創(chuàng)客類(lèi)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)化模型

張洪杰　錢(qián)彭飛　方愷晴　耿丹

摘要：針對(duì)創(chuàng)客的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育研究主要集中于無(wú)教學(xué)計(jì)劃和學(xué)分的創(chuàng)客空間項(xiàng)目，缺少創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ)選修課的問(wèn)題，結(jié)合高等工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，提出高校夏季小學(xué)期創(chuàng)客類(lèi)硬件實(shí)訓(xùn)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)化模型，闡述該模型有效性驗(yàn)證的方法和過(guò)程。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育；夏季學(xué)期；微處理器；自適應(yīng)結(jié)構(gòu)化；專(zhuān)業(yè)認(rèn)證

0.引言

創(chuàng)客原指不以盈利為目的，從興趣愛(ài)好出發(fā)的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)者。2015年，全國(guó)兩會(huì)政府工作報(bào)告為創(chuàng)客注入了時(shí)代新活力——?jiǎng)?chuàng)業(yè)者，指出以“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”為驅(qū)動(dòng)，大力發(fā)展眾創(chuàng)空間，培育“草根”創(chuàng)業(yè)帶動(dòng)就業(yè)，引領(lǐng)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)。

創(chuàng)客教育廣泛存在于以“線(xiàn)上社區(qū)、創(chuàng)客聯(lián)盟和眾籌平臺(tái)”為例的虛擬平臺(tái)和以“創(chuàng)客空間、工坊、圖書(shū)館”為例的高校內(nèi)外創(chuàng)客實(shí)體中。這些模式遵循開(kāi)放性，以興趣立項(xiàng)自助創(chuàng)造，即使高校內(nèi)部也無(wú)固定教學(xué)計(jì)劃和學(xué)分。2015年5月，國(guó)務(wù)院《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見(jiàn)》明確健全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系，設(shè)置合理的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)分。湖南大學(xué)虛擬創(chuàng)業(yè)學(xué)院整合優(yōu)質(zhì)慕課資源，面向本科生開(kāi)放計(jì)入學(xué)分管理的“創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ)”選修課。學(xué)院創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)核心課程實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)、“創(chuàng)客”模式導(dǎo)向的第3夏季小學(xué)期系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與服務(wù)職責(zé)。為保障高等工程教育質(zhì)量，學(xué)院引入工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，給予高等工程教育定位、評(píng)價(jià)、質(zhì)量保障與反饋。

1.創(chuàng)客類(lèi)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)

夏季小學(xué)期主要安排計(jì)劃內(nèi)工程集中實(shí)踐、拓展類(lèi)前沿選修課、專(zhuān)題講座等教學(xué)活動(dòng)。計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)具備扎實(shí)的科學(xué)與工程知識(shí)、良好的分析解決復(fù)雜工程能力和跨領(lǐng)域合作能力的人文與道德并存的復(fù)合型人才。為此，學(xué)院制訂3期小學(xué)期教學(xué)方案：①大一程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練1周，以掌握語(yǔ)言為目標(biāo)。②大二算法與軟件設(shè)計(jì)2周，以通過(guò)CSF考試為目標(biāo)；電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)2周，掌握電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作與編程。③大三系統(tǒng)與創(chuàng)客實(shí)訓(xùn)4周，以復(fù)雜系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力訓(xùn)練為目標(biāo)。

創(chuàng)客實(shí)訓(xùn)屬于跨專(zhuān)業(yè)必修課，是以“微處理器、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)”為主的成熟通用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，符合工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證要求，利于信息安全、數(shù)字媒體、智能科學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)等新興專(zhuān)業(yè)發(fā)展。

2.課程規(guī)劃

成功創(chuàng)客課題具備7點(diǎn)：切身性、復(fù)雜性、資源充足、互動(dòng)合作、高強(qiáng)度、時(shí)間合理和分享教育。創(chuàng)客課程重在案例，教師不僅考慮有沒(méi)有，還要清楚預(yù)估結(jié)果及設(shè)定應(yīng)急方案。創(chuàng)客課程教學(xué)是一次培訓(xùn)，在一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，深度參與，在短時(shí)間內(nèi)形成工程項(xiàng)目思維并能運(yùn)用。

