面向高等職業(yè)教育的創(chuàng)客教育模式設(shè)計(jì)

朱軼 劉會(huì)霞 申屠浩

摘要：近年來(lái)，創(chuàng)客教育已成為國(guó)內(nèi)教育界備受關(guān)注的探索方向，但如何理解和開(kāi)展創(chuàng)客教育，還困擾著部分職業(yè)院校教師。針對(duì)這一問(wèn)題，本文通過(guò)分析創(chuàng)客教育的支撐性理論，歸納創(chuàng)客教育的特征，建立了基于Android/樹(shù)莓派/Arduino/機(jī)器人的創(chuàng)客教育模式，并詳述了此模式下創(chuàng)客空間建設(shè)、創(chuàng)客基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)、拓展訓(xùn)練三個(gè)環(huán)節(jié)，希望能為創(chuàng)客教育的推進(jìn)提供有益參考。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育模式;創(chuàng)客空間建設(shè);創(chuàng)客基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué);創(chuàng)客拓展訓(xùn)練

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2019）24-0106-04

● 創(chuàng)客教育剖析

“創(chuàng)客”一詞源自英語(yǔ)“Maker”，通常指從個(gè)人興趣出發(fā)，不以盈利為目標(biāo)，借助現(xiàn)代信息技術(shù)以及開(kāi)源軟硬件技術(shù)，努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并樂(lè)于分享自我創(chuàng)意與作品的群體。“創(chuàng)新、創(chuàng)造、分享、協(xié)作”是創(chuàng)客的四個(gè)基本特征，由于創(chuàng)客代表了一種自主創(chuàng)新的原創(chuàng)精神，是潛在的創(chuàng)業(yè)者，是推動(dòng)未來(lái)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的后備力量，因此如何開(kāi)展有效可行的創(chuàng)客教育，成為當(dāng)前中國(guó)高等教育與職業(yè)教育領(lǐng)域備受關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

創(chuàng)客教育旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維、創(chuàng)造能力、分享精神、協(xié)作意識(shí)的創(chuàng)客人才。該培養(yǎng)目標(biāo)決定了創(chuàng)客教育需要提供創(chuàng)造、協(xié)作、分享、交流的環(huán)境，教授創(chuàng)新與創(chuàng)造的基礎(chǔ)知識(shí)，設(shè)計(jì)學(xué)生自我創(chuàng)新、協(xié)作創(chuàng)造的實(shí)踐過(guò)程。對(duì)應(yīng)這三個(gè)培養(yǎng)要求，筆者認(rèn)為完整的創(chuàng)客教育模式應(yīng)包括三個(gè)環(huán)節(jié)：創(chuàng)客空間建設(shè)、創(chuàng)客基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)、創(chuàng)客拓展訓(xùn)練。其中，創(chuàng)客空間建設(shè)是創(chuàng)客教育實(shí)施的前提，基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)是創(chuàng)客教育的基石[1-2]，拓展訓(xùn)練是創(chuàng)客能力培養(yǎng)的核心。上述三個(gè)環(huán)節(jié)，缺一不可，因此，筆者認(rèn)為創(chuàng)客教育可定義為：以各類(lèi)新興開(kāi)源軟硬件技術(shù)為教學(xué)內(nèi)容，以創(chuàng)客空間為實(shí)踐載體，以自主項(xiàng)目設(shè)計(jì)為訓(xùn)練方式，以實(shí)物創(chuàng)造為目標(biāo)，倡導(dǎo)跨學(xué)科協(xié)作與團(tuán)隊(duì)協(xié)作，鼓勵(lì)分享，培養(yǎng)創(chuàng)新能力、創(chuàng)造能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的一種素質(zhì)教育。創(chuàng)客教育與常規(guī)教育面對(duì)的都是學(xué)習(xí)者的知識(shí)提升與能力培養(yǎng)問(wèn)題，主要不同之處在于，創(chuàng)客教育更多采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)、做中學(xué)、社交協(xié)作學(xué)習(xí)等方式，提升學(xué)習(xí)者的知識(shí)與能力。

