2 CDIO项目转变课堂主体

科学技术的发展特别是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。计算机控制的导弹之所以能准确地击中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。一般计算机可以有十几位甚至几十位(二进制)有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何计算工具所望尘莫及的。几乎可以肯定任何一个学生在接触计算机的时候都无法直接解释。计算机教学，教，教的是思想、方法，学，是接受领会知识的过程，是一个经过融会贯通再到悟的过程。从思维的角度，而不是单单从硬件、语言本身，要侧重分析，如何换位思考，站在计算机的角度，把计算的思想传达给学生。把解决问题的时间留给学生，把思考的空间留给学生。

CDIO本身就是为了解决现实中需求，引导思维模式，强调的是算法而非语法。计算机学习的引导，就是让学生在实践活动中发现问题，着手解决问题，教师则成为课堂的“主持人”，让学生成为主体，变身“主角”。课堂要从有限的知识传授模式转变成活跃的研讨模式，抛开“一言堂”、“一家之言”，在研讨和争辩的气氛中激发思想的火花。提升学生学习的主动性、积极性、创造性，实现培养学生灵活运用计算机基础知识能力的目标。

3 创客思维，全面感知计算机

思维方式是影响一个人进步速度的重要因素。如果拥有正确而高效的思维方式，那么在处事时便可以事半功倍；反之，如果受困于传统的框架思维，不能及时做出突破性改变，就会在低效率甚至毫无意义的思考中浪费掉许多时间。研究计算机就一定要站在计算机的角度去思考、感知，一定要有基本的设计思维、创客思维，只有将设计的思维融入到日常的学习生活中，创客做出来的作品才是真正美的作品，才能让计算机不再是一门冰冷的科学。

树莓派自问世以来，受众多计算机发烧友和创客的追捧，“麻雀虽小，五脏俱全”。它之所以可以称为计算机，因为它有自己的CPU，有人机交互的IO接口及部件，有存储设备，有总线，它还能根据需求进行GPIO扩展[2]。

树莓派是最早从类似乐高积木而研究出来的一个开放式开源的一个卡片电脑，最早英国出来的这种东西，现在发展非常快，已经成为很多创客们这些年物联网实验一个很重要的工具。GVSUN利用这种不同类型的树莓派和不同类型的物联网的接口可以为大学各种各样的专业的实验室提供定制化的创客实验，这种创客实验通过树莓派和各种物联的连接件和软件数据库组成的创客实验的一系列实验体系。这个是经常看到的树莓派和的试验箱，为了让这个树莓派使得学生能够非常清楚的操作和看到，有感观，把树莓派专门做的很透明。

基于树莓派，可以开展外延CDIO项目，可以做数据库实验，可以装一个小的mysql操作实验，比如LABVIEW实验，远程通过树莓派读取实时温度湿度。比如还可以做二氧化碳，可以做振动，还可以做可穿戴医疗的树莓派实验。比如综合测试人体的各项理化指标，物联网的实验。比如可以通过树莓派进行远程的门禁的控制，图象识别的实验，比如使远程的可以进行开关，远程抓取这个图象的视频[5]。通过CDIO项目的实施，使得计算机的学习变成很有用的一件事情。

4 创客环境搭建构想

实用性原则：充分考虑学生使用计算机的体验，充分利用各类工具和设备，在树莓派的平台上高效率地实现CDIO项目。设备要配置树莓派、常用传感器(如温湿度传感器、红外传感器、光电式位移/位置传感器、压力传感器等)，配置万用表、示波器等测试测量设备，考虑3D打印机、回流焊机等[3]。

可操作性原则：利用现有的设备和平台，将CDIO付诸实现，使之成为能树莓派上运行和模拟的项目[4]。

灵活性原则：能满足不同环境、不同主题的需求，设计的CDIO项目易于布置，方便功能扩展。

启发性原则：CDIO项目有代表性，有启发性，能迸发出创意的火花，使学生富有创客热情。

5 结语

结合树莓派平台，采用CDIO人才培养模式能够有效促进实践能力和创新精神的培养。经过四年的系统学习和项目训练，学生们能够明显地感受到在计算机各方面的收获——较全面地掌握了计算机基础的理论知识，较深刻地理解了工程项目的构思、设计、实现、运行过程和有关规范，基本形成正确的工程观和方法论，显著提高了利用计算机分析问题、解决问题中的知识综合运用能力、团队协作能力。学生实现了从被动学习到主动学习、从不敢动手到期望实践、从模板思维到发挥想象、从过分自我到团结协作的蜕变。