哈羅德的培訓(xùn)結(jié)構(gòu)化5步模型按邏輯依據(jù)、績(jī)效目標(biāo)、學(xué)習(xí)活動(dòng)、評(píng)價(jià)和反饋?lái)樞蛟O(shè)計(jì)培訓(xùn)。它更多地實(shí)踐在短期現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，難以引導(dǎo)課下自主學(xué)習(xí)。為了讓創(chuàng)客實(shí)訓(xùn)全程覆蓋課上課下，我們對(duì)教師、助教和學(xué)生三方的持續(xù)自助規(guī)范培訓(xùn)過(guò)程提出實(shí)訓(xùn)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)化模型，如圖1所示。

課程背景描述學(xué)習(xí)理由，包括一些事實(shí)趨勢(shì)或場(chǎng)合、矛盾沖突或特點(diǎn)、承上啟下的地位和知識(shí)模塊等。教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生獲得與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)的能力，即學(xué)會(huì)有能力做什么、鍛煉或提升什么能力及做得怎樣。學(xué)習(xí)活動(dòng)鼓勵(lì)更多參與，原則為了解學(xué)生已會(huì)知識(shí)與技能；專(zhuān)注于長(zhǎng)期目標(biāo)并設(shè)定短期目標(biāo)；項(xiàng)目要有趣且有一些挑戰(zhàn)，循序漸進(jìn)增加難度。考核檢查學(xué)生是否學(xué)會(huì)，以團(tuán)隊(duì)與個(gè)人應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)公正地評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)表現(xiàn)。自適應(yīng)檢查在學(xué)習(xí)活動(dòng)間或整個(gè)課程建設(shè)中循環(huán)往復(fù)，滿(mǎn)足可持續(xù)性自主發(fā)展。

3.微處理器設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)

設(shè)計(jì)方法與創(chuàng)新理念開(kāi)放的開(kāi)源硬件興起促進(jìn)了創(chuàng)客教育的普及。開(kāi)源硬件對(duì)創(chuàng)客教育的正向影響主要為遞進(jìn)成本投入、完整產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈和協(xié)作迭代產(chǎn)品更新。Arduino平臺(tái)是目前全球創(chuàng)客使用最多的低成本硬件平臺(tái)，配合Android智能手機(jī)可搭建真實(shí)的低成本教育機(jī)器人，堆疊自行開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展板可完成可調(diào)低功耗智能儀表，匯入無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)可長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境。Proteus虛擬平臺(tái)讓Arduino學(xué)習(xí)成本更低。可編程邏輯器件中IP軟核技術(shù)的發(fā)展降低了硬件生產(chǎn)成本與設(shè)計(jì)時(shí)間，加快了硬件開(kāi)源。

以一款低功耗8位AVR增強(qiáng)型RISC架構(gòu)微控芯片ATmega328p（Arduino UNO主芯片）的CPU核為實(shí)訓(xùn)載體，在cycloneII 2C5芯片上自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)CPU和并口，能執(zhí)行C語(yǔ)言程序。處理器邏輯設(shè)計(jì)一般通過(guò)HDL編程實(shí)現(xiàn)指令子集，僅僅運(yùn)行手工編譯程序來(lái)仿真驗(yàn)證邏輯。跨專(zhuān)業(yè)選修學(xué)生更需要c語(yǔ)言編寫(xiě)應(yīng)用且自動(dòng)編譯。兼容CPU常見(jiàn)C編程實(shí)現(xiàn)方法：移植嵌入式OS，如配置uCOS到MIPS32軟核；借助真實(shí)芯片IDE，如Keil支持ARM9與8051軟核、Atmel studio支持AVR軟核。前者不可避免地抬高了專(zhuān)業(yè)門(mén)檻，會(huì)涉及較多Linux虛擬機(jī)下GNU工具鏈編譯配置和uCOS應(yīng)用開(kāi)發(fā)。自制處理器考慮FPGA板載存儲(chǔ)資源限制由32位降為8位，并采用后一方案編寫(xiě)單片機(jī)c程序，能在FPGA板上真實(shí)運(yùn)行且與單片機(jī)板運(yùn)行效果一致。

