基于創(chuàng)客文化的實驗室開放平臺建設研究與探索

胡福文, 徐宏海, 張超英, 畢 松, 丁維龍

(1. 北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院, 北京 100144；2. 北方工業(yè)大學 電氣與控制工程學院,北京 100144； 3. 北方工業(yè)大學 計算機學院, 北京 100144)

基于創(chuàng)客文化的實驗室開放平臺建設研究與探索

胡福文1, 徐宏海1, 張超英1, 畢 松2, 丁維龍3

(1. 北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院, 北京 100144；2. 北方工業(yè)大學 電氣與控制工程學院,北京 100144； 3. 北方工業(yè)大學 計算機學院, 北京 100144)

創(chuàng)客是新工業(yè)革命的弄潮兒,是未來個性化制造模式的推動者。創(chuàng)新型人才培養(yǎng)實踐教學活動和創(chuàng)客活動本質(zhì)上是一致的,基于這一點首先闡明了人才培養(yǎng)創(chuàng)客化的基本內(nèi)涵。進一步基于創(chuàng)客文化,結合實驗室創(chuàng)客平臺建設的實踐歷程,闡述了在自制造環(huán)境建設、開發(fā)硬件平臺建設、團隊建設和實驗室文化建設等方面開展的有益探索。最后客觀分析了實驗室創(chuàng)客平臺發(fā)展建設過程中存在的實際問題,提出了實現(xiàn)實驗室創(chuàng)客平臺可持續(xù)發(fā)展的應對策略。

創(chuàng)客文化； 自制造； 實驗室開放

基于互聯(lián)網(wǎng)的資源分享平臺、極客(Geek)社區(qū)、創(chuàng)客(Maker)社區(qū)以及微信、微博等自媒體傳播交流平臺,對于激發(fā)大學生創(chuàng)新熱情、開闊創(chuàng)新眼界、提升創(chuàng)造能力、促進技術交流和資源共享所起的作用越來越大。此外,Arduino、BeagleBone、Raspberry Pi等開源硬件平臺極大地降低了產(chǎn)品開發(fā)的門檻和成本,3D打印技術、數(shù)字制造技術的普及極大地降低了產(chǎn)品制造的門檻和成本,從而使創(chuàng)客運動在全球范圍內(nèi)蓬勃興起[1-2]?；谏鲜霰尘?將創(chuàng)客文化和實驗室開放有機結合,探索高等學校實驗室開放平臺建設的新理念和新途徑,促進人才培養(yǎng)創(chuàng)客化,對于全方位提高大學生和研究生的創(chuàng)新、創(chuàng)造和創(chuàng)業(yè)能力具有重要意義。

1 人才培養(yǎng)創(chuàng)客化的基本內(nèi)涵

2012年,美國著名網(wǎng)絡雜志《連線》主編克里斯·安德森(Chris Anderson)的著作《創(chuàng)客:新工業(yè)革命》[3]出版后,讓“創(chuàng)客”一詞風靡網(wǎng)絡,讓創(chuàng)客群體受到了前所未有的廣泛關注。盡管“創(chuàng)客”一詞至今沒有統(tǒng)一的準確定義,但是其基本內(nèi)涵卻被廣泛認同,即利用開源的硬件平臺和軟件平臺,進行創(chuàng)意和創(chuàng)新,然后利用3D打印技術、數(shù)字制造技術或傳統(tǒng)制造技術,制作出原型樣機,并進一步利用互聯(lián)網(wǎng)(例如眾籌平臺)將原型樣機轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。簡單地說,創(chuàng)客就是新技術條件下從事創(chuàng)新、創(chuàng)造和創(chuàng)業(yè)的一類“新人”。毫無疑問,創(chuàng)客是互聯(lián)網(wǎng)向制造業(yè)深化、數(shù)字化直接制造技術發(fā)展、開源軟硬件平臺興起等綜合作用的產(chǎn)物,是傳統(tǒng) “DIYer”的升級版,是新工業(yè)革命的弄潮兒,是未來個性化制造模式和“自時代”的推動者[4-5]。