● 教育模式設(shè)計(jì)

如何實(shí)施創(chuàng)客教育，是當(dāng)前眾多高職院校教師所關(guān)注的問(wèn)題。鑒于絕大多數(shù)創(chuàng)客作品都由機(jī)械平臺(tái)、下位機(jī)（單片機(jī)）、上位機(jī)（PC或者ARM主機(jī)）、遠(yuǎn)程控制端（移動(dòng)手機(jī)或者平板）組成，因此高職院校的創(chuàng)客教育中推薦以機(jī)械設(shè)計(jì)、下位機(jī)開(kāi)發(fā)、上位機(jī)開(kāi)發(fā)、遠(yuǎn)程控制端開(kāi)發(fā)的知識(shí)教學(xué)以及實(shí)踐為主體內(nèi)容。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，筆者探索出一套基于Android/樹(shù)莓派（Raspberry Pi）/Arduino/機(jī)器人的創(chuàng)客教育模式：Android代表遠(yuǎn)程控制端的開(kāi)發(fā);樹(shù)莓派可運(yùn)行Linux或Win10操作系統(tǒng)，代表上位機(jī)開(kāi)發(fā);Arduino代表下位機(jī)開(kāi)發(fā);機(jī)器人代表各種類(lèi)型的機(jī)械載體，如機(jī)械車(chē)、機(jī)械手臂等，結(jié)合3D打印技術(shù)，可靈活構(gòu)建、制作作品所需的機(jī)械形體。由于創(chuàng)客教育的本質(zhì)是首先完成基本知識(shí)教學(xué)、基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)能力訓(xùn)練，之后提供讓學(xué)生自由發(fā)揮的環(huán)境與條件，讓他們?cè)趯?shí)踐創(chuàng)造中成長(zhǎng)，因此在掌握這四部分知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生團(tuán)隊(duì)可以自由發(fā)揮創(chuàng)意，并轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，逐步踏上創(chuàng)客之路。

1.創(chuàng)客空間建設(shè)

當(dāng)前創(chuàng)客空間建設(shè)的難點(diǎn)，主要集中在需要購(gòu)置哪些設(shè)備上。本模式主要通過(guò)購(gòu)置Arduino開(kāi)發(fā)套件、樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)套件、3D打印機(jī)、機(jī)器車(chē)以及機(jī)械手臂等機(jī)械平臺(tái)，構(gòu)建創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的空間環(huán)境。Android開(kāi)發(fā)硬件，可直接利用學(xué)生自有的Android手機(jī)，無(wú)需另外購(gòu)置。

右表為推薦設(shè)備清單，建議的創(chuàng)客空間建設(shè)方案包括Arduino控制與設(shè)計(jì)模塊、樹(shù)莓派嵌入式開(kāi)發(fā)模塊、機(jī)械載體與設(shè)計(jì)模塊三部分，按30組（每組2～5名學(xué)生較為合適）進(jìn)行設(shè)備配置，同時(shí)滿(mǎn)足教學(xué)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本需求。

2.創(chuàng)客基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)

創(chuàng)客空間建設(shè)后，應(yīng)思考兩個(gè)重要問(wèn)題：教什么？如何教？第一個(gè)問(wèn)題指向教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，第二個(gè)問(wèn)題指向如何獲得良好的教學(xué)效果。

（1）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本教育模式以Arduino、樹(shù)莓派、Android開(kāi)發(fā)作為教學(xué)內(nèi)容，分別講授下位機(jī)、上位機(jī)、遠(yuǎn)程控制端的開(kāi)發(fā)知識(shí)（如圖1）。

