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1、“基于项目学习和实践”的课程改革创新与实践王立强 王立强 浙江大学光电系副教授，电话(Tel)：0571-87952315、王晓萍、杜立辉浙江大学现代光学仪器国家重点实验室 杭州 310027摘要：微机系统是浙大光电系的主干课程之一，该课程的特点是知识面广、实践性强、难度大，很多学生难以对知识有透彻的理解，未能形成系统的知识构架。微机系统对实践环节有很高的要求，传统的教学方法和教学模式对此环节的培养尚有不足。因此，本文探索一种基于项目的学习和实践的课程改革方案，通过项目的实施将理论知识和具体实践相结合，培养学生兴趣，提高动手能力，加深知识理解。经过实践，获得了良好的教学效果，这是对新形势下教学
2、改革的有益尝试。关键字：微机系统，项目学习，课程改革微机系统设计与应用的教学目的是培养学生如何将已学的微机原理知识应用于面向实际工程需求的科研项目的能力，促进学生的创新能力开发。传统的教学方法和模式在这方面有所欠缺，因此我们尝试采用基于项目的教学方法，根据学生的兴趣、爱好和特长，结合光电系的有关科研项目，促进自我导向的学习，让学生主动运用所学知识解决实际问题。1 课程改革基于项目的学习和实践是以学习并应用课程的基本原理为核心，以培养学生自主学习和创新能力为目的，在一定时间内围绕解决一个实际问题的探究性学习模式。它的主旨是让学生的学习与实践融入到项目任务的完成过程中，让学生积极地主动学习，完成课
3、程知识的建构，并在此过程中培养学生的创新意识、创新精神和创新能力，以及规范、守时、团队协作等各项综合素质，培养学生运用所学知识解决实际问题的能力。而我们对于课程学习的评价则更着重于学习和实践的过程，并非只看重学习最后的结果【1】【2】。基于项目的学习方法已经有不少人对其进行研究，并运用在一些实践性较强的课程的教学中，如在模拟电子技术课程【3】，数字电子技术课程【4】，计算机课程【5】中，均取得了不错的效果。我们在此基础上提出改进，并运用于微机系统设计与应用的实验课程中，取得了预期的效果。2 实施方法 基于项目的学习和实践本着以项目为中心，以学生为主体，以培养学生自主学习能力、创新能力、动手能力
4、为目标。在课题设计中充分考虑理论和实际的结合、兴趣和专业的结合，使课题具有一定的研究价值，兼有科学性、创新性、可实施性、实用性等特征。并且应积极倡导学生自己设计题目，根据自己的兴趣、爱好、知识水平进行设计，多分析，多研究，培养学生的独立思考能力和创新能力。在教学过程中，教师指导学生小组进行资料收集和整理，确立研究进程、研究方法，讨论实施路线，学生小组独立、自主完成实践项目的各项工作，最后编写总结报告。在整个实验教学环节中，结合光电系的专业特点和科研项目需求，使学生从单纯模仿到个人（团队）创造、从依赖辅导到独立设计、从被动接受到主动发现，实现学生创新能力的培养和提高。具体实施如下：2.1 教学课
5、堂上，在介绍相关知识点的同时，注意培养学生的兴趣。“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”。上课时，将以前的项目作品展示给学生看，激发学生的兴趣和好奇心；介绍当前业界的发展以及在现实生活中的实际运用，例如用手机、汽车中微机系统的广泛应用来激发学生的兴趣和对科技的热情。同时讲课也不再面面俱到，而是提纲式介绍主要内容，课后的自主学习比重加大。删去传统实验教学中的按部就班方法，如实验目的、实验原理、实验方法与步骤、注意事项等，建立符合培养创新人才的研究型实验教学方法。尽可能多地开展同学之间、老师或助教与学生之间的讨论和交流，老师主要是作为一个引导者，使学生真正成为学习的主体。2.2 题目设计教师预先准
6、备15个左右的设计课题，学生自由组成小组，提倡每个学生组自主提出设计题目，同时，当教师认为学生的设计题目具备可行性时，学生组采用主动设计题目，反之，学生组从预先准备的15个题目中选择一个。题目的设计需要考虑几个问题，首先题目的设计要考虑到其知识容量，实践难度，与课程的关联程度等，各个题目之间应该尽量均衡。其次题目的设计既要满足课程知识构建的需要，也要根据光电系的专业特点，设计综合性的题目。再者，设计的题目需要有一些扩展性，给学生的思维扩展和独立探索留有空间，充分考虑学生的自主要求。最后，题目数量必须大于学生小组数量，给学生以充分的选择空间。每个小组的学生人数必须合理安排。考虑到项目主要包括硬件
7、与软件两个部分，因此每个小组最多由2名学生组成，否则多余的学生基本得不到相应的锻炼。2人中的其中1人主要负责硬件设计与调试等工作，另1人主要进行相关软件设计与调试。这样形成分工协作，锻炼学生的团队合作能力。课程提供的所有题目都尽量体现以上的设计要求，表1列出2010学年的其中5个题目。前3个题目为任课教师预先准备的设计课题，后2个为学生小组根据自己的兴趣提出的主动设计题目。从表中可以看出，教师题目均与光电专业的课题相关，而且与微机课程紧密结合。而学生题目则充满趣味性，充分体现了当代学生的创造力和想象力。表1 微机课程2010年度部分设计题目序号题目内容简介类别1点阵LED显示屏的设计设计并制作