課程涵蓋微處理器核、片上系統(tǒng)虛擬平臺(tái)和智能硬件應(yīng)用三大訓(xùn)練模塊，涵蓋微計(jì)算系統(tǒng)的處理器層、芯片層和開(kāi)發(fā)板層軟硬件開(kāi)發(fā)。課程預(yù)期效果如下：①能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)微處理器核、虛擬微控系統(tǒng)、智能硬件原型并演示；②提升開(kāi)發(fā)FPGA的RTL建模、仿真驗(yàn)證、優(yōu)化策略、時(shí)序分析，結(jié)合AVR的c編程、調(diào)試觀察和硬件驗(yàn)證能力；③鍛煉電路設(shè)計(jì)前期資料手冊(cè)閱讀、電路圖識(shí)圖與虛擬平臺(tái)設(shè)計(jì)能力以及自下而上實(shí)現(xiàn)及設(shè)計(jì)后在檢測(cè)平臺(tái)上分析和測(cè)試的能力。

本創(chuàng)客實(shí)訓(xùn)采用做中學(xué)，即先做會(huì)做的，再學(xué)不會(huì)的，具體內(nèi)容見(jiàn)表1，讓缺乏計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)的跨專(zhuān)業(yè)學(xué)生或愛(ài)好者充分利用基本實(shí)驗(yàn)（BE）為自己加分，進(jìn)一步思考自主實(shí)驗(yàn)（AE）或后續(xù)BE。

總成績(jī)由4部分組成：①教師（30%）考查出勤、實(shí)物、研討；②助教（10%）考查學(xué)生積極性、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與編程能力；③現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（30%）考查實(shí)物、復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析能力；④答辯與文檔（30%）考查綜合運(yùn)用理論和技術(shù)手段設(shè)計(jì)系統(tǒng)和流程的能力、表達(dá)能力和文檔撰寫(xiě)能力。各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目個(gè)人平時(shí)成績(jī)由團(tuán)隊(duì)任務(wù)得分與個(gè)人日志報(bào)告等級(jí)構(gòu)成。A等生組織團(tuán)隊(duì)全部完成，B等生加入團(tuán)隊(duì)參與全部，c等生在團(tuán)隊(duì)中完成部分，D等生以個(gè)人形式部分完成。

4.自適應(yīng)檢查

工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的課程達(dá)標(biāo)前后均要持續(xù)性改進(jìn)。教師設(shè)計(jì)創(chuàng)客學(xué)習(xí)環(huán)境需預(yù)先掌握多種開(kāi)源硬件。助教除協(xié)助了管理資源外，還需跟蹤學(xué)習(xí)。學(xué)生不斷實(shí)踐自主學(xué)習(xí)以養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)習(xí)慣。

自適應(yīng)學(xué)習(xí)的一些經(jīng)驗(yàn)：①教學(xué)內(nèi)容“工程化”以真實(shí)產(chǎn)品為案例。教師向企業(yè)求實(shí)訓(xùn)載體且反復(fù)調(diào)研與論證。②評(píng)估不是批判，而是研討。教師團(tuán)隊(duì)與社會(huì)化評(píng)估長(zhǎng)期合作，探討專(zhuān)業(yè)認(rèn)證下的培養(yǎng)方案和學(xué)習(xí)活動(dòng)的課程提綱。③項(xiàng)目式、體驗(yàn)式、創(chuàng)新教育理念為基礎(chǔ)的創(chuàng)客教育更加關(guān)注學(xué)生自主學(xué)習(xí)。學(xué)生想學(xué)但缺少學(xué)習(xí)策略，教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主趣味實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)。④學(xué)生樂(lè)于通過(guò)觀察行為后果來(lái)反復(fù)調(diào)節(jié)，積極參與學(xué)習(xí)活動(dòng)。策略上，產(chǎn)出為導(dǎo)向的期望能使學(xué)生潛移默化；具體行為上，學(xué)生可以比照行為檢查表，持續(xù)強(qiáng)化已教行為。

