项目教学法论文教学模式论文基于项目导向的专业综合实践教学.doc

项目教学法论文教学模式论文：基于项目导向的专业综合实践教学摘要:本文在“任务驱动,项目导向”教学法的基础上加入了层次化的概念,介绍了该方法的内涵及其应用于信息工程相关专业综合实践的指导思想,并结合专业综合实践教学项目“水情遥测无线传感器网络设计与开发”分析了具体的实施过程。实践结果表明,层次化的任务驱动法是一种灵活、高效、适应面广的探究性教学模式,有利于学生积极地开展合作学习,培养其创新意识、应用能力和项目管理能力。 关键词:专业综合实践;任务驱动;项目导向;层次化 信息工程相关专业是工程实践性很强的学科,许多知识只有通过实验才能让学生真正理解和掌握。对于刚从大量的相对理论化的基础课程中“解放”出来的本科高年级学生而言,像单片机技术、嵌入式系统设计和WebGIS等面向应用的前沿课程将激发起他们强烈的求知欲。近年来,我们通过组织学生参与各类学科竞赛的方式提升学生的实践创新能力,取得了良好的效果,并在此基础上结合实践教学环节自身特色,探索出一套更加灵活、高效和适应面广的探究性实践教学模式基于项目导向的专业综合实践公共选修课。通过开展一种边学边做边用的学习方式使他们感到知识有用、读书有用,并使他们的才能在实践创新活动中得到培育。 1任务驱动法的内涵及实践 “任务驱动、项目导向”的实践教学方法建立在建构主义学习理论的基础上,以完成一个或几个具体的项目为目标,每个项目又可细分为若干子任务。学生是积极的学习者,他们的学习是受社会文化系统、与教师和同伴的相互作用及自己的原有经验等影响的主动学习,是主动在内部建构知识意义的过程1。这种教学方法特别适合于信息及电子技术这样集知识与技能为一体,实践与操作性很强的专业。它将多、散、碎的知识点巧妙地隐含在每个项目之中,将再现式教学转化为探究式学习。 专业综合实践公共选修课的设立可以说是对上述教学方法的一次探索,是一种坚持“致高、致用、致远”的教育理念,推行理论教学、实践教学和科学研究“三元结合”的人才培养模式2。它改变了在传统电子工程相关课程的教学过程中,以师讲生听来传授新知识、以完成程式化实验来运用新知识,以考试测验来检查学习效果的被动教学模式。它的特点在于:1)研究课题紧密结合学科的发展方向;2)学生自主性学习;3)以教师课外松散性指导为主,过程中体现实践教学环节;4)体现实践教学特色。 2层次化任务驱动法的概念及依据 结合学校的特色并从学院的实际出发,我们提出了层次化任务驱动的教学方法。层次化的概念体现在纵向分层和横向分层两个方面。 2.1纵向分层 层次化任务驱动法的革新之一在于所选择的项目具有递进可划分的结构,细分出的子任务在难度上具有层次性,适合不同阶段的学生研究。项目的这种纵向可分性的优势在于:它通过项目导向的教学方法促进了梯队化培养模式的形成,如图1所示。 在这样的梯队化团队中,位于金字塔顶端的博导教授经验丰富,作为学院的学科带头人,由他提出当前值得研究的热点问题(相当于项目指南),可以使得整个团队紧跟学科的发展方向。青年教师及博士研究生将这个大方向划分为与自身研究领域相符的项目供硕士研究生参考,并在整个团队中起到监督作用,这样他们不必花费太多时间用于解决琐碎的问题,可以专心投入到较高层次的研究中去。硕士研究生将项目划分为自己熟悉并适合本科生研究的子任务,同时直接参与所属本科生团队的管理,这样不仅巩固了自身的学科基础,同时使得自己的研究可以在一个熟悉而可靠的平台上展开。对于处于金字塔底层的本科生,他们的疑惑可以在最短时间内得到最大程度的解决。更重要的是,梯队中学长和导师的研究让他们可以看清自己所参与的任务在整个项目中的地位,为将来独立从事科学研究和承担项目打下基础。项目导向教学法与梯队制的融合也为整个科研团队培养了大量潜在的储备人才,使得前人的经验得以传承,成果得以延续。 2.2横向分层 层次化任务驱动法的革新之二在于所选择的项目在每一个纵向层次上可横向划分为硬件、软件等多样化的子任务,学生可以充分结合个人兴趣、个人特长和将来发展方向选择自己适合的任务。 当前,大学生从众行为普遍,反映出了部分学生自我意识弱化,独立性较差,很大程度窒息了个体思维的独创性、深刻性,也对高校创新型人才塑造带来最直接的负面影响3。小组内任务的多样化为增进学生间的相互作用创造了环境和机会。