①Arduino教學(xué)目標(biāo)是下位機(jī)的開(kāi)發(fā)，訓(xùn)練學(xué)生掌握如何利用單片機(jī)感知環(huán)境參數(shù)（如溫濕度、光強(qiáng)、聲音強(qiáng)度等）、控制輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)、與上位機(jī)通信。對(duì)于單片機(jī)而言，讀取環(huán)境參數(shù)依靠讀取各類(lèi)數(shù)字或者模擬傳感器;輸出設(shè)備主要就是三類(lèi)：直流電機(jī)（用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器車(chē)的輪子、拖動(dòng)窗簾打開(kāi)/關(guān)閉等）、舵機(jī)（用于機(jī)器人/機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)控制）、繼電器（用于開(kāi)關(guān)類(lèi)設(shè)備）;上位機(jī)通信模式主要是有線串口通信、無(wú)線藍(lán)牙通信、無(wú)線Xbee通信。因此，Arduino的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)包括數(shù)字I/O口控制、模擬I/O口控制、直流電機(jī)控制、舵機(jī)控制、串口通信、藍(lán)牙通信、Xbee通信等。

表中Arduino模塊的設(shè)備購(gòu)置與這部分的教學(xué)內(nèi)容吻合，設(shè)備除了用于基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)，也可用于拓展訓(xùn)練中的創(chuàng)新作品設(shè)計(jì)。

②樹(shù)莓派的教學(xué)目標(biāo)是幫助學(xué)生掌握上位機(jī)的開(kāi)發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)出更為復(fù)雜的智能化處理邏輯。不同于單片機(jī)，上位機(jī)是基于某種操作系統(tǒng)運(yùn)行，可采用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)程序，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，支持音、視頻處理，所提供的服務(wù)能力與處理能力更為強(qiáng)大。由此可見(jiàn)，上位機(jī)教學(xué)應(yīng)至少包括操作系統(tǒng)的使用教學(xué)、高級(jí)語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)教學(xué)。樹(shù)莓派的操作系統(tǒng)是Linux，因此教學(xué)知識(shí)點(diǎn)涉及Linux使用、Linux下的應(yīng)用服務(wù)部署（如tomcat等，這是發(fā)布Web services的基礎(chǔ)）、Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)、基本I/O控制（如直接控制Arduino）、Linux下的網(wǎng)絡(luò)通信開(kāi)發(fā)（串口、Socket）、SimpleCV視頻處理（便于開(kāi)發(fā)集成攝像頭的創(chuàng)客作品）。表中的樹(shù)莓派模塊投入不大，但能完全滿(mǎn)足上述教學(xué)內(nèi)容的實(shí)踐訓(xùn)練，以及拓展訓(xùn)練中的作品開(kāi)發(fā)。

③Android的教學(xué)內(nèi)容幫助學(xué)生掌握開(kāi)發(fā)移動(dòng)客戶(hù)端程序以及與服務(wù)器（上位機(jī)）遠(yuǎn)程交互技術(shù)，由基本教學(xué)內(nèi)容與可選教學(xué)內(nèi)容組成。基本教學(xué)內(nèi)容為基于Eclipse與Java的Android傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)，可選教學(xué)內(nèi)容為PhoneGap/jQuery Mobile/HTML5的跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)（指的是開(kāi)發(fā)的移動(dòng)應(yīng)用可以直接部署在IOS/Android/WPhone等多種操作系統(tǒng)上）。基本教學(xué)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)包括Layout與UI設(shè)計(jì)、基本W(wǎng)idget使用、多頁(yè)面與傳值、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信方法;可選教學(xué)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)包括PhoneGap基礎(chǔ)、jQuery Mobile與HTML5、Javascript基礎(chǔ)、本地硬件控制、與服務(wù)器交互等。知識(shí)學(xué)習(xí)效果可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程控制表中機(jī)械載體與設(shè)計(jì)模塊所列的智能小車(chē)加以測(cè)試。

（2）教學(xué)方法設(shè)計(jì)

上述教學(xué)內(nèi)容涉及單片機(jī)、嵌入式、移動(dòng)終端開(kāi)發(fā)三個(gè)層次，知識(shí)點(diǎn)較多，且實(shí)踐性強(qiáng)，單純通過(guò)課堂教學(xué)，短期內(nèi)難以完成，建議教學(xué)方法采用“線上—線下（O2O）”混合式教學(xué)以及協(xié)作學(xué)習(xí)的模式（如上頁(yè)圖1）。

