創(chuàng)客教育視野下“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程實驗設(shè)計*

趙廣元 王文慶 蔡秀梅

（西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西西安 710121）

創(chuàng)客教育視野下“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程實驗設(shè)計*

趙廣元 王文慶 蔡秀梅

（西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西西安 710121）

為服務(wù)于非計算機專業(yè)的“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)，文章提出了基于創(chuàng)客教育環(huán)境進行課程實驗設(shè)計的思路，闡述了在課程教學(xué)中實施創(chuàng)客教育的重要意義。同時結(jié)合自身實踐，針對“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)改革的現(xiàn)狀及存在的問題，文章提出了基于 Arduino的“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程實驗改進方案，論述了服務(wù)于實驗的創(chuàng)客教育環(huán)境設(shè)計。最后，文章將基于Arduino設(shè)計的嵌入式服務(wù)器應(yīng)用于測控技術(shù)與儀器專業(yè)的“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程實驗，實現(xiàn)了課程實驗與專業(yè)應(yīng)用的緊密結(jié)合。實踐表明，該課程實驗在加強學(xué)生專業(yè)認(rèn)知、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和進一步濃厚創(chuàng)新實踐氛圍等方面效果明顯，顯示出創(chuàng)客教育較強的應(yīng)用價值。

創(chuàng)客教育；計算機網(wǎng)絡(luò)；課程實驗；開源硬件

引言

在建設(shè)創(chuàng)新型國家的進程中，需要一大批具有創(chuàng)新能力的人才。創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，既是大學(xué)的使命，也是社會的共同期待[1]。在《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中，明確支持本科生參與科研活動，早進課題、早進實驗室、早進團隊；要求加強實踐教學(xué)管理，提高實驗、實習(xí)實訓(xùn)、實踐和畢業(yè)設(shè)計（論文）質(zhì)量。當(dāng)前，各高校十分重視教師以科研促進教學(xué)、教學(xué)與科研統(tǒng)一，以此促進創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)；各用人單位越來越看重畢業(yè)生的實際動手能力和項目實踐能力，顯現(xiàn)出社會對創(chuàng)新型人才的渴求。但與此相矛盾的是，學(xué)生受限于知識結(jié)構(gòu)，在本來就非常短暫的項目實踐過程中，還需要花費很長時間用于底層技術(shù)的學(xué)習(xí)和重復(fù)性工作，使“做中學(xué)”實施起來比較困難；再加上由于硬件實驗設(shè)備的封閉性，不利于教師結(jié)合實際應(yīng)用進行課程實驗設(shè)計，這就在很大程度上抑制了學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。

如何在課程教學(xué)中引入結(jié)合專業(yè)應(yīng)用的實驗內(nèi)容，以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并促進學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)知；如何引導(dǎo)學(xué)生更早地投入完整的項目實踐中，從而在更為連續(xù)持久的項目實踐中提高創(chuàng)新能力，仍是當(dāng)前教學(xué)研究需要思考和解決的重要問題。為此，本文以測控技術(shù)與儀器專業(yè)的“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程實驗為例，分析其教學(xué)實踐中存在的不足，試圖在創(chuàng)客教育理念指導(dǎo)下構(gòu)建創(chuàng)客學(xué)習(xí)環(huán)境，并在此環(huán)境下設(shè)計課程實驗。

一 創(chuàng)客教育

“創(chuàng)客”源于英文“Maker”，是指出于興趣與愛好，努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的人。廣義上講，創(chuàng)客不僅包含了“硬件再發(fā)明”的科技達(dá)人，還包括了軟件開發(fā)者、藝術(shù)家、設(shè)計師等諸多領(lǐng)域的優(yōu)秀代表[2]；本文所提的創(chuàng)客主要指前者，即利用開源硬件和互聯(lián)網(wǎng)將各種創(chuàng)意變?yōu)閷嶋H產(chǎn)品的人[3]。

創(chuàng)客運動（Maker Movement）是創(chuàng)客們通過自己動手（Do It Yourself，DIY）或與他人合作（Do It With Others，DIWO）創(chuàng)造出獨創(chuàng)性產(chǎn)品的行動。創(chuàng)客運動的產(chǎn)品大多開源，其他人可以利用所獲得的文檔獲取產(chǎn)品信息或重新搭建[4]。創(chuàng)客運動是一種具有劃時代意義的新浪潮，將實現(xiàn)全民創(chuàng)造，推動新工業(yè)革命[5]。