8、一个以单片机为控制核心的点阵LED显示系统，实现同时显示4个汉字，长的字符串则从右向左或从下向上滚动，画面清晰。可显示当前的时间，显示当前温度。教师题目2激光测距系统激光脉冲照射被测目标，照射激光被目标反射，部分反射光被光电探测器接收，经电路处理，测量距离。单片机作为控制中心，控制整个系统的时序。获得数据后显示在液晶屏上或者通过串口传给上位机。教师题目3楼道灯光节能控制系统以单片机为核心，设计楼道灯光自动感应系统，要求当楼道内光亮度低于某一阈值时，且有人经过楼道，灯光自动打开，亮60秒后自动关闭。在此基础上可根据楼道光的亮度不同，采用PWM方式控制灯光的亮度，实现楼道灯光的节能控制。教师题目4
9、基于C51的无弦琴弹奏及娱乐系统开发一种基于光敏电阻和激光器光电检测电路，再辅以C8051f020单片机为控制核心，以自制的木质系统作为骨架，将输入的弹奏信号通过检测电路转换成为数字信号，同时对产生信号进行编码判断，输出相应的输出信号，给自主设计的和弦蜂鸣器进行发声。学生题目5自动垃圾桶用红外遥控器对垃圾桶进行遥控。巡线模式时，垃圾桶沿着预先铺设好的轨道移动，并在运动至有停止标志（横线）处停止，打开盖子一段时间；若用户在某一处需要使用垃圾桶，可以挡在其前方，这时垃圾桶就会停止并打开盖子。遥控模式时，可以按下遥控器的任意键，即可实现该键的功能。学生题目2.3 项目实践每组学生需要对题目进行全面分
10、析和讨论，首先，术语解释，将意见不一、或难度较大的术语列出，作为学习要点。其次，界定问题，对同一个题目，每个同学很可能有不同的观点和解决方法，比较和收集这些观点有助于扩展知识面和预先界定任务。第三步：头脑风暴，对可能的解决方案进行集体讨论，推测可能存在的情况，做出初步诊断，以及各种检验和比较。这是关键步骤，可以促进以往学习知识的使用，形成不完整知识的链接，提高逻辑推理能力，增强自信心和说服力。第四步：重新结构化问题，对问题进行尝试性的解决，学生要尽可能多的考虑对问题的解释，决定是否需要进一步探讨。最后，分配任务，课题小组根据讨论结果分配设计任务，其中1人主要负责硬件实验设计，另1人主要负责软件
11、实验设计。然后每个学生组根据自己的题目，撰写项目设计书及实施方案（有经费预算）。在正式进行立项前学生组还需要开题答辩，对整个项目进行可行性论证。之后学生利用实验室提供的条件，完成电路设计、制作、程序设计、调试、改进、完善等创新实验工作，最终提供规范的设计报告、总结报告及实物展示。所有的题目都是比较综合的工程项目，需要各方面的知识，较强的动手能力，所以在整个实施的过程中学生遇到了不少的困难。为了帮助学生解决实践过程中所遇到的问题，每周有一次课的时间，由教师和助教在实践基地提供答疑和实际技能方面的帮助，协助学生解决在项目中所遇到的问题，引导学生的创新思维，培养学生的动手能力。例如，在自动寻径小车的
12、设计过程中需要用到舵机来控制小车的方向，但是学生搭建好电路，编写程序后发现不能准确控制舵机的转动，因此寻求助教的帮助。助教在帮助学生解决问题的同时传授常用的硬件调试和软件调试方法。学生经过一系列排查后，发现是舵机没有接上拉电阻。除此之外，我们借助网络教学平台提供项目相关的各种资料供学生查询，构建良好的知识结构体系。同时学生也可以在在线交流版块和教师进行交流，激发教与学的互动。2.4 项目考核课程不再进行传统的期末考试，而是由任课教师、实验教师和助教组成项目验收组，听取每个小组的研究总结汇报，并经过提问、答辩、点评和实物演示等互动，进一步分析讨论各个题目完成的情况、存在的问题、其它解决方案以及优
13、化改进的措施，同时由助教做好答辩记录。最后老师根据各小组题目的难易程度、预期目标的实现情况、答辩情况和最终结果以及提交的总结报告等资料情况，讨论确定各小组的成绩。因为不同小组的题目可能不同，存在着不同的设计难度，即便是题目相同，也存在着不同的实现方法，因此，如何可观、合理的给出每个小组的考核成绩，需全面考虑课题进行中的各个阶段表现。经各方面平衡，我们的最终考核方法如表2所示。表2 课程考核方法评分条目分值（%）注解平时表现10%鼓励学生对讲义、网站等尽可能多地提出建议，鼓励学生提出有关课程建设和教学方法方面的建议，平时认真程度等开题报告待添加的隐藏文字内容210%包括方案的创新性、经费预算的合
14、理性等项目完成情况55%是否达到预期指标，可靠性，完整性等项目答辩10%实物演示的精彩程度，答辩PPT及总结报告的优良程度难度分数5%不同题目，不同实现方法的难度平衡奖励分10%撰写科技论文、申请专利、为下一届同学出新题目等我们的考核方法尽量做到全面、公平，当然仍需要进一步在教学实践中改进和完善。3 实施效果 基于项目的学习极大的激发了学生对该课程的兴趣，以及发现问题、分析问题、解决问题的能力的提高。因为整个过程中学生需要根据项目的需求，运用所学知识，设计电路图，选用电子元器件，编写程序，调试电路和程序，最后亲手制作出特定功能的实物时，具有强烈的成就感。这就进一步促进了学生对这门课的兴趣，就能