在这种“合作学习模式”中,学生之间能协同努力,充分发挥自身及其同伴的学习优势,从而把个体的学习行为与个体与个体之间的人际互动有机地结合在一起,小组成员之间形成一种“利己利人”的学习情境4,在一定程度上摆脱了学生对老师和同学的依赖性。 3专业综合实践教学的具体实施与探索 专业综合实践以公共选修课的形式,本着指导教师自行申报、学生自愿选课的原则面向全体信息工程相关专业的高年级本科生开设。过去两年中,为了让学生有更多选择,我们设计了10个面向项目的实践方案。下面仅结合其中的“水情遥测无线传感器网络系统”项目,介绍基于项目导向的层次化任务驱动教学法在专业综合实践教学中的实施流程。 3.1构建教学平台 我校是教育部直属并拥有研究生院的211重点高校,学院设有计算机科学与技术、信息与通信工程等博、硕士点。从本科的基础教学到研究生的科学研究具有很好的连贯性,可以实现在一名博导教授的带领下,以若干青年教师为骨干、研究生为中坚力量,本科生积极参与,形成各具特色的科研梯队。同时,我校是一所以水为特色的综合型大学,这为电子信息类的学生设计提供了很好的应用方向。 在完成了指导团队的构建后,为保证实践课程的实施效果,我们严格控制每位老师指导的学生不超过15名,每个研究生所在小组不超过4人。学院在经费、场地和仪器设备使用上给予大力支持,经费由学院从教学实践经费中开支。 3.2结合热点、创设情境 从建构主义学习理论的观点来看,学习总是与一定的“情境”相联系,因为在“情境”的媒介作用下,那些生动直观的形象才能有效地激发学生联想,唤起学生原有认知结构中有关的知识5。 我们将无线传感器网络设定为一种用于水资源、水环境自动化监测和遥测遥控的全新的信息获取方式和手段。从项目公示到分组互动到任务实施,我们一直以此为“情境”,向学生介绍传感器网络的基本内容和基础技术,帮助学生答疑解惑。对学生来说,实现了积极的意义建构,学习的直观性和针对性得到加强,真正体现了项目驱动的优越性。 3.3设计课题,明确目标 根据层次化的概念结合指导团队的知识结构,我们如图2所示划分了项目的方向、子课题及任务。在项目提出后,青年教师及博士研究生分别划分出偏硬和偏软的两个方向,而由将要直接带领本科生小组的硕士研究生拟定子课题及任务的设计方案,指导教师仅对设计方案的可行性做出监控。 子课题应当具有实用性强,综合性强,技术水平发挥余地大的特点。在本项目中,我们设计的4个子课题及其所涉及的电子及计算机相关课程分别如下: 1) 节点及通信模块设计:高频电子电路、单片机技术、嵌入式系统等。 2) 电源及传感器设计:模拟/数字电子线路、计算机接口技术,传感器技术等。 3) 节点协议栈设计:计算机通信网、操作系统、通信原理等。 4) 上位机管理系统设计:数据库原理与应用、WebGIS系统设计、C#等。子课题包含的任务可以划归为4大类,对应教学目标如下: 1) 电子线路设计类:掌握任务涉及的模拟、数字电路,传感器的信号调理方法及其与MCU的接口电路;熟悉常用元器件的辨识及焊接工艺,掌握Protel DXP绘制电路原理图和PCB图的流程,了解热转印法制作PCB。 2) 嵌入式硬件系统设计类:掌握嵌入式系统常用外设的硬件电路,熟悉其物理层和HAL层的驱动程序设计方法;通过低功耗无线传感器节点设计总结出低功耗电路设计应当遵循的原则;通过2.4G射频通信电路的设计归纳出PCB的布线原则。 3) 嵌入式软件系统设计类:认识嵌入式操作系统,通过解析精简ZigBee协议栈掌握无线传感器网络协议的分层结构和设计方法;提出开发40K左右的传感器节点微型操作系统(micro-OS)的解决方案,提高软件的重用性,降低应用开发的难度。 4) 上位机应用程序设计类:掌握与下位机的串口通信方式;熟悉基于大型关系数据库管理系统(SQL Server, Oracle)的数据库结构;掌握利用Mapobjects的GIS二次开发方法。根据本项目的特点结合传感器节点的部署,实现区域水文信息查询检索,组态图形、属性数据管理,统计分析等功能。 任务的规模要适量,根据设计的目标、时间等来确定。课题划分出的任务均提供标准的设计方案,学生亦可自行设计方案,或在标准方案上进行改进。例如,学生既可以按照给定的方案设计浮子式水位计的接口电路,也可自行设计非接触式的超声波水位计。 3.4确立分组,划分任务 在方案确立以后,学生选课前的任务和指导团队公示是一个必需环节,必要时还应当组织一次选题指导讲座进行有效的宏观引导,向选课的同学介绍相关课题的研究背景、意义和预期目标。