創(chuàng)客文化的基本內(nèi)涵是創(chuàng)新,同時特別強調(diào)“做中學(learning through doing)”,注重實現(xiàn)樣機制造和產(chǎn)品化推廣?？梢钥闯鰟?chuàng)客文化內(nèi)涵與高等學校大力倡導的“創(chuàng)新、創(chuàng)造和創(chuàng)業(yè)”三創(chuàng)教育在本質(zhì)上是一致的,只不過前者可能更加注重基于互聯(lián)網(wǎng)開放資源的自主學習、自主創(chuàng)新、自主制造和自主創(chuàng)業(yè),而后者可能更加注重基于系統(tǒng)理論學習的教師指導下創(chuàng)新、創(chuàng)造和創(chuàng)業(yè)。顯然,在互聯(lián)網(wǎng)無處不在、網(wǎng)絡資源爆炸式增長、每個人都是網(wǎng)絡客戶端的情況下,發(fā)揚創(chuàng)客文化,主動在人才培養(yǎng)實踐教學環(huán)節(jié)中推廣創(chuàng)客運動,促進人才培養(yǎng)創(chuàng)客化是大勢所趨,也是促進創(chuàng)新型、綜合型人才培養(yǎng)的新途徑。

1.1 人才培養(yǎng)創(chuàng)客化的本質(zhì)仍是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才

人才培養(yǎng)創(chuàng)客化,首先不是讓學生自己完全依賴互聯(lián)網(wǎng)資源和自制造工具進行創(chuàng)新、創(chuàng)造和創(chuàng)業(yè),這是因為在專業(yè)知識體系和技能體系上,大部分學生還不能和已經(jīng)成為“創(chuàng)客”的人相比,另外大部分學生在求學期間也很難獨自獲得齊備的自制造工具和設備。其次,人才培養(yǎng)創(chuàng)客化更不是傳統(tǒng)意義上的讓學生參與預先由導師設計好的、驗證性的實驗項目或目標明確的科研項目,而是在“教學平等”的原則下,基于“做中學”的創(chuàng)客文化,針對有價值、有興趣的課題,教師和學生共同參與、共同創(chuàng)新、共同制造原型樣機、共同借助互聯(lián)網(wǎng)將樣機轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的過程。在這個過程中,學生的學習興趣得到充分激發(fā),學生的創(chuàng)造能力得到充分鍛煉,學生的創(chuàng)業(yè)能力也可以通過互聯(lián)網(wǎng)平臺獲得科學、廣泛的評價機會。人才培養(yǎng)創(chuàng)客化從概念上來說比培養(yǎng)創(chuàng)新人才內(nèi)涵更豐富,更具有時代感,更加能面向新工業(yè)革命的需求。

1.2 人才培養(yǎng)創(chuàng)客化的主要平臺是實驗室開放

首先,創(chuàng)客活動離不開相關軟件平臺和硬件平臺,離不開3D打印機、數(shù)控加工機床等設備以及大量的儀器、工具和材料,離不開和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的實時交流,這種創(chuàng)客環(huán)境既無法在圖書館中建立,也無法在滿是桌椅板凳的教室中建立,只能依靠實驗室開放才能建立起來。其次,目前大部分大學生的基礎工程實踐能力嚴重不足,已經(jīng)成為開展創(chuàng)客活動的瓶頸,也需要通過實驗室開放進行強化訓練和提高。因此,實驗室開放是人才培養(yǎng)創(chuàng)客化的根本渠道。當然,人才培養(yǎng)創(chuàng)客化對實驗室環(huán)境也提出了更高的要求,比如說齊備的自制造環(huán)境等。

