基于跨学科项目式学习的高职电子信息技术专业群实践教学研究

刘彦宇 张志宏

（北海职业学院 广西·北海 536000）

区域产业经济与高职教育发展共同推动了高职专业群的诞生，专业群的建设是高职院校未来专业发展的大趋势[1]。实践教学是高职院校应用型人才培养的重要手段，是高职教学的重要环节，是培养学生对理论知识的掌握与应用、提高分析问题与动手的能力、培养团队协作能力与创新创业能力的重要环节，是高职院校应用型人才培养的重要保障，在整个教学活动中起着至关重要的作用，决定着人才培养目标能否实现，通过实践教学要让学生具备一定的创造力，保持良好的学习兴趣和创新激情。

专业群组群逻辑需要各专业之间的资源实现共享与协同发展[2]。需要学生在跨学科的技术领域里获取实践技能，以满足产业职业就业需求。要实现教学的多领域融合，须改变课程结构使其趋于均衡化和综合化，充分实现不同领域内容的交叉和渗透，进行融合教学，打破壁垒，加强联系。

同时，我们当前生活在一个不断快速变化的世界中，知识的生命周期比任何时候都短，所有重要领域的信息都在以指数方式增长，这导致了传统教育方法的改变，学生也需要在跨学科的技术领域里获取知识与技能。根据最新报告显示国内工程技术人员从18岁到46岁阶段，平均有8.3份工作，这些工作中许多不属于同一领域，这种情况在新技术和新材料快速更迭的今天体现得淋漓尽致。如今的学生一生可能会从事多种职业，要想在瞬息万变、相互关联的复杂世界中取得成功，也需要具备强大的跨学科学习能力。

要满足产业职业就业需求及多领域知识储备，专业群的学生就要掌握更多跨学科知识，要具备一定的创造力、批判性思维、沟通和协作能力。学生需要接触不同来源、各类主题的大量信息，必须学会在此过程中评估有用信息并获取知识。只要学生的目标和自身情况不断变化，高职的学习和教学方法就会处于不断的更替优化过程中。

近年来，已经提出了多种实用的实践教学方法，旨在提高实践教学效果。这些新颖的教学方法在课堂上促进了学生的参与和互动，这些方法不再以教师为中心，而是以学习者为中心，让学生能够参与创造[3]。其中，跨学科学习和基于项目的学习是近年来提高实践教学效果的两种非常适合的教学方法，也是实现专业群组内各专业之间资源共享与协同发展的重要教学方法。

1 跨学科学习

跨学科学习是指不同专业领域，不同课程领域知识和技能的融合式学习[4-6]。针对特定问题提供不同领域的观点，使课程更加紧凑一致。跨学科学习可以作为扩展课程提供给学生。目前跨学科学习主要应用在实验室项目或者工作室项目，针对特定的目标精心策划，基于先前经验，结合不同课程或专业领域，设计混合的学习内容。同时，跨学科学习要培养学生建立不同学习领域之间联系的能力，要掌握超越学科界限的学习方法，从不同的角度重新审视一个知识或技能的时候，学生的理解水平能够显著提高，课程对于学生来说也就变得更加连贯和有意义。

2 项目式学习

在电子信息技术类的实践教学中主要应用项目式学习方法，将实验组装成项目。高职院校的学生自主学习能力较弱，被动接受知识的耐心有限，基于此，项目式学习可以有效吸引学生的注意力，并为学习提供了联系现实应用的桥梁。完成项目后，学生会记住他们所学的内容，并且比传统的教学方法记忆时间更长。在此过程中，他们还会学习如何进行责任分工、建立信心、解决问题、协作工作、交流想法、提高创新能力。因此，通过项目式学习获得知识的学生，能够更好地将他们所学知识和技能应用于新环境、新项目中。

3 专业群中的跨学科项目式学习

目前，专业群实践教学的跨学科融合相对脱节，实践知识和技能的学习越来越无法满足产业职业就业需求的复杂性，很多高职院校仍然采用简单的某一专业学科内的工程实践，当前必须迅速调整实践教学以适应产业就业需求。基于跨学科项目式学习正是解决这一问题的可行方案。

跨学科项目式学习方法非常适合电子信息技术类专业群的特点。该类专业群专注于电子信息工程、应用电子、计算机科学、通讯科学、机电等专业领域的融合。在实践教学过程中组成项目小组，共同完成基于跨学科的实验室项目。在实际应用中，我们已经探索出一种符合高职专业群发展的跨学科项目式学习方法，对来自电子信息技术专业群中不同专业的学生进行组队，包括计算机类、电子类、机电类的学生，运用跨学科项目式方法，收效显著。

本文介绍了可用于此类实践教学的项目。机器人设计项目是最简单的解决方案。它们本质上是跨学科研究，并为学生提供了与不同专业领域具有互补学习经验的同学一起合作学习的机会。一般情况下，这类实践教学项目安排在专业群课程的最后1年，有的课程为单个独立项目，有的课程为多个项目的集合。它们将帮助毕业生了解电气工程、控制系统及其集成、计算机程序设计、机械工程的跨学科基础知识，并将赋予学生强大的团队技能来解决跨学科边界的复杂问题。

该模型侧重于在跨学科环境中合作制定项目，同时帮助学生了解在项目结束时自身具备了哪些职业能力，这种方法通常被称为基于结果的方法。学习成果清楚地表明了学生期望达到的目标，以及期望学生通过参与学习过程来明确自身扮演角色。

