高校工程訓練中的創客教育啟示與實踐

羅 瑋, 蔡立軍, 邵 霞, 萬 敏

(湖南大學 a.現代工程訓練中心；b.電氣信息與工程學院，長沙 410082)

0 引 言

“創客”源自英文單詞“Maker”，是“創造者”的意思，可以理解為敢于創新并努力將自己的創意變為現實的人。當前，國內外創客運動風起云涌，創客教育應運而生。創客教育是創客文化與教育的結合，它是鼓勵分享，倡導動手實踐，從而培養學生跨學科解決問題的能力，團隊合作能力和創新能力的新興素質教育，其理念與現階段我國大學生工程訓練所強調的創新創造實踐能力的培養方式和目標不謀而合。可以預見到，創客教育將有效地促進我國高校人才培養模式從標準化向個性化，從單一向多元化的升級轉型，從而重構整個教育生態，實現真正意義上的創新教育。因此，創客教育的興起為新時期高校工程訓練實踐教學質量的提升將提供可行的路徑。

1 創客教育的內涵、特征

創客教育可以從兩個角度來理解：①培養創客型人才的“創客教育”，②用創客的理念和方法來改革教育的“創客式教育”[1]。無論從哪個角度看，創客教育都不是一種具體的方法和手段，而是隨著創客運動興起出現的一種新型教育模式。創客教育融合了當前的信息技術，秉承“開放、創新、探究、體驗”的教育理念，以“創造中學”為主要學習方式，以項目為基礎開展創新創造活動，引導和增強人們對科學技術的興趣和信心，讓想法變為現實。創客教育強調個人使用技術創造事物的能力，其本質是在教與學的過程中去鼓勵創造有價值的產物，從而實現夢想甚至改變世界[2]。人造物是具體的，但在其生產過程中使用的技術，方法和原則，是以知識的形態存在的。因此，創客教育的目的是去激發人們主動運用知識來造物，這些知識并非只是抽象地存在于頭腦中，而是能夠外化并被人們所認識、把握和分享[3]。在對創客教育內涵的諸多理解的基礎上，可將其特征歸納成以下兩個方面。

1.1 實現大眾創造的重要途徑

創客教育實際上是創客運動和文化在學校的延續和傳播，它不僅滿足了普通大眾日益增長的創新創業需求，也引領并推進了社會創新，具有顯著的互聯網和信息技術高速發展的時代特征。新技術的興起正全方位地影響著社會各個領域的發展和變革，新技術的成熟與應用也使得創造和發明不再是專業研究人員的專利。創客們可以是工匠，工程師，學者，也可以是設計師，藝術家和企業家，一些創客擁有專業知識，但大多數是創造產品的個人業余愛好者和非專業人士[4]。他們通常在家里、車庫工作，或在成立的創客空間使用專業級工具，如3D打印和激光切割機等，通過分享知識進行創新學習，正逐漸成為一個蓬勃發展、日益壯大的群體[5]。同時，新世紀以來互聯網與跨境電子商務的飛速發展，充分地釋放了大眾市場原本多元化但受傳統單一供銷渠道約束而無法得到充分滿足的需求。通過阿里巴巴這類電商平臺，世界各地的工廠向擁有數字設計和信用卡的社會大眾敞開大門，提供基于互聯網的按需定制服務。通過淘寶、亞馬遜這類平臺，讓符合細分消費市場需求的各種小眾化產品擺上虛擬的貨架，于是任何人都可以將自己的創新產品進行出售，從而打破了原有精英主導的創新創造活動，使大眾創造變為現實[6]。

1.2 STEAM教育理念的實踐落腳點

創客教育是一種以真實項目實踐為基礎的教育新模式，它注重創意和科技的融合，強調跨學科跨專業的人之間的交流和合作，以技術為中心，整合各個科目知識的學習；不僅涉及科學與技術，還可涉及人文和藝術，因而創客教育也是實施STEM/STEAM 教育的一種重要方式[7]。與傳統分科課程不同，STEAM科學、技術、工程、藝術和數學融合課程理念主張將不同領域的知識、技能整合成為一個整體的學習體驗過程，強調學生在“雜亂無章”的學習情境中提升設計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創新能力，這與創客教育的理念是一致的[8]。越來越多的國家開始認同創客運動并認為它將改變人們在STEM(科學，技術，工程和數學)和藝術學科中學習的方式和內容。創客的思維方式不僅能讓人們在STEM或創意領域找到工作，而且能夠成就自己獨創的行業，這取決于人們的興趣以及在快速變化的社會中所發現的新興需求[9]。因此，創客教育被認為是STEAM教育的優化和拓展，而起步較早的STEAM教育理念和教學方法也能作為創客教育可供參考借鑒的實踐模式。