O2O混合式教學(xué)實(shí)施中，線上課程應(yīng)能提供完整的教學(xué)PPT、重要知識(shí)點(diǎn)的微課視頻、部分教學(xué)演示案例的視頻、網(wǎng)絡(luò)題庫(kù)、電子參考資料等，以便學(xué)生可以自學(xué)。線下課堂在創(chuàng)客空間中教學(xué)，首先由教師講解整體開(kāi)發(fā)過(guò)程與若干重要知識(shí)點(diǎn)、示例工程案例，然后學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成每部分學(xué)習(xí)內(nèi)容的開(kāi)發(fā)實(shí)踐，撰寫(xiě)代碼，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行結(jié)果測(cè)試。不同于常規(guī)課程的在線作業(yè)提交，實(shí)踐結(jié)果無(wú)法在線提交，所以線上自主學(xué)習(xí)、線下實(shí)踐與檢查是一個(gè)合理的措施，建議線上線下的學(xué)時(shí)分配比例為4∶6。2018年，筆者在“學(xué)堂在線”建設(shè)了“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)”課程[3]，并已面向江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)展了O2O混合教學(xué)實(shí)踐。實(shí)踐結(jié)果顯示，在常規(guī)教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)，O2O教學(xué)方法更有助于擴(kuò)大知識(shí)教學(xué)容量，給予學(xué)生更多實(shí)踐訓(xùn)練機(jī)會(huì)，是高校開(kāi)展“新工科”教學(xué)的一種理想教學(xué)手段。

協(xié)作學(xué)習(xí)是針對(duì)創(chuàng)客教學(xué)覆蓋知識(shí)過(guò)多而學(xué)習(xí)時(shí)間有限所提出的學(xué)習(xí)方案：當(dāng)學(xué)習(xí)者知識(shí)基礎(chǔ)較為薄弱時(shí)，可不要求完成全部知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，而是根據(jù)團(tuán)隊(duì)分工以及自身基礎(chǔ)，選擇部分內(nèi)容重點(diǎn)學(xué)習(xí)后，即開(kāi)始創(chuàng)客作品開(kāi)發(fā)。在作品制作過(guò)程中，每個(gè)成員承擔(dān)與所學(xué)知識(shí)對(duì)應(yīng)的工作，并相互學(xué)習(xí)，逐步擴(kuò)展自身的知識(shí)規(guī)模，最終協(xié)作完成全部知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

3.拓展訓(xùn)練

通過(guò)前一階段的學(xué)習(xí)以及開(kāi)發(fā)實(shí)踐，學(xué)生團(tuán)隊(duì)已經(jīng)具備了創(chuàng)客設(shè)計(jì)所需要的知識(shí)基礎(chǔ)，可以在教師引導(dǎo)下針對(duì)某一主題（如智能家居、智慧城市、智慧校園等）開(kāi)展創(chuàng)新思維訓(xùn)練。學(xué)生團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)際需求調(diào)研，自行提出符合某一主題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)課題，針對(duì)此課題，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)與教師多次交流，完善課題設(shè)計(jì)方案，最終完成自主創(chuàng)新課題的開(kāi)發(fā)工作。本環(huán)節(jié)教師無(wú)需過(guò)多參與，僅需答疑、評(píng)估學(xué)生設(shè)計(jì)方案，給出改進(jìn)建設(shè)，學(xué)生團(tuán)隊(duì)利用創(chuàng)客空間進(jìn)行設(shè)計(jì)、創(chuàng)造、交流。

