“基于Arduino 和传感器创新实验”微课设计及实践教学应用

张 晶 蓝 天 谭筠梅 穆 聪

（兰州交通大学计算机科学与技术实验教学中心，甘肃 兰州 730070）

0 引言

在新工科建设和工程教育专业认证的背景下，高校日益重视工程学科间的交叉与融合。 现代工程是跨多学科的综合体，对社会、政治、经济、环境、法律和文化背景的依赖性强，工程问题越来越复杂，要求学生应具备解决复杂工程问题的能力。

目前国内的大学生在毕业后暴露出的问题主要表现在学生的实践动手能力弱， 综合素质不高方面。针对这一现象，近年来高校在多方面积极努力增加学生的实践动手能力培养机会，通过科学调整课程设计内容、增加实践实习环节、开展创新创业活动来增强学生综合实践能力。

1 教学背景

“Arduino 和传感器创新实验”是兰州交通大学计算机科学与技术国家级实验教学示范中心开设的面向全校学生的创新实践类课程，目标是使学生通过学习Arduino 开发板及各类传感器， 提升设计嵌入式作品的能力，使学生在学习和实践中具备解决复杂工程问题的能力。 这门实践课程以“单片机技术及应用”“C语言程序设计”等课程的学习为基础，是进行复杂嵌入式系统设计开发的基础。

微课是以阐释某一知识点为目标，以短小精悍的在线视频为表现形式，包括多种教学要素的有机结合体，它利用信息化教学手段，时间短、内容精炼，学生利用碎片化时间学习，能显著提高教学效率。

目前硬件类实验类的微课较少，学生进行硬件学习时遇到问题， 需要花费大量时间来寻求解决办法，为了提高学习效率，亟需在实践教学中配合硬件开发类的微课来进行辅助学习。

2 微课设计

2.1 设计思路

课程设计思路根据Arduino 硬件系统设计开发的流程，遵循学生的认知规律，进行规划编排，详细划分课程知识点，知识讲解简单明了，重点录制操作过程，使学生能够在微课指导下快速掌握开发要点。 严格控制时长，保证学生在观看期间集中注意力。

2.2 内容设计

在微课内容设计上，结合一线教师多年来在硬件开发方面的实践经验和学生进行创新作品设计的需求，精心设计，加强理论与实践的结合，兼顾实用性和创新性，采用任务驱动和项目导向的方式，使学生掌握开发知识、具备系统开发技能。

微课选择Arduino 作为开发板， 它是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，具有良好的开放性，其软件平台Arduino IDE 使用简单，具有极大的灵活性和良好的跨平台性，初学者极易掌握，在学生进行创新作品设计过程中被大量使用。

微课内容包括知识讲解和实践两部分，其中知识讲解包括：（1）基础学习：包含Arduino 介绍、Arduino IDE 配置、Fritzing 软件使用方法、超声波传感器等15种传感器使用方法， 及抢答器等四个简单项目设计，每节课配有扩展实验供学生练习。 （2）高级实训：进行复杂传感器学习时， 以运动检测系统等八个项目为例，带领学生进行完整的项目开发流程，引导学生从单点系统设计逐步扩展到多点系统设计。 实践部分要求学生发挥创造力，进行创新作品设计开发。

3 实践教学应用

3.1 教学策略

在教学过程中，使用“以学生为中心，成果为导向”的OBE 模式和“教师主导”+“学生主体”的混合学习模式相结合的策略，学生通过微课观看实验步骤，通过实物搭建和安装测试验证实验内容。通过“问题引导—布置任务—学生思考自学—分组讨论—教师总结答疑”的教学方式以问题引出知识要点，教师仅作为学生学习的辅助者，对于学生出现的问题予以帮助和解答，课堂由学生主导，增强学生的创新思维、创新能力以及团队协作能力。

3.2 教学目标

3.2.1 知识目标

（1）掌握Arduino 开发板的结构、工作原理；（2）掌握常用传感器的工作原理、使用场合、编程方法；（3）掌握系统设计、调试、更新迭代的流程和方法。

3.2.2 能力目标

（1）培养自学能力，能够快速读懂元器件相关资料并进行应用；（2）能够熟练使用仿真电路设计软件和编程软件，进行电路及程序设计；（3）按照电路设计完成实物设计，能够对系统进行测试、进行问题排查及修正。

3.2.3 情感目标

（1）培养学生善于发现问题，积极思考解决问题的创新意识；（2）培养学生勤于实践、通过实践不断改进作品的创新能力；（3）强化学生严谨的工作态度和精益求精的创新态度。

3.3 教学组织

微课设计完成后， 主要对我校计算机科学与技术国家级实验教学示范中心的嵌入式实践育人基地开设的“Arduino 创意作品设计”开放实验进行辅助，学生在实验之余可以反复观看微课，便于巩固学习内容。

3.4 教学效果

通过微课辅助开放实验的开展， 学生对实验内容的掌握更加牢固， 学生的创新意识和创新实践能力得到了大幅度提升，同时也激发了创新实践热情。申报的“基于Arduino 的自动调酒机器人”“基于Arduino 和3D 打印的智能测温枪”等多项大学生创新训练计划项目， 并在全国大学生物联网设计竞赛等多项创新竞赛中取得了优异的成绩。

4 结语

教学实践证明， 在创新开放实验中引入微课，能有效将知识点化难为简，便于学生理解和课后实践联系，学生反馈效果良好。 微课实现了多种媒体的整合，使课堂内容更加丰富。 在微课设计制作过程中，要求教师对实验内容有深入的理解和较强的课程建构能力，既提升了教师专业素质和教学能力，也加快了信息化技术在实践教学中的应用。