该解决方案需要一个多学科融合的复杂实验室或者多个功能不同的分散实训室的支持，实验项目不是专门针对单个学科或一组相关学科，而是针对一组项目。它需要多学科多领域的设备，因此机器人实训室非常适合。

4 专业群实践教学案例──机械臂项目

下面描述一些可以围绕机械臂开展的项目。项目使用Lynxmotion的L6AC-KT Lynx 6机械臂组合套件。它由旋转底座、肩部、活动肘部、手腕（带旋转）和功能性抓手组成。机械臂组合套件的部件如图1所示。组装完成的机械臂如图2所示。

图1：用于PC端的Lynx 6机械臂组合套件

图 2：Lynx 6 机械臂

机械臂的运动系统由五台 Hitec HS-422伺服电机驱动（一台用于底座，两台用于肩部，一台用于肘部，一台用于手腕，夹具包含一个HS-81伺服电机）。这些伺服系统提供准确且可重复的5 DOF运动。电机由 SSC-32伺服控制器驱动。它由基于PC端的软件RIOS（机械臂交互式操作系统）控制，允许使用串行电缆通过PC控制机械臂。如果需要独立操作，可以在RIOS/SSC-32中使用BASIC代码来控制LinxmotionBotBoard的手臂（具有BasicAtom或Basic Stamp 2微控制器模块）。

BASIC Stamp是一个微控制器，在ROM中内置了一个小型的专用BASIC解释器 (PBASIC)，它由Parallax公司制造，一直受到电子爱好者的广泛好评，因为它的学习门槛低，并且由于其使用简单易懂的BASIC语言和完整全面的文档，使其非常便于操作。

4.1 电子学

套件组装完成后，电子学类专业学生将扮演主要角色。他们的贡献包括：（1）验证伺服系统；（2）连接电线；（3）检查伺服控制板；（4）将机械臂连接到带有BasicAtom或BasicStamp2 的控制板；（5）使用RC控制手臂；（6）使用其他伺服器和3D打印的零件来创建新设备；（7）使用不同的微控制器板进行控制（Arduino 或 Raspberry Pi）；（8）使用其他伺服系统和3D打印部件来创建新的类似设备。

4.2 计算机科学

计算机科学类专业的学生发挥专业特点，重点关注以下方面：（1）用BASIC为Basic Atom或Basic Stamp 2编写控制软件；（2）为用于控制功能的不同微控制器板（Arduino或Raspberry Pi）编写软件；（3）在PC上编写控制软件，通过串口控制手臂；（4）为高级闭环反馈控制编写代码；（5）使用先进的人机界面在PC上编写复杂的控制软件，通过Internet控制机械臂、使用语音命令、使用Kinect界面或使用网络摄像头使机械臂模仿重复用户手势。

4.3 机电学

机电类专业的学生在项目开展过程中，拥有更多的专业知识，他们应该带头参与以下多个主题：（1）机械结构。机械臂作为套件提供，学生应组装设备；（2）校准。伺服电机应调整到与启动配置相对应的启动位置，保证系统复位时设置的准确性。测量最大位移并定义限制操作（机械、电气或软件），以防止机械臂强制执行限制操作；（3）通过机械臂的校准，测量关节角度，精确测量连杆长度，计算出末端执行器的可达工作空间。校准最重要的作用在于确定将每个伺服器带到指定角度所需的命令。为了实现这一点，每个关节伺服的三个采样角度以及它们相应的伺服命令都需要记录下来，这些命令将使关节达到指定角度，然后将这些数据应用于通过插值形成的公式，公式将伺服工作范围内的任何角度映射到相应的伺服命令；（4）稳定和平衡。检查手臂工作在潜在位置的稳定性和平衡性。考虑最大允许负载的情况；（5）在计算机辅助设计程序中创建其他机械臂，通过3D打印部件并创建新设备。

5 结论

高职院校专业发展大趋势是满足产业职业就业需求的专业群建设，因此跨学科和专业领域的教学准备将会是高职院校的必然选择。此类教学安排的最佳时期是在专业群课程的最后1年。专业群内不同专业学生将在专用实训室内一起学习，获得从事复杂项目的专业知识，以满足产业就业需求。在跨学科领域的专业实训环境内，传统的按照已经编制好的实验方案模仿的实验项目将会被学生自主解决问题的发现机制所取代，学生将会更加自信，同时能够解决更具挑战性的项目。

本文介绍了一种跨学科实践教学案例──“机械臂”项目。机器人设计是适合电子信息技术类专业群的最简单的跨学科实践教学解决方案。目前，大多数机械产品都包含监控或控制的电子设备。电子设备通常包括嵌入式可编程电路，例如微处理器或微控制器，必须对其进行编程才能正常工作。所有这些知识的整合才能够设计出可靠、多功能智能系统，如工业机器人、医疗设备、自动化装配线和自动驾驶汽车等。本文利用机器人手臂项目阐述此概念。设备采用Lynxmotion生产的机械臂组合套件。项目任务包括电子类（电线和连接、电源、伺服、SSC-32伺服控制器）、机电类（研究套件组件、齿轮和其他机器零件、在运动学分析中构建手臂）和计算机科学类（Windows编程、控制等）。

此类跨学科项目将提供融合电子、机电和计算机的学科组合，以提供设计、构建和优化产业职业就业所需的综合性技能。专业群内混合的学生群体可以进行跨学科的项目实践，此类实践不是专门针对单个学科或一组相关学科，而是针对一组精心挑选的项目，此类项目不仅可用于开展教学实践，同时也可以作为学生创新创业的衍生项目。