指导教师通过展示前期收集的大量文字、图片资料以及实物,给同学带来感性认识,由学生选定自己感兴趣的分组。 专业综合实践课相比以往的实验课和课程设计明显增加了实践技能要求的难度,因此实践前的任务分析是一个十分重要的环节,可视具体情况把总任务分解成一些“阶段任务”,通过细化任务,可使学生明确具体的小任务,培养学生解决问题的思路,从而保证学习的方向和目标。 例如任务“水情传感器及其接口电路”的标准方案要求完成以下子任务。 1) 设计可以测量环境温湿度的传感器电路。综合考虑成本和低功耗的因素,可选用数字一体化的温湿度传感器DHT11,它采用单总线方式连接,外围电路简单,因此设计重点在于MCU对数据IO读写时序的控制。 2) 设计翻斗式雨量传感器的接口电路。翻斗式雨量计采用干簧管输出翻转脉冲,对脉冲的计数即可实现雨量统计。于是将问题转换为利用MCU的外部中断和定时器功能和实现单位时间内脉冲触发次数的统计。 在理解了各类传感器工作原理的基础上,按照规范的流程设计接口电路和驱动程序让学生建立完成课题的信心:一个复杂的大项目原来可以划分成多个简单的小任务完成,并不是那么遥不可及。通过完成以上两个小任务,学生熟悉了MCU的开发环境以及IO、定时器、中断的使用方法,又扩展了新的任务。 3) 设计一种非接触式测量的超声水位计。超声水位计利用测量超声波从发射端到达水面并反射回接收端的渡越时间完成距离测量,并利用温度传感器补偿当前温度下的声速。经过分析,决定采用收发一体的方案,于是任务又被进一步细化。子任务1:设计40kHz的波形发生及放大电路;子任务2:设计波形接受端的三级放大电路;子任务3:设计检波电路,将模拟信号转换为中断触发信号;子任务4:在任务2的基础上,利用定时器和外部中断统计渡越时间内的计数脉冲个数,并将计数值转换为实际时间;子任务5:将DS18B20测得的温度值换算为空气中的声速;子任务6:距离=声速渡越时间/2,求得水位。 3.5实施任务、定期汇报 在小组明确了课题,个人明确了任务后,首先运用互联网、图书馆等资源查找、阅读、分析资料,将可行的方案进行归总;其次,在小组中讨论个人制定的方案,获得小组成员一致理解;接下来收集素材,包括硬件制作的工具,电子元器件,软件制作的开发平台,测试环境。然后根据前期制定的计划按部就班的实施任务。 为了能够使教师对学生任务完成的情况做到心中有数,学生对所完成任务做定期汇报是很有必要的,我们以讨论课的方式实现这种汇报、提问和解答的互动教学过程。例如,在“电源及传感器设计”小组做完一周汇报之后,教师提问:目前常用的水位测量装置有哪些?分别是什么工作原理?请比较它们的优缺点等。在交流中尽量引导学生自己提出问题,并经过思考和教师的点拨,自己解决问题。这种不断发现问题、解决问题的交流过程可使学生从不同角度对课程内容产生更全面、更具体、更深入的理解和认识,同时,对于某些小组中没有解决的问题,也可能通过组间交流得到解决。 3.6课题验收,总结评价 课题的验收采用成果验收、现场答辩、报告评阅相结合的形式。学院的指导团队成立35人的验收工作组,由提出项目的教授负责总体组织。实行现场验收制,通过学生现场演示,现场答辩,考察课题的完成和学生对课题的实际掌握情况。验收内容包括:系统运行情况、技术难度、工作量等。验收组根据验收结果和每位学生对问题的把握情况评定出学生的该项成绩。 完成验收和答辩后,各小组将研究成果写成总结报告,并且要提供开发的程序和相关技术文档。其中总结报告要求学生按发表科研论文的格式进行撰写,以帮助学生进行整理研究成果的锻炼,总结报告评分的主要考察内容包括总体结构、格式规范性(摘要、目录编排、文字图表等)、反映学生本人所完成的工作的全面情况等。在成绩评定中,教师应突出评定学生实验成绩的主要依据不是学生的实验结果,而是实验过程。对于非常新颖并有建设性的原创性思路,即便最终的效果不尽理想,也应当给予较为优异的分数。 4需要注意的问题 这种基于项目导向的专业综合实践教学模式打破了传统教学方法中注重学习的循序渐进和积累的老套路,教师在任务安排中应当及时突出教学的环节,使学生对项目的感性认识拔高一个层次到理性认识,从知其然到知其所以然。 由于专业综合实践的难度定位于课程设计和毕业设计之间,而且学生具有较大的自由度,因此为确保教学效果,合理分组很重要。对于一个子课题,单靠一个人的力量是很难完成的