“創客教育”改革的創新性設計

[摘 要] 近年來，學校一直致力于創新創業教育，成立了創新創業學院，大力推進創客教育的課程教學改革。本文基于創客教育理念，設計并實施了機電類專業機器人興趣類課程的教學設計，給出了課程介紹以及課程目標，內容設計以及考核方式。通過探索改革創客教育的課程教學研究設計，為高校的創新創業教育課程改革提供可參考的模式。結合學生取得的學習成果，驗證了本次課程實踐具有較好的教學效果。

[關鍵詞] 教學設計；創客；智能機器人

“創客教育”這一詞最早是由北京景山學校的吳俊杰老師于2013年提出的，吳俊杰老師早期在學校開展機器人、開源硬件Arduino等創客類的課程，并把這一種面向大眾普及的培養下一代消費者的課程稱為創客教育。課程設計作為教育活動開展的重要前提，對教學實踐具有重要的指導意義。因此，本文基于“智能機器人創新設計與編程”課程，探索創客教育的課程教學研究設計，為本校的創新創業教育課程改革提供可參考的模式和案例。

1.課程介紹

《智能機器人創新設計與編程》課程是專為工業機器人、機電一體化及自動化專業學生開設的基礎實踐課程。機器人是一門涉及運動學和動力學、系統結構、傳感技術、控制技術等多領域的交叉學科，其教育實施正是以工程標準化的思想進行綜合實踐的過程，具有較強的教育價值。Arduino是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple I/O接口板，并且具有IDE集成開發環境。通過Arduino平臺可以讓學生了解和掌握機器人的基本知識和技能，包括機器人機械部分、傳感部分和控制部分的設計與搭建以及在這個過程中需要運用的各種知識，可以培養學生良好的信息素養、創新創業精神和實踐能力。

2.課程目標

《智能機器人創新設計與編程》課程的總目標是提高學生的創新能力、綜合設計能力和動手實踐能力，進而培養和提升學生的STEM素養，強調學生在直接經驗和親身經歷的基礎上，通過觀察、思考、設計、制作、試驗等活動獲得豐富的學習體驗，在生活中發現問題，在實踐中解決問題，在活動中獲得知識[1]。

根據三維目標的劃分，將課程目標細分如下：

（1）知識與技能

初步了解機器人的基本結構，了解機器人在社會生活中的應用；完成簡單的機器人設計、硬件裝配、程序編寫、功能調試等任務；通過在掌握有關機器人的知識和技能的基礎上，積極創意解決更多實際問題，在過程中培養創新精神，提高實踐能力。

（2）過程與方法

在教師指導下，通過模仿及積極的創意，能夠完成簡單的機器硬件裝配、程序編寫、簡單調試等任務，使機器人能夠解決簡單的問題。掌握3D打印技術，能應用3D打印機器人的常用構件，并用于組裝智能機器人。

（3）情感態度與價值觀

感受機器人技術的重要性以及Arduino平臺的便捷性，培養對Arduino機器人課程學習的興趣以及動手解決實際生活問題的興趣，提高問題意識以及STEM素養，促進全面而有個性的發展。

3.學習內容設計

配套教學器材如下：高透明塑料整理箱（小號），Arduino UNO主板（自帶驅動模塊和擴展版），USB線，3p線（若干），小號兩用螺絲刀；LED（三個），小風扇，鋰電池，TowerPro SG90舵機，智能小車底盤，小電機（帶動風扇轉動），電源插頭；數字大按鈕模塊，數字鋼球傾角傳感器，模擬環境光線傳感器，線性溫度傳感器，Mini尋線傳感器（兩個），超聲波傳感器，模擬聲音傳感器，IR kit紅外遙控套件，數字防跌落傳感器（兩個），碰撞傳感器（左右各一）等[2]。軟件環境：需要安裝Arduino IDE軟件，高職學生需掌握Arduino編程，視學生的學習能力，可以采用圖形化編程插件——Ardublock進行輔助編程，也可以直接使用IDE環境編寫代碼。創客課程教學內容教學設計包括“基礎知識教學、實踐訓練、自主創新”三個方面。

