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“云端口袋实验室”-计算机学院“智能硬件实验”在线教学示范案例
发布时间:2020-06-09 12:11:17 作者:王毅航 来源:计算机学院 已浏览:

手机投注平台新闻网6月9日电王毅航)“智能硬件实验”是在“新工科”和“工程认证”背景下由“计算机基础教学与实验中心”推出的系列新开课,“智能硬件应用编程基础实验”是其中的一门。授课对象定位为大学一二年级本科生,按照学校《一流本科人才培养方案修订指导意见(2019版)》,归类为“通识课程”,课程性质为“任选”。该课在2017年开始酝酿准备,2019年立项建设,计划从2020年春季学期每学期开设。

课程的目标定位在“让学生初步学会应用Arduino(或类似系统)进行计算机硬件小系统编程,学会通过软件程序设计的视角解读硬件系统的工作特征,达到在开发半实物条件下智能硬件小系统,从而进一步提高硬件编程水平,培育硬件人才”。特色在于课程设计定位在“做中学”,考核的方式贯穿于整个教学过程,按做的实验和项目进行记分。

课程的主讲老师毛强和王毅航都具有多年实验教学经验和工程背景,并且都是热爱教学的党员教师。课程共32学时,2~9周开课,每周4小时连上。实验的项目包括有“数字IO和模拟IO”、“三色LED”、“压电扬声器音符演奏”、“照度传感器实验”、“超声波测距实验”、“LCD实验”、“舵机”。覆盖到基本的模拟电路和数字电路知识、微机接口、灯光知识、乐理知识、光学传感器、超声波、计算机图形学、机电领域和无人机航模领域,项目选题贴近生活和工作背景。实验平台按照线下实验室条件进行配置,按3~5人一组,共配置10套。

疫情来临后,按学校的政策,实验类课程是可以等学生返校后再开。基于多方面的考虑,不失信于学生,不影响课程群建设进度,加上中心领导和学院的支持,遂调整原课程方案,改为线上进行。

在寒假后半段,两位授课老师积极参加学校组织的线上教学培训活动,针对课程自身特点,想尽办法调用一切资源积极筹措合适的教学运行方案。方案在两人组成的小范围内预演,经常是坚持到晚上半夜11点多。那段时间学校封校、快递不发或者发出来在半途不动,为准备直播环境也带来不小的挑战;毛老师从家中搜罗出老旧笔记本电脑,多年不用压箱底的老式话筒耳麦,老旧手机,硬生生在家里搭建出一套实验课直播环境。有一次,为了提前备课求证其中的实验操作要素,毛老师骑着一辆自行车,借着小区两天一次两小时出门买菜的“放风”时间来取实验套件,再绕道学校西苑小区门口地摊上匆匆买些菜往回赶,这样的情景现在回想起来依然记忆犹新。大街上当时是冷冷清清,一条街上三四人,戴着口罩只顾走路,与平日大唐西市的热闹形成强烈的对比。

为课程按时上线,王老师利用自家的地下室搭建了录课环境,准备有20小时的课程视频,并就其中的大部分实验,尽可能做了录屏。(家中有一大一小小孩两枚,现在网络上称之为“神兽”,没有办法保持安静的环境;地下室其实就是一个储物间,冬天没有暖气,没有网络,只有照明用电)考虑到网络直播中最坏的情形,假如学生只有一部手机和纸笔,网络信号不稳定,教学组推出了“阅读电子版教材、听老师讲解录音、做好预习方案等待回校线下实验”的学习方案。

图1 王老师寒假期间制做的录课文件

第一次网课是毛老师的课头,在第2周周一中午12:20开始,对应于课表的5~8节。开课前3分钟,存在部分学生没有按时上课的情形,着实让王老师自己捏了一把汗。到底是学生那头网不好?还是学生不吱声退课?或者是别的原因?后来了解的情况显示有两方面的原因,一是上一节课的老师拖堂,二是大家需要时间吃饭。总结实际情况,再到后面的课程,适当调整课内安排,在开课的前20分钟不讲重点,默认边听边用餐,等一等上节课拖堂的学生。