1.3 人才培養(yǎng)創(chuàng)客化是新工業(yè)革命的必然要求

以3D打印技術、數(shù)字化制造技術、機器人技術、智能硬件、物聯(lián)網(wǎng)等新技術蓬勃應用為標志的新工業(yè)革命已經(jīng)到來[6-7],終端應用產(chǎn)品的客戶化定制生產(chǎn)將在很大程度上取代大批量規(guī)?；a(chǎn)。傳統(tǒng) “專業(yè)細分”下的人才培養(yǎng)體系,將一個完整產(chǎn)品所涵蓋的技術理論知識劃分得支離破碎,從而使僅依靠某個專業(yè)的學生根本無法實現(xiàn)個性化制造的“精確拼圖”。因此從面向未來、長遠發(fā)展的角度看,打破專業(yè)界限,基于多學科、跨專業(yè),“跨界融合、集成創(chuàng)新”,實現(xiàn)人才培養(yǎng)創(chuàng)客化,是高等學校工科專業(yè)適應新工業(yè)革命發(fā)展的必然要求。

2 實驗室創(chuàng)客平臺建設的實踐探索

實驗室開放是人才培養(yǎng)創(chuàng)客化的主渠道,同時,人才培養(yǎng)創(chuàng)客化對實驗室環(huán)境建設也提出了更高的要求。由于專業(yè)細分和歷史發(fā)展原因,很多高校的實驗室都是專門功能或單一功能的實驗室,根本不具備開展創(chuàng)客活動所需要的完整條件。或許從整個學校的視角看條件是具備的,比如說數(shù)控機床在數(shù)控中心,3D打印機在工業(yè)設計實驗室,開源硬件在電子實驗室。但是,學生開展創(chuàng)客活動的時候,在這么多不同部門管轄的實驗室之間穿梭,從時間效率上來說不科學,另外由于不同實驗室的管理制度和有關教師對待學生實踐態(tài)度的差異,也會影響學生開展創(chuàng)客實踐活動的積極性。比如說有的學生去某個實驗室借用加工設備時,有關教師一句“設備壞了,正在維修”或者“現(xiàn)在正忙別的工作,無法使用”,就將滿懷創(chuàng)造熱情的學生打發(fā)了,而學生也無法去進一步深究，究竟真的是設備壞了，還是教師在推諉。因此,建立適合人才培養(yǎng)創(chuàng)客化的實驗室開放平臺并不是一件簡單的事情。當然,若是學校自上而下推動此事,進行資源整合,加大資金和場地投入,建立面向人才培養(yǎng)創(chuàng)客化的實驗室開放平臺,是最好不過的事。這不僅需要學校領導的大力支持,需要教學理念的根本轉(zhuǎn)變,需要資源的整合,需要建設周期,更需要建立配套的師資隊伍[8-9]。

近2年多來,我們結合實驗室原有的基礎,著眼于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才,堅持自下、主動推進實驗室創(chuàng)客平臺建設,采取了一些實驗室開放平臺化建設措施。

2.1 因地制宜,多方籌措,建立實驗室創(chuàng)客平臺的“自制造”環(huán)境

齊備的自制造工具和相對完整的自制造環(huán)境,是開展創(chuàng)客活動的前提條件之一。我們實驗室原來有1臺小型的三軸數(shù)控加工中心和1臺小型的數(shù)控車床,為了滿足學生創(chuàng)客活動需求,補充購買了一些刀具、夾具,基本上能夠滿足小型零件的數(shù)控加工要求。后來,又通過DIY的方式自制了1臺3D打印機和1臺小型搖籃式五軸聯(lián)動數(shù)控機床。應用效果證明,自制的設備在性能上和商業(yè)化的同類設備不相上下,但是通過自制設備不僅節(jié)省了資金投入,也是一次非常好的創(chuàng)客活動。在學校的支持下,通過北京市教學專項建設進一步購買了正版的PowerMILL、Vericut等計算機輔助制造軟件。另外,實驗室還逐步配備了型材切割機、微型折彎機、線號機等輔助工具,建立了一個相對完整的 “自制造”環(huán)境,極大地方便了學生,基本上能夠滿足學生開展創(chuàng)客活動的需要,如圖1所示。