2 大學生工程訓練與創客活動之比較

(1) 多專業協同、跨學科融合。高等工程教育越來越重視大學生工程實踐能力和創新能力的培養。不斷發展中的工程訓練中心作為高校開展工程實踐訓練的公共平臺，其工程訓練的對象已拓展到各工科及理、農、醫,甚至文科等學科的學生，所涉及的專業眾多，且年級層次不同。大學生的工程訓練是將基礎技術理論、基本工藝知識和基本工藝實踐結合起來，同時注重學生創新創造能力的提高。而創客活動可以是任何學生、教師、社會人士參與進來的實踐活動，創客們因興趣而自發地聚集在一起，將傳統工藝與高科技工藝融為一體制造出任何想要的東西或產品，；他們樂于分享、善于合作，圍繞創客項目的共同目標，通過網絡空間、創客社區互相學習，進行創意的融匯和智慧的交流，這本身也是一種資源整合[10]。由此可見，大學生的工程訓練與創客活動在多學科交叉、開放性、交互性、創造性、工程實踐性等方面都是互通融合的。

(2) 以實踐項目為載體的目標共同體。創客活動具有學習共同體的特點，由學習者及助學者(包括教師、專家、輔導者)共同構成的團體，在學習過程中進行互動交流，分享各種學習資源，共同完成一定的學習任務，在成員之間形成了相互影響、相互促進的人際關系[11]。在同一環境下，學習不僅僅是個體的也是群體性的行為，個體成員要產生集體的認同，融入團隊并建立共同的目標。這都需要創客在學習的過程中以實際行動親身參與。而現階段“大工程觀”理念下的工程訓練已從傳統的金工實習模式轉型，以往單一的工藝技能實踐已不能滿足特別是研究型大學工程訓練對于人才培養的要求。各大高校工程訓練中心形成了以工程創新項目為主要類型的訓練模式。以項目為載體，由不同學科的學生、教師共同參與，形成跨學科研究與實踐模式，學生們在訓練中互相學習、互相啟示、互相激勵，在共同的實踐中了解工程的完整性、系統性。這與創客活動中創客們基于團隊協作且個人深度參與的自主學習具有一脈相承的共性。

3 創客教育對工程訓練的啟示

我國高校工程訓練的綜合性和系統性對于工程教育的重要意義已經得到普遍共識，近年來工程訓練中心在教學場地、教學條件和師資力量等軟硬件環境上獲得了迅速發展和提升，但是思維理念仍然受到傳統實習教學模式的影響，實訓內容缺乏創新，且普遍存在與工程實際脫節的現狀。而創客教育理念或許是一場及時雨，能對轉型發展中的工程訓練破解創新困境起到重要的啟示作用。

(1) 教學內容。創客教育的核心理念是基于興趣的學習、創新和創造，并在創造中學習。基于自身興趣和想法去主動創造與學習的過程被視為創客教育的最大優勢。因此，創新創造是創客教育的邏輯起點和最終目標[12]。創客教育鼓勵人們去創建他們受到啟發的任何類型的項目，通過開放式探索，將內在的興趣和創造性思想結合在一起，通過創客實踐活動得以變為實物甚至是產品。當前大學生工程訓練的內容正迫切需要從傳統工藝技能實踐面向創新創業綜合能力的培養拓展和轉型，以學生的專業興趣為導向，開發立項綜合創新項目，引導學生開展基于真實工程項目的實踐活動，培養和提升學生的設計創意能力、團隊合作能力以及實踐創新能力，樹立多學科交叉融合的學習理念。