记得第一次课程作业是翻译一篇关于“数字IO”的外文网页资料。在课后,出现了原网页地址迁移,网址失效的情况。出现了国外网站因学生地域不同访问不顺畅甚至报错的情况。出现了学生匿名在课程QQ群内吐槽、抱怨的情况……。老师们通过在课程群内发激励性的话语,通过对具体语句术语的解读,通过对学生“私信”针对性的答疑平息了群内的“舆论风波”,确保了课程有序进行。

毛老师在这次“疫情”课程中提出一种实验报告管理举措,被证明切实,学生接受度好,可以向类似课程推广。传统的实验教学,实验报告交上来后,一经批阅分数一锤定音,登记入册不再调整;现在毛老师提出来,报告首先要按时交,自己不具备实际操作条件可以将不完全理解的部分先空下来,按学习报告交,等实验条件具备时再充实后交更新版本;在课程结课后三周内,若觉的自己当时做的实验项目有不足之处,还可以完善,可以再更新版本;报告成绩评定以最新版本的报告为准,登记入册。这种做法的核心思想在于“以学生为本”,老师的职责是引着学生们往前走一程,让每个学生最大可能的获得自己的“增量”;而不是拿成绩给学生“打标签”,区分他们,去死板硬套成绩要“正态分布”的教学规律。当然,老师们批改报告的工作量会大到什么程度大家可想而知。

图2 毛老师在手机摄像头下演示实验操作过程,界面上除了“腾讯课堂”的水印还有Ardroid系统照相机的图标

实验课相对理论课有着一些特殊的情况,不同的实验课也不尽一致,真是“一课一方案”。就智能硬件实验这门课,比如说,为了防止网络掉线和网络质量不好,两名老师做到了互为助教。毛老师上课时,王老师是作为助教身份一直保持在线,网络不好时、或者王老师这边在镜头下操作显得过快时毛老师就会通过公共区留言或者私信提醒毛老师刚才某个环节没看清,建议重来一遍。网络质量突然间一段不好时就在QQ群里发一些安慰性的话语,抚慰同学们的心情,给毛老师留出时间排查。就这种互为助教的方式一直运行到课程结束。王老师的课头上,有一名叫“吴冲”的同学,比较活跃,在后半段的课程中,王老师指定该同学作为课程“文书”。“文书”是做什么的呢?当王老师上课时,在关键的实验操作环节或演示环节,让“文书”去做屏幕截图,课后整理后发到课程QQ群内,为同学们写实验报告提供素材。在课程上,王老师会以喊话重复三遍的方式明确某个操作过程要留意,请大家截图,并做倒计时10秒钟等待,确认等到“文书”在讨论区反馈ok后再进行下一步操作。如果截图效果不好,要表达的内容不清晰,则重新调整焦距,重复实验过程,让大家重新截图。为答谢“文书”的工作,最后一节课的液晶屏显示字符串实验老师在云端操作显示内容直接改为“Wu Chong,Nihao”(“吴冲,你好”的拼音)。

图3 “文书”在云的那端截图效果,确保镜头下的连线颜色、印刷字体清晰

图4 “文书”在云的那端截图效果,老师已字符串打印内容感谢“文书”的工作

践行了课程思政。课程中有一个实验为“音乐播放实验”,实验例子程序为英文“Melody”中的前一段。时值国内疫情关键时期,网络上传出了武汉群众晚上高唱歌曲“歌唱祖国”的消息,点赞率很高。西方不友好国家频繁对我国发难,在新冠病毒命名上搞歧视,提出国家赔偿要求。索性毛老师在课堂上将既定例子程序曲目修改为抗战歌曲“大刀进行曲”,在进行专业技术授课的同时进行爱国教育。王老师效仿毛老师的做法,将曲目换成“东方红”,让学生去了解我国建国后国防事业发展中第一颗人造地球卫星时期的那段历史。