開展創(chuàng)客活動的場地被稱為“創(chuàng)客空間”?！?014年地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》認(rèn)為“創(chuàng)客空間”是促進基礎(chǔ)教育學(xué)習(xí)變革的數(shù)字策略之一，將其列入未來5年內(nèi)影響基礎(chǔ)教育12項關(guān)鍵技術(shù)的大名單?！?014年地平線報告（高等教育版）》則預(yù)計了未來幾年學(xué)生由消費者到創(chuàng)造者的角色轉(zhuǎn)變趨勢。

當(dāng)創(chuàng)客文化進入校園，學(xué)校參與到創(chuàng)客運動中，便形成了創(chuàng)客教育（Maker Education）。創(chuàng)客教育融合信息技術(shù)的發(fā)展，開拓了創(chuàng)新教育的新園地[6]。即使在沒有高額設(shè)備經(jīng)費投入的情況下，每間教室也可成為創(chuàng)客空間。通過在創(chuàng)客空間中自主、開放氛圍中開展的“創(chuàng)客”活動和課程，學(xué)生進行碰撞、分享，接觸最前沿的技術(shù)，動手實現(xiàn)其想法，并充分激發(fā)想象力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在這樣的方式下，創(chuàng)客正柔軟地改變著教育[7]。

創(chuàng)客教育目前還未正式作為課程標(biāo)準(zhǔn)體系中的內(nèi)容，而是主要應(yīng)用于學(xué)校的一些學(xué)生社團中，因此還遠(yuǎn)不足以展現(xiàn)其應(yīng)用價值。創(chuàng)客教育作為“做中學(xué)（Learning by Doing）”的延伸，強調(diào)學(xué)生主動思考、設(shè)計和制作，以實現(xiàn)基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)；創(chuàng)客教育受信息技術(shù)支持，學(xué)生一方面可以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源進行創(chuàng)新設(shè)計和產(chǎn)品創(chuàng)造，一方面通過網(wǎng)絡(luò)交流、分享，激發(fā)創(chuàng)造熱情，獲得創(chuàng)意啟示；創(chuàng)客教育指向全人發(fā)展的全人學(xué)習(xí)（Whole Learning），而這種全人發(fā)展是以創(chuàng)造力發(fā)展為核心的[8]。鑒于此，越來越多的教育工作者呼吁將創(chuàng)客教育帶入教室、引入課程教學(xué)，而且不僅是整合于工程技術(shù)類和藝術(shù)設(shè)計類學(xué)科，甚至應(yīng)該整合于學(xué)校的課程體系、整合于各個學(xué)科的教與學(xué)過程[9]。

總體上，創(chuàng)客教育對促進素質(zhì)教育的發(fā)展有重要意義。創(chuàng)新的核心是人，人的創(chuàng)新能力培養(yǎng)重在以興趣為導(dǎo)向的素質(zhì)教育。創(chuàng)客教育的實施可進一步拓展實驗者的體驗和想象力，提高實驗者的動手創(chuàng)造力，這正是建設(shè)創(chuàng)新型社會對素質(zhì)教育提出的要求[10]。

創(chuàng)客教育也有助于提高學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣。如北卡羅萊納大學(xué)“程序設(shè)計導(dǎo)引”課程中使用開源硬件Arduino進行C語言的教學(xué)[11]，用C語言控制微處理器及其相關(guān)硬件、通過建立庫函數(shù)擴展C語言，這些內(nèi)容雖涉及硬件，但由于Arduino已對這些硬件進行了封裝，實現(xiàn)了硬件的軟件化，對學(xué)習(xí)者幾乎無硬件基礎(chǔ)要求，這就使學(xué)生基于Arduino學(xué)習(xí)C語言成為可能。實踐表明，學(xué)生因為可以立即發(fā)現(xiàn)這款開發(fā)板的諸多用途，所以使用 Arduino這樣一個小型、便宜的“掌上實驗室”可以很容易地激起他們的興趣。