下頁(yè)圖2為一項(xiàng)創(chuàng)意作品示例：智能門(mén)鈴，其設(shè)計(jì)思路由學(xué)生團(tuán)隊(duì)從生活中發(fā)掘。疲勞一天回家后，人們喜歡在沙發(fā)或者床上休息，如果此時(shí)來(lái)了訪客按門(mén)鈴，能否不去門(mén)邊，直接在手機(jī)上看到訪客視頻并且通過(guò)手機(jī)開(kāi)門(mén)？本項(xiàng)作品針對(duì)這一需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用樹(shù)莓派作為中控設(shè)備，通過(guò)USB連接門(mén)上安裝的攝像頭，捕獲視頻信息，利用串口連接下位機(jī)Arduino，讀取門(mén)鈴按鈕信息，驅(qū)動(dòng)門(mén)軸上的電機(jī)控制門(mén)的開(kāi)閉，通過(guò)WIFI與Android手機(jī)進(jìn)行通信。當(dāng)有訪客到來(lái)時(shí)，按下門(mén)鈴，Arduino檢測(cè)到門(mén)鈴按下事件，向樹(shù)莓派發(fā)通知指令;樹(shù)莓派收到指令后，捕獲攝像頭視頻信號(hào)并發(fā)送至手機(jī)APP，房屋主人用手機(jī)看到訪客，決定是否開(kāi)門(mén)。如果開(kāi)門(mén)，通過(guò)手機(jī)APP發(fā)送指令給樹(shù)莓派，通過(guò)Arduino控制門(mén)軸上電機(jī)，最終打開(kāi)房門(mén)。這一創(chuàng)意完全基于Android/樹(shù)莓派/Arduino的知識(shí)完成，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也體現(xiàn)了當(dāng)前創(chuàng)客作品的主流設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：機(jī)械平臺(tái)、下位機(jī)、上位機(jī)、遠(yuǎn)程控制終端。由此可見(jiàn)，掌握了這幾部分的開(kāi)發(fā)知識(shí)，即掌握了創(chuàng)客所需的基礎(chǔ)知識(shí)，具備了將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的能力。

對(duì)于創(chuàng)意良好的創(chuàng)客設(shè)計(jì)，可以引導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊(duì)在創(chuàng)客空間、互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行創(chuàng)意與作品設(shè)計(jì)分享，使學(xué)生獲得成就感，促進(jìn)其主動(dòng)深入學(xué)習(xí);同時(shí)也可以鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生參加各類(lèi)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽。

● 總結(jié)

創(chuàng)客代表了一種原始創(chuàng)新精神，但并沒(méi)有天生的創(chuàng)客，學(xué)習(xí)者并不是生而知之，創(chuàng)新總是建立在知識(shí)的基礎(chǔ)上。要想培養(yǎng)創(chuàng)客人才，創(chuàng)客教育不可或缺。從高等教育的角度來(lái)講，創(chuàng)客教育與我國(guó)一直倡導(dǎo)的創(chuàng)新教育一脈相承，只不過(guò)教學(xué)內(nèi)容覆蓋范圍更廣，實(shí)踐培養(yǎng)要求更明確，更符合時(shí)代特征。

就創(chuàng)客教育的實(shí)施而言，首先需要完成基本知識(shí)教學(xué)、基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)能力訓(xùn)練，之后再提供環(huán)境與條件讓學(xué)生自由發(fā)揮，讓他們?cè)趯?shí)踐創(chuàng)造中成長(zhǎng)。在創(chuàng)客教育的實(shí)施過(guò)程中，教育者高度參與的“基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)”環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，只有通過(guò)系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)與專(zhuān)業(yè)技能訓(xùn)練，學(xué)習(xí)者才能開(kāi)始自主創(chuàng)新;脫離專(zhuān)業(yè)知識(shí)的創(chuàng)意，未必正確，也無(wú)法轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。本文提出的“基于Android/樹(shù)莓派/Arduino/機(jī)器人的創(chuàng)客教育模式”，建設(shè)成本較低，教學(xué)內(nèi)容緊扣創(chuàng)客技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，易于操作，可復(fù)制性強(qiáng)，希望能為國(guó)內(nèi)從事創(chuàng)客教育的高等職業(yè)院校教育者提供有價(jià)值的教學(xué)參考。

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作者簡(jiǎn)介：朱軼（1977—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閯?chuàng)客教育研究。

基金項(xiàng)目：中國(guó)學(xué)位與研究生教育學(xué)會(huì)課題（B-2017Y0604-106）;江蘇省教育信息技術(shù)研究課題（20172224）;教育部高等學(xué)校工程訓(xùn)練教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教育科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（JJ-GX-JY201707）;江蘇大學(xué)2017年教改重點(diǎn)課題（2017JGZD015）。