15、更加投入时间和精力，更深入的理解教材内容，构建完整的知识构架，制作出功能完善的实物，实现一个良性的循环。图1是学生在浙江大学“教学质量评价”网站对本课程的评价，与之对比的是本课程组的另外一门课程“嵌入式系统与应用”（采用传统课堂教学与实验教学），可以看出学生对本教学方法在各个单项的满意程度均有很大提高（每个单项满分5分）。图1 学生对课程的教学评价 基于项目的学习培养了学生的创新思维，提高了自我学习能力和终身学习能力。项目实施中鼓励学生自主设计题目，对原有的题目进行改进。这充分挖掘学生的创造力，例如，自动循径小车的题目中要求只是用常规充电电池提供能量，而学生认为应该倡导绿色能源降低环境压力，因
16、此设计了一个利用太阳能电池板进行供电的自动偱径小车。 基于项目的学习锻炼了学生团队合作的能力。项目的实施是以小组为单位，分工合作。在这个过程中，小组成员为了共同的目标而努力，相互之间建立充分的信任，共同面对问题，调动团队成员的所有资源和才智完成项目的实施。经过项目学习模式的洗礼，学生们提高了动手能力，培养了创新思维和团队协作能力。2010年本课程共有20名学生选课，分为10个小组，其中在浙江大学第二届光电设计竞赛中获得一等奖2项，二等奖1项，三等奖2项，鼓励奖3项，占选课人数的80%。并选取三个小组参加2010年第二届全国大学生光电设计竞赛，在“基于太阳能的光电导航搬运车” 题目中取得第2和第
17、9名（全国决赛共64支队伍），在“光电智能导盲器”题目中取得第8名（全国决赛共56支队伍）。4 结论“基于项目学习和实践”的微机系统课程改革创新与实践在浙江大学光电系已经开展2年，通过课程实践，学生更加深入的理解了微机原理，掌握了微机应用的基本知识，一致认为课程学习后收获大，开课价值高。但同时也反映出教师和学生的工作量偏大，部分小组不能及时完成预期目标，或者完成得不理想等问题。我们将进一步改进和完善此教学方法，实现更合理的工作量与难度分配，并努力在更多的专业课程推广应用。参考文献：【1】 张生花，梅龙宝，唐艳. 基于项目学习的非线性编辑课程教学改革与实践【J】. 中国校外教育(理论), 200
18、7(9):16转21.【2】 王汀. 微处理机原理与接口技术【M】. 浙江大学出版社, 2008.【3】 李翠花，谭敏.在模拟电子技术课程中实施项目驱动教学模式【A】.电子电气课程报告论坛论文集2008【C】，高等教育出版社，2009:173-175.【4】 王秀敏，刘云仙.基于研究性学习的数字电子技术课程教学模式改革【A】. 电子电气课程报告论坛论文集2008【C】，高等教育出版社，2009:323-327.【5】 张季良.任务驱动教学法在计算机教学中的使用【J】.中国科技信息，2005(13):156.基金项目：浙江大学研究生院资助项目（2010-37），浙江大学校级实验教学研究资助项目（
19、EO9050），浙江大学光电信息工程学系资助项目（ZDGD2009-8）。2010年浙江省新世纪教改项目“光电专业课程实践教学改革与创新能力培养”。Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always
20、wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way b
21、efore my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space even
22、ts, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to wat
23、ch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test th
24、e winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territ
25、ory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere
26、. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule commu
27、nications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm -
28、 winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilomete
29、rs), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 mil
30、es/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hel
31、l be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitti
32、ng the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. I
33、nstead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousnes
34、s at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.