圖1 實驗室創(chuàng)客平臺的自制造環(huán)境

2.2 因材施教,鼓勵探索,逐步建立面向創(chuàng)客實踐開發(fā)和創(chuàng)新應用的硬件平臺

降低硬件開發(fā)入門門檻,提供多層次、多類型的硬件開發(fā)平臺,是大規(guī)模開展創(chuàng)客活動的第2個前提條件。為了便于不同專業(yè)背景、不同興趣取向的學生都可以開展創(chuàng)客活動,實現(xiàn)創(chuàng)客夢想,目前實驗室主要提供了3種類型的硬件開發(fā)平臺:一是基于80C51內(nèi)核或與80C51兼容的通用單片機開發(fā)應用平臺,該平臺適合有單片機基礎的學生開展創(chuàng)客活動。二是提供了一個起源于意大利的易學、易用的開源平臺Arduino[10]。實踐證明,Arduino開源平臺非常適合沒有單片機基礎的學生上手學習和進行創(chuàng)意產(chǎn)品的開發(fā)。三是提供了基于三菱PLC的工業(yè)創(chuàng)新應用開發(fā)平臺,該平臺直接面向工業(yè)創(chuàng)新應用,既有利于學生開展創(chuàng)客活動,又有利于學生將來的求職就業(yè)。

2.3 注重實驗室創(chuàng)客平臺的團隊建設

逐步建成了一支從一至四年級本科生和碩士研究生共同參與的梯階式創(chuàng)客團隊,確保薪火相傳、持續(xù)發(fā)展。團隊創(chuàng)建的初期,指導教師花費很大的精力指導剛?cè)雽嶒炇业膶W生學習相關知識、掌握相關工具,帶一屆學生后,對于后續(xù)加入的學生,主要讓培養(yǎng)過的學生帶他們開展創(chuàng)客活動。其次,隨著加入創(chuàng)客團隊人數(shù)的增多,逐步建立了“周值—周簽—周報”的規(guī)范化制度。周值即安排學生每周在實驗室值一次班,這一方面確保了學生在實驗室的活動時間,另一方面保證了實驗室7×12 h對外開放；周簽即要求學生每周到實驗室報到3～4次,這主要是保證學生和教師的見面交流機會；周報即團隊每周定期舉行集體交流匯報活動,平均每個學生2～3周做一次報告,這既是促進學生學習的方法,也是團隊共同交流學習的平臺。

規(guī)范化的管理不僅確保了創(chuàng)客團隊的和諧發(fā)展,也從根本上促進了學生自身綜合能力的提高。此外,還建立了“比學習、比創(chuàng)新”的激勵制度,每學期根據(jù)學生在創(chuàng)客平臺中的表現(xiàn)給予適當?shù)莫剟?增強學生參與創(chuàng)客活動的榮譽感和成就感。

2.4 注重實驗室創(chuàng)客平臺的文化建設

大力弘揚創(chuàng)客文化,形成統(tǒng)一的文化認同。首先,制作了以“創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)、行動、團隊”為主題的掛圖,掛在實驗室的墻上,潛移默化地影響學生的日常行為。其次,充分利用QQ群和微博等自媒體空間,逐步建立資源分享、即時交流的共享溝通平臺。周報的PPT和錄像,以及有價值的學習資源均共享到QQ群空間里,不僅方便了大家的學習交流,也有利于培養(yǎng)學生積極分享、樂于分享的創(chuàng)客精神。

總之,經(jīng)過2年多的建設和發(fā)展,我們大力推動的實驗室創(chuàng)客平臺建設已經(jīng)取得了一些建設成果,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1) 創(chuàng)新作品數(shù)量大量增加,質(zhì)量大幅提高,制造周期大幅縮短。近2年來,創(chuàng)客團隊所設計制作的各類作品已經(jīng)在第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽、第八屆全國大學生電氣與自動化大賽、北京市第二屆大學生工程訓練綜合能力大賽、首都高校第七屆機械創(chuàng)新設計大賽、第四屆北京市屬高校“創(chuàng)想杯”多媒體課件制作與微課程大賽等國家級、省部級科技競賽活動中獲獎累計5項,學生署名發(fā)表EI檢索論文2篇,申請國家專利5項,登記軟件著作權2項,此外團隊中2名學生被順利保送清華大學讀研究生。