(2) 教學策略。固定的時間、固定的課程內容、指定的實踐教學場地，這是目前大部分工程訓練形式的常態。只有打破這種金工實習時期的傳統方式和觀念的束縛，將教學相長的創客教育策略融入到實訓課程中，才能改變學生的思維和學習方式，影響教師的教學目的和教學方法。在工程訓練實踐教學中，加強教師與學生之間的互動性、平等性，凸顯學生的主體地位。教師應改變過去一講到底的角色定位，運用創客思維變身為課堂教學的設計者、組織者、引導者和學習者，為學生創造條件并激勵他們勇于將有價值的想法變為現實。首先，教師應研究了解學生參加工程訓練實踐活動的內在動機，內在動機包括興趣、好奇心和挑戰性等；然后在此基礎上致力于有趣、有目的并且有價值的項目設計，鼓勵和引導學生們主動參與到項目的創造活動中去；在這一過程中，教師幫助學生們互相學習、互相支持、互相合作，通過知識共享和點到點學習及時解決出現的問題，與此同時不斷地為大家樹立信心去促成項目團隊協作創新并最終取得成果。因此，基于創客教育的教學策略可以改變以往傳統實習的教學環節和順序，突出自主學習的主導地位，使得實踐教學更具有主動性和有效性[13]。

(3) 實踐平臺。創客教育實踐活動離不開相關軟件平臺和硬件平臺，離不開3D打印機、數控加工機床、激光切割機以及開源硬件等高效的數字化設備以及大量的儀器、工具和材料，離不開和互聯網環境下的實時交流。在國家大力引導和推動下，很多高校工程訓練中心的教學條件得到了極大的改善，工程訓練平臺已具備完備的加工制造硬件設施，包括機、電、控制、材料、計算機等多學科的實訓設備，為學生提供的創新創造場地等這些教學資源優勢都是社會創客空間無法比擬的。如果能將這些資源按照創客教育理念進行優化共享，整合配置完備的“自制造”工具，營造完善的現代化“自制造”環境，工程訓練平臺將成為集學習、交流、創造、創新、實踐為一體的綜合性開放共享空間[14]。

4 創客教育在工程訓練實踐課程中應用

著名的教育學家Martinez和Stager認為一個好的創客課題需要具備八大要素[15]：課題與學生的生活實際相關；課題需要利用多個學科的知識來合作完成；課題新穎，能激發學生的創新精神；課題強度高，能吸引學生長時間地高度自覺投入；教師要充分利用課內外時間，讓學生完成課題；樂于分享，創造各種各樣的分享方式和機會。筆者以所在高校工程訓練中心開展的項目制課程作為載體，融入創客課題的要素及特征，引進教師團隊中正在開展的科研課題，將課題項目進行分項規劃并開發成“創客式工程創新項目”，引導學生開展基于真實工程環境的創新創造活動。首先，由不同學科專業背景的教師集結組成創客教育教師團隊，同時整合相關專業實驗室設備作為創客實踐平臺。在此基礎上發布項目內容由學生團隊自由選擇，經考察立項后按創客教育實踐課程路徑分階段實施，如圖1所示。

(1) 項目課題的開發設計。創客教育教師團隊作為創客課題的設計者和開發者需要將多學科的綜合知識與技能嵌入各種技術工具中，引導大學生進行項目探究和成果表達；讓大學生參與到真實的工程設計中，使其通過動手制造，建立自信，培養創新創造能力。以筆者近期開展的創客教育課程項目“靜電紡絲設備研制”為例，項目也同屬于指導教師團隊中的在研課題。

圖1 創客教育實踐課程路徑圖

該設備擬為化工、材料類科研人員開發一套專業的靜電紡絲裝置，解決目前用于科研的靜電紡絲裝置存在的自動化程度低，操作不便，設備不專業等不足。靜電紡絲裝置結合科研人員需求而開發，采用所有執行機構自動化控制、所有操作控制集中化；分為作業倉模塊、電控倉模塊、上位機模塊，總體要求結構設計緊湊、功能合理。作業倉模塊內包括滾筒收集裝置、靜電紡絲液噴頭固定模塊(含橫向、縱向移動模塊)、微量醫用泵、照明裝置、加熱裝置、排風裝置等。電控倉模塊包括：靜電紡絲液噴射工作電源、主控制器、各電氣元器件等。作業倉模塊與電控倉模塊采用框架式箱體集成為一個整體，外形美觀大方，便于移動、擺放。上位機模塊包括專業上位機軟件、通用個人電腦、各類通信轉接頭，實現操作人員操作過程的各種參數調節、記錄。以上三大功能模塊的實現需要化工、機械、電氣類專業的工藝配合、功能設計到實施，即化工類專業作為產品的使用方提出詳細的工藝需求；機械類專業負責裝置的整體構造設計和制作；電氣類專業按產品的技術指標實現裝置的所有配電、通信及自控功能。