創(chuàng)客教育對于提高課程設(shè)計的系統(tǒng)性和完整性也有重要的作用。如在嵌入式系統(tǒng)的課程設(shè)計中，學(xué)生在創(chuàng)客教育環(huán)境下更易看到嵌入式系統(tǒng)課程的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性；相比重視嵌入式系統(tǒng)的底層技術(shù)層面，其課程設(shè)計的內(nèi)容可以更加完整、更具系統(tǒng)性；利用Arduino及網(wǎng)絡(luò)資源，其課程設(shè)計也更易于實施。但其中可能存在一個問題，即開源和重用設(shè)計很難鑒定出作品是否為學(xué)生親自設(shè)計。文獻[12]給出了一種方案，在評價項目和開源代碼社區(qū)的聯(lián)系時，最嚴(yán)格的一條是要求所有外部資源（包括同班同學(xué)）必須嚴(yán)格注明引用出處；如果項目包含了大量外部資源，只是簡單集成也認(rèn)定為有效。因此，達(dá)到了引導(dǎo)學(xué)生正確注明引用的目的。學(xué)生可能在開發(fā)具體模塊方面受益不多，但在系統(tǒng)集成方法和技巧、代碼閱讀和理解等方面卻非常受益，因此學(xué)生對此種方式的課程設(shè)計給出了很高的評價。其實踐結(jié)果表明，源于 Arduino的使用，學(xué)生作品較前幾年的作品質(zhì)量更高，也更具創(chuàng)新性。

文獻[13]進一步構(gòu)建了智慧學(xué)習(xí)的概念框架，設(shè)計了四種智慧學(xué)習(xí)模式，并初步設(shè)計了包括專題學(xué)習(xí)、創(chuàng)意構(gòu)想、設(shè)計開發(fā)和實踐應(yīng)用四個主要環(huán)節(jié)在內(nèi)的“創(chuàng)客”學(xué)習(xí)模式。文獻[14]認(rèn)為適合創(chuàng)客教育的創(chuàng)客空間，即校內(nèi)創(chuàng)客教育培養(yǎng)環(huán)境，可以大大提高教學(xué)效果，也是創(chuàng)客教育得以實現(xiàn)的重要物質(zhì)保障。這些研究的繼續(xù)深入，對于推進學(xué)校的創(chuàng)客教育和創(chuàng)客教育融入課程的實踐均有重要意義。

二 “計算機網(wǎng)絡(luò)”課程改革現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)之間的融合成為必然趨勢。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出乃至蓬勃發(fā)展，使得這種融合的必要性更加凸顯。在此背景下，在測控技術(shù)與儀器等非計算機專業(yè)開設(shè)“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程便顯得相當(dāng)重要了。限于經(jīng)費和學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，目前非計算機專業(yè)“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)改革主要呈現(xiàn)出兩個方向:一是優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方法，從不同角度采取措施以提高學(xué)習(xí)興趣[15][16][17]；二是為解決硬件實驗設(shè)備不足的問題，采用抓包軟件等工具輔助進行虛擬實驗以降低成本，增強對網(wǎng)絡(luò)工作過程的感知，加深對各知識點的理解，同時借以提高師生的研究能力[18][19][20][21]。

以上研究一般籠統(tǒng)地在“非計算機專業(yè)”層面上進行，并沒有結(jié)合具體的專業(yè)應(yīng)用。在如何面向非計算機專業(yè)來設(shè)計具有專業(yè)特色的實驗和相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容等方面，還鮮見文獻論述。

三 “計算機網(wǎng)絡(luò)”課程實驗設(shè)計

一般的“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程應(yīng)用層實驗主要是制作并發(fā)布簡易網(wǎng)站或網(wǎng)頁設(shè)計。本研究所設(shè)計的實驗用于取代原來的應(yīng)用層實驗，從而使課程實驗落腳于測控技術(shù)與儀器專業(yè)應(yīng)用。

1 實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容

本實驗旨在通過搭建嵌入式服務(wù)器模擬工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測，以加深理解計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的實際應(yīng)用；通過編寫相應(yīng)的Web程序，以加深理解HTTP協(xié)議工作原理。本研究供選擇的實驗如表1所示。