圖2為獲得第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽二等獎的作品。該作品緊扣大賽“幻·夢課堂”主題,面向“機械原理”課堂教學,基于仿生學原理,綜合應用齒輪傳動、凸輪傳動、多級連桿機構、偏心齒輪傳動等多種運動機構,設計并制造出了一個仿生“機械馬”,直觀、生動、形象地體現(xiàn)了“機械原理”課程的大部分知識點。另外,作品采用觸摸屏和二維碼等2種人機交互方法,綜合應用單片機、步進電機、直流電機、舵機等，實現(xiàn)了“機械馬”運動的交互式、參數(shù)化控制,顯著提高了課堂教學的互動性,最大限度地激發(fā)了學生的學習興趣。

圖2 實驗室創(chuàng)客平臺的創(chuàng)新作品“馬到成功”

(2) 初步建立了“從基礎工程實踐、到創(chuàng)新作品制作、到工業(yè)創(chuàng)新應用”相對完整、覆蓋面廣的實驗室創(chuàng)客平臺體系。該體系具有“激發(fā)創(chuàng)新、注重實踐、學科融合、開放充分”的鮮明特征,可以充分滿足不同興趣學生的發(fā)展需求,最廣泛地吸引樂于實踐的學生加入到創(chuàng)客平臺上來學習、實踐和創(chuàng)新。其中基礎工程實踐訓練主要是針對學生在金工實踐訓練、電子工藝實踐訓練、編程實踐訓練、三維建模實踐訓練等實踐教學環(huán)節(jié)方面的不足,進一步強化訓練,為后續(xù)開展創(chuàng)客活動奠定基礎。

3 實驗室創(chuàng)客平臺建設遇到的問題分析

盡管基于學校大力支持和我們積極推動,實驗室創(chuàng)客平臺建設取得了一定的效果,但是在建設過程中也遇到了一些問題。

3.1 沒有專項資金支持

實驗室開放平臺化建設是一項長期的工作,因此需要持續(xù)不斷的資金支持,但在實際操作過程中卻沒有專項資金來支持這項工作。

實驗室創(chuàng)客平臺資金消耗的一個特點是“零刀子割肉”,有時候買點耗材錢盡管不多,往往需要到處找錢,而且大部分情況下要得挺急,因而只能暫時由教師的科研經(jīng)費或個人工資進行墊付,然后再到處找地方報銷,而報銷時往往也會遭遇各類意想不到的問題。

實驗室創(chuàng)客活動的材料消耗相對成本較高,這是因為從事創(chuàng)客活動的學生大多缺乏工作經(jīng)驗,實踐動手經(jīng)驗也往往不足,因此實踐過程中電子元件燒壞、數(shù)控刀具折斷、零件反復加工等都是常態(tài),還有學生在加工一個非常小的零件時,為了裝夾和加工方便,直接在一大塊原材料中間位置加工,從而導致一大塊原材料只能當廢料用了。這些問題,有些通過教師指導和提醒或可避免,有些則只能歸入“創(chuàng)新成本”。因此,當我們反復強調(diào)培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力的時候,最好也要做好支付“創(chuàng)新成本”的準備。

3.2 教師量化考核問題

實驗室創(chuàng)客平臺建設需要負責教師個人付出巨大努力,其中很多工作無法進行量化考核。

首先,從時間上來說,實驗室開放盡管受到所謂的重視,但是仍然被定性為教學計劃外活動,這就意味著教師只能犧牲下班時間、周末時間和節(jié)假日時間來指導學生開展創(chuàng)客活動。