网络直播指导报告写法。课程的前几次课,实验报告总不能按时交,即便交上来的报告质量相对差一些。再后来,课堂上定点语音连线学生,对大家的共性问题放在课堂上“用餐”那段时间给大家分析。慢慢的,学生能按时交报告,到结课后,大部分的同学能够交上来“一本”有目录有章法的报告册,报告语言、章节标题、文字格式、实验现象描述、图文和谐、美观等方面都得到了极大的提升。学生在结课反馈中,对老师给大家讲怎么写实验报告基于了中肯的评价。

图5 左图为某同学第一次交上来的实验报告;右图为该同学最后一次交上来的报告,足足60多页,俨然成了“一本”,内容充实,图文并茂

丰富教学内容,增加课程吸引力。为使得课后大家变的“活跃”,增加课程的吸引力,也是为丰富课程的内容,两位老师着实是动了脑筋下了功夫。比如说“智能硬件”在汽车控制方面的应用,有一次,王老师将上课用的控制板和自己的家庭乘用车OBD口连接起来,演示出通过控制板访问车辆的车架号、发动机转速、蓄电池电压信息。当把小视频发到课程群中时,同学们掌声一片,感叹咱们的智能硬件“口袋实验室”有这么强大的功能。还比如在智慧医疗中的应用,通过上课用的控制板配合一个传感器,压在指尖上和手腕上,可以用电脑测出来心跳和血氧浓度信息,当视频发到课程群中时,可以感受到同学们目瞪口呆的表情和兴奋的心情,原来我们的课程还有这么大的用处,这么好玩。

在实验设备这块,对遇到的困难采用机制创新的办法。疫情初期的教学预案计划先上6周(第2教学周~第7教学周)演示实验课,后两次(第8教学周、第9教学周)等疫情过去学生返校后在实验室上。截止写这篇稿子时,已经是第15教学周,学生们才刚刚返校。那当时没有实验设备怎么办呢?上了两三次课后,兴趣特别强的同学自行购买了开发套件,还有一部分同学老师给其寄出了自己上完课暂时不用的实验套件;同时老师们鼓励同学们相互结伴,发扬同学友谊,相互邮递,借出自己实验套件。通过这三种方式,基本上保障了在结课后三周前(第13周)大家都能够把实验部分或全部做一遍,较好的解决了实际操作问题。这种机制同时也反映出智能硬件“口袋实验室”的先进性和优势,可以时时、处处做实验,“搬运”、“重构”特别快。

实验答疑。老师们做到了两点,坚持网络文字视频答疑和电话答疑;课后安排三次课集中讨论。毛老师坚持公开自己的手机号码,只要学生有需要,必要的求证后可以直接拨老师的手机沟通,不让学生的问题过夜(“过夜”这种说法来源于军口的质量保证和技术支持管理实践)。有一次,毛老师通过QQ电话晚上11点多和学生讨论问题,排除“云的那头”实验做不出来的故障点。从学生的中期学习反馈上看,该学生在课程内的“获得感”那是满满的。毛老师展示出一名基层共产党员在“疫情困难”前的风采和一名军口工程师的风范。王老师在自己的课头结课后,和学生约定继续在原时间段,进行为期三周的答疑讨论环节。统计数字证明,没有课的学生基本上都能按时参加,且收获多多,整本整本的样板实验报告也是后三次答疑讨论课所产出的成果;安排水平高、动手能力强的同学上台分享自己的学习历程和“秘技”,推荐书籍都获得了普遍的好评。

到目前为止,这学期的“智能硬件应用编程基础实验”已经结课6周,教学工作暂时告一段落,学生才刚刚返校。国内疫情控制渐趋平稳,而国际形势依然严峻。总结本学期课程运行情况,开课后没有出现大面积的学生退课,中途“零流失;课程结束时,有三分之一的同学明确有在下学期上“进阶”课程的计划;整学期下来,教学运行中稳步进行,没有出大的岔子。可以说,基于“云端”的“口袋实验室”实验模式是站的住的,是成功的,可以发展推广。

目前,“智能硬件应用编程基础实验”这门课已经通过学校网上在线示范教学案例(第三批)认定。

时值5月末,做此文以感谢疫情期间为这学期“智能硬件应用编程基础实验”所付出的同学们、老师们、教研室同事们和学院、机关领导们。

(审稿:高武)

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