（1）基礎知識教學

本環節主要以各種趣味性的項目為主，通過智能LED的項目開發，包括點亮LED、按鈕控制的LED、創意LED三個專題。學生能夠通過相應的實驗對系統中通用的控制技術、機械原理、傳感器技術甚至軟件編程能有一個基本的了解。

（2）實踐訓練

本環節通過教師預設的題目，以避障小車為車體，小車具有自動駕駛功能和手動駕駛功能。硬件是以Arduino單片機為主控芯片，配合直流電動機、光電傳感器等器件構成，并通過相應的軟件代碼實現控制小車的前進、轉彎、避障、自動轉向等動作。學生在實踐中鞏固所學知識，并培養學生利用互聯網查找資料、自主學習的能力。

（3）自主創新

通過前兩個階段的學習，學生可以在教師引導下參與工作室項目，針對智能家居等內容為創新主題，以團隊形式，提出創新設計課題，根據已掌握的軟硬件知識，完成系統設計方案，為參加“挑戰杯”等各級各類創新創業活動、創新創業競賽提供條件[3]。

4.考核方法

根據課程的性質特征，評價應重參與、重過程，強調評價主體的多元化，教學內容的綜合性和全面性，評價標準的合理性，以及評價方法、手段的多樣性。為此，要遵循以下原則：

（1）參與性原則

注重學生在課堂的積極參與性以及與其他同學的合作，適時提供相應的參與性評價表記錄學生的參與活動。

（2）綜合性原則

評價的內容不能片面，要綜合考慮到學生的各科知識基礎，學生對Arduino創意機器人基礎知識的學習以及學生在綜合運用各個知識解決實際問題的能力。

（3）激勵性原則

教師需要通過激勵性的評價，為學生的好奇心保鮮，同時鼓勵他們發揮自己的長處，大膽嘗試，創作出滿意的作品，提高創新能力以及實踐能力。

5.建議

在教學設計方面，教師可能要考慮到以下幾點內容：

（1）教學內容力求充實

在做教學設計的時候要充分考慮到學生的原有知識水平。教學內容的設計也是在考慮到學生原有水平的基礎上進行的，這樣的內容才能激發學生興趣。

（2）教學思路力求清晰

教學內容是有先后次序的，上下位知識的學習如果打斷得比較離譜，學生的學習效果必然是不好的。即使要打破教學陳規，教師的心中也要有一條教學的主線。

（3）教學策略及教學方法應力求激發學生興趣

怎樣的教學策略能夠激發學生學習興趣，怎樣的教學策略能夠維護課堂秩序使得教學順利進行，這些都是需要教師在教學設計時就做詳細考慮。

（4）對教學實施過程中的突發情況進行預測

根據課堂的教學實際把一些突發事件轉化為比較流暢、生動的教學環節，也是一門偉大的教學藝術。

（5）總結教學工作中的經驗與教訓

教師在日常教學工作中，注意積累與教學相關的資源，養成記錄教學日記的良好習慣，同時利用網絡多與同行進行交流。Arduino創意機器人在國內的教學還比較少，但還是有很多同樣熱衷于Arduino創意機器人教學研究的同行存在的，并且，隨著機器人教育的普及，相信會有更多的教師去研究，挖掘Arduino創意機器人教學的價值。

參考文獻：

[1]馬云霞，秦健.基于創客教育的創客課程教學設計研究[J].中國教育信息化，2016.12：12-15.

[2]朱軼，曹清華.基于Android、樹莓派、Arduino、機器人的創客技能教育探索與實踐[J].實驗技術與管理，2016.06：172-176.

[3]賈艷紅.開源硬件在兒童創客教育產品中的應用研究[J].設計，2017.11：112-113.

[作者簡介]

莫慧芳，廣州科技貿易職業學院副教授，研究方向為自動化教學與職業教育改革。

[基金項目]

本文是廣州教育政策研究課題+“學做創”為導向的創客教育課程教學模式研究的研究成果，項目編號：DZCYJ1905。

[作者單位]

廣州科技貿易職業學院。