(2) 項目課題的跨學科團隊構建。靜電紡絲設備的研制屬于面向解決業界問題的設計，需要利用多個學科的知識來合作完成，是較為復雜的系統工程，單憑本科學生的專業交叉合作是很難介入和深入的。因此，學科的交叉融合及協同創新必須是自上而下的，即師資構成跨學科、跨領域，由3個專業的創客教師圍繞所屬的功能模塊進行架構設計、任務分解，引導各自的學生團隊按創客實踐課程路徑進行分階段實施；學生以3人小組為單位，各專業均有3～4組人員組成項目團隊。在實施的過程中，無論是教師與教師，教師與學生，還是學生與學生之間，他們各自學科領域的創造思維將進行必要的交流與融合，技術措施以及設備儀器的應用進行有效的互聯互通，如圖2所示。

(3) 項目課題的實施與預期成效。關于靜電紡絲設備研制的課題開展初期，由機械、電氣、化工專業的創客教師及學生組成研發團隊。項目組中的學生成員為大三學生，他們沒有參與實際項目的經驗，第一次接觸到真實項目的研發感到新鮮好奇，但面對分配下來的項目任務時又覺得艱澀難懂、無從下手。通過數次項目討論會的交流以及專業指導老師的引導，大家漸漸理清了思路，按照創客實踐路徑從方案設計開始先確定基本的實施方法、手段，在實施的過程中不斷完善修正前期的方案，直到完成最后的原型設計。在項目實施過程中，學生們獨立進行各項決策，并獨立使用各種工具，大團隊定期開討論會進行溝通交流，遇到困難時，通過互聯網的幫助、相關領域的專家指導以及老師的支持。目前，該裝置已完成初裝階段的任務，所需功能基本實現，進入下一步的調試優化，預計將獲得三到四項專利及論文成果。

圖2 基于真實項目的多學科交叉創客實踐

圍繞著創客教育思維開展的此項目案例中，以學生為中心鼓勵他們的創新創造意識和團隊精神，教師不再機械地教授知識而是成為教學課題的設計者甚至學習者，與學生成為了以項目為載體的目標共同體[16]。這樣的角色變化讓大學生對工程訓練有了全新的體驗和收獲,課題組各專業的同學們從項目一開始的茫然不知頭緒到迎難而上解決問題，繼而在取得初步成果后的成就感都讓他們獲益匪淺。其中，部分思維活躍、求知欲強且具有創新能力的學生更是脫穎而出，成為了課題團隊里的核心和引領者，并以點帶面，激發了整個團隊對項目工程實踐的熱情和興趣。

5 結 語

通過以上項目實踐案例，深刻體會到創客教育與大學生工程訓練之間天然的共生關系。引入教學相長的創客教育理念，圍繞學生、教師、實訓平臺三位一體的實踐教學模式進行創客式思維的改變，這將為高校工程訓練水平的提高以及培養創新創業型人才目標的實現提供可見可行的“操作系統”。因此，作為高校重要實踐教學基地的工程訓練中心應始終保持與時俱進的步伐，順應發展趨勢，將創客教育結合于高校的工程訓練課程，將“創造、快樂、協作與分享”的創客教育教學理念貫穿在整個工程實踐教學過程中[17]。在“創客式工程訓練項目”中引導大學生開展基于創造的學習，培養和提升大學生的設計創意能力、團隊合作能力以及實踐創新能力，并在這一過程中重塑教師角色，打造專業的創客教育師資隊伍，打破傳統的教學模式，樹立多學科交叉融合的學習理念，讓創客教育真正落地扎根于工程訓練的土壤中。