4.1案例：綜合實(shí)踐1的行為檢查表

行為檢查表的優(yōu)點(diǎn)在于讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)代入感，只要自己完整重現(xiàn)，就能體驗(yàn)到優(yōu)秀學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)的成就感。先同時(shí)從數(shù)名優(yōu)秀學(xué)生工作中預(yù)分解出大概行為，甄別結(jié)果具體化的可信行為，去除個(gè)體特有的，習(xí)慣后持續(xù)進(jìn)行更詳細(xì)的分解以完善。

綜合實(shí)踐1的主題旨在讓學(xué)生能從AVR的簡(jiǎn)單c應(yīng)用程序人手，在最小SOPC模型上改進(jìn)CPU核實(shí)現(xiàn)延時(shí)、跳轉(zhuǎn)和IO模塊相關(guān)指令，在FPGA開(kāi)發(fā)板上獲取c應(yīng)用功能，見(jiàn)表2。

4.2案例：綜合實(shí)踐2的課程提綱

課堂活動(dòng)依據(jù)劇本式提綱，教師與助教引導(dǎo)學(xué)生全浸入場(chǎng)景，賦予任務(wù)，鼓勵(lì)按順序行動(dòng)，預(yù)估結(jié)果并解決問(wèn)題。綜合實(shí)踐2目標(biāo)是以Arduino智能小車(chē)為原型深入微處理器、外設(shè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和安全加工，課程提綱見(jiàn)表3。

5.結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)客類(lèi)實(shí)訓(xùn)能以低成本激發(fā)不同專(zhuān)業(yè)背景人群的興趣，使其樂(lè)在“做中學(xué)、學(xué)中做”。高校工程教育質(zhì)量提升只能走“工程教育專(zhuān)業(yè)論證”這條路，教育部也通知制訂創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)分管理辦法。

以自適應(yīng)結(jié)構(gòu)化模型規(guī)劃“微處理器設(shè)計(jì)”，實(shí)施結(jié)果表明加快了教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)4周2個(gè)創(chuàng)新學(xué)分的創(chuàng)客課程進(jìn)程，自適應(yīng)檢查環(huán)節(jié)有利于教學(xué)共同體合力短期完成迭代改進(jìn)。實(shí)訓(xùn)中FPGA與Arduino快速原型開(kāi)發(fā)板的引入，使得自行設(shè)計(jì)的微處理器在滿(mǎn)足應(yīng)用c編程FPGA之余，低障礙過(guò)渡至Arduino豐富的開(kāi)源外設(shè)開(kāi)發(fā)。學(xué)生團(tuán)隊(duì)以行為檢查表為鑒隨時(shí)獲取反饋，能積極引導(dǎo)自主執(zhí)行，體驗(yàn)全程沉浸式學(xué)習(xí)；課程提綱研討與應(yīng)用確保團(tuán)隊(duì)教學(xué)水平不斷提高，并可作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)綜合項(xiàng)目或系統(tǒng)設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的補(bǔ)充。

創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)積極站在創(chuàng)客教育風(fēng)口，以工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證為契機(jī)，轉(zhuǎn)變角色，切實(shí)擴(kuò)大創(chuàng)新服務(wù)，系統(tǒng)規(guī)劃，逐步投入，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新資源保護(hù)共享，完善創(chuàng)客教育學(xué)分培訓(xùn)。