其次,創(chuàng)客活動歷經(jīng)方案創(chuàng)新、樣機制造、調(diào)試改進等多個環(huán)節(jié),涉及機械、電子、電氣、控制、編程等多學科的理論知識和工程實踐經(jīng)驗,是一個“精確拼圖”、硬碰硬的過程。但是,實踐過程中發(fā)現(xiàn),學生課堂學到的知識往往僅停留在表面,稍微復雜一點或應用性強一點的知識,不是教師上課沒講,就是學生上課沒聽懂,課堂理論教學和實踐應用之間存在很大的縫隙。比如說大部分學生在大一就學過C++編程,但是在基于Arduino平臺進行開發(fā)編程時,怎么創(chuàng)建一個函數(shù)庫,怎么進行位計算,近乎100%的學生不會。再比如說,數(shù)控機床操作在大一金工實習時都學過,但是卻很少有學生能獨立完成一個零件從編程到裝夾、加工的整個過程。諸如此類問題,不勝枚舉。這些知識均需要負責教師給學生進一步深化講解和提高訓練,才能確保創(chuàng)客活動的順利開展,才能保證創(chuàng)新作品的“精確拼圖”。這不僅提高了對負責教師自身的要求,也極大地增加了教師的“無法計入崗位考核”的工作量。

3.3 實驗室開放重視程度不夠

實驗室開放受到的重視程度還遠遠不夠,這顯然不利于創(chuàng)新型人才和工程應用人才的培養(yǎng)[11-12]。

首先,從學生個人層面上來說,大一剛?cè)雽W還萌萌噠,大二時要考英語四級,大三就要準備考研或出國,大四要忙于求職就業(yè),而且平常的課堂教學也排得非常滿,因此有些學生盡管非常有興趣從事創(chuàng)客活動,也不得不放棄或中斷實驗室活動。

其次,從學校層面上來說,實驗室開放活動被視為教學計劃外活動,不僅拿不到黃金時間,在課外也無法和社團活動競爭。團、學活動方面有系統(tǒng)的領導、成熟的組織體系以及較為完善的激勵制度,而實驗室開放活動目前還做不到這一點,只能在夾縫中求發(fā)展。

再者,從教師個人發(fā)展方面來說,學校目前重點考核青年教師的科研項目和論文數(shù)量,因此搞不搞實驗室開放對教師來說并不是十分必要。

盡管實驗室開放、圖書館開放、運動場開放和課堂教學被稱為人才培養(yǎng)的四駕馬車,但實際上實驗室開放卻連個馬尾巴都不如。

4 結束語

著眼于新工業(yè)革命的興起,充分發(fā)揚“創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)、分享”的創(chuàng)客精神,大力推進創(chuàng)客運動進實驗室,促進人才培養(yǎng)創(chuàng)客化,是非常值得探索的人才培養(yǎng)模式。完備的自制造環(huán)境、健全的開源硬件平臺、“做中學”的創(chuàng)客文化、薪火相傳的創(chuàng)客團隊是實驗室創(chuàng)客平臺的四大支柱。推動創(chuàng)客活動進實驗室,促進實驗室創(chuàng)客平臺建設和人才培養(yǎng)創(chuàng)客化,絕不是一個簡單的理念創(chuàng)新,更需要從人才培養(yǎng)體系改革、教學管理制度改革、教師考核制度改革等方面去配套,才能促進其可持續(xù)發(fā)展,最終服務于國家和社會未來發(fā)展的大局。

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Research and exploration on laboratory opening platform based on maker culture

Hu Fuwen1, Xu Honghai1, Zhang Chaoying1, Bi Song2, Ding Weilong3

(1. School of Mechanical and Material Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China； 2. School of Electrical and Control Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China； 3. School of Computer Science and Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)

Makers are viewed as the leader of the new industrial revolution and the prime mover of the individual customization production in the future.Essentially the practice of the innovative talent cultivation is consistent with the maker activity.Firstly,the basic concept of cultivating college students into makers is illustrated.Then the development course of the laboratory maker platform based on maker culture is discussed in terms of self-make condition,hardware platform,and team building and maker culture construction.Finally,the problems in building the laboratory maker platform are analyzed objectively and the coping strategies are also provided simply.

maker culture； self-make； laboratory opening

2014- 11- 09 修改日期：2015- 02- 03

北方工業(yè)大學2014年教育教學改革和課程建設研究重點項目“基于工程理念的大學生綜合能力創(chuàng)新培養(yǎng)模式改革與實踐”

胡福文(1980—),男,山東成武,工學博士,講師,研究方向為智能制造技術及工藝裝備.

E-mail：hfw@ncut.edu.cn

G482

A

1002-4956(2015)7- 0244- 05