表1 基于Arduino的嵌入式服務(wù)器設(shè)計實驗

2 開發(fā)工具的選擇

開源硬件作為撬動創(chuàng)客教育實踐的杠桿，成為實踐者手中最重要的工具[22]。本研究的實驗設(shè)計選擇使用Arduino作為嵌入式服務(wù)器的主控制器。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino開發(fā)環(huán)境），且得到了TI、Mathworks、Microsoft、Google等諸多著名商家的支持，現(xiàn)已成為創(chuàng)客們主要的開發(fā)工具[23]。Arduino價格低廉、方便應(yīng)用，其開發(fā)的以太網(wǎng)擴展板自帶有 Ethernet庫文件[24]。用戶在掌握HTTP協(xié)議基本原理后，只需要了解其函數(shù)用法，即可進行創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計。

3 實驗方法與流程

為更好地實施本次實驗，支持創(chuàng)客教育實踐，本研究從多個角度進行了創(chuàng)客教育環(huán)境的建設(shè)，并將其滲透到實驗實施的多個環(huán)節(jié)。

（1）前期準(zhǔn)備。主要包括:①創(chuàng)客空間的建設(shè)。主要是指開放全部專業(yè)教學(xué)實驗室，滿足學(xué)生用于實踐和交流的場地需求；成立“西郵創(chuàng)客空間”，并建立相應(yīng)的微信公眾號[25]，通過線上和線下的活動，虛實結(jié)合，服務(wù)于全方位的交流互動。②Arduino基礎(chǔ)知識的普及。受限于課時和課程重點，Arduino基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)主要安排在課外時間進行，其內(nèi)容主要通過微信平臺發(fā)布。為降低學(xué)習(xí)難度和增加吸引力，這些內(nèi)容結(jié)合具體應(yīng)用案例以單個知識點制作。

（2）實驗任務(wù)部署。教師主要進行實驗內(nèi)容說明與安排組織。實驗任務(wù)主要以微課程形式發(fā)布，包含實驗內(nèi)容涉及原理的回顧和實驗操作環(huán)節(jié)的指導(dǎo)。

（3）具體實施。Web程序設(shè)計可自行完成，也可參考實驗材料完成。每3個學(xué)生自由組合為一個實驗小組；各小組在有余力的情況下，可互換實驗器件，并進行相應(yīng)設(shè)計。在實施的過程中注重實驗氛圍的營造，強調(diào)平等交流、分享、誠信。對作品嚴(yán)格要求，所有外部資源必須嚴(yán)格注明引用出處。這些作品涉及網(wǎng)絡(luò)的基本原理相同，使更廣范圍的交流成為可能。

（4）實驗檢查與系統(tǒng)總結(jié)。教師在實驗的過程中仔細(xì)觀察學(xué)生的實驗情況，做好答疑和問題匯總，同時增加答辯環(huán)節(jié)，進行充分交流和系統(tǒng)總結(jié)。

4 實驗案例

在本次實驗中，“彩虹隊”實驗小組所搭建的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件原型如圖1所示。以太網(wǎng)擴展板采用層疊式設(shè)計，可以疊加在Arduino控制板上，與Arduino一起構(gòu)成嵌入式服務(wù)器。溫濕度傳感器型號為DHT11，以單總線形式輸出溫濕度數(shù)字信號，對其操作可通過相應(yīng)的庫函數(shù)實現(xiàn)。嵌入式服務(wù)器實時采集并發(fā)布環(huán)境溫濕度信息供客戶端訪問，客戶端訪問顯示的結(jié)果如圖2所示。

圖1 工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件原型

圖2 客戶端訪問顯示結(jié)果

四 結(jié)論與展望

本文針對非計算機專業(yè)的“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程與專業(yè)應(yīng)用結(jié)合不緊密的問題，通過創(chuàng)客教育與課程教學(xué)的融合，將基于 Arduino的嵌入式服務(wù)器設(shè)計作為測控技術(shù)與儀器專業(yè)的“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程實驗，解決了課程教學(xué)所面臨的問題。在實施方面，由于學(xué)生已有一定的電子技術(shù)基礎(chǔ)和C語言基礎(chǔ)，并對提前發(fā)布的相關(guān)實驗材料做了充分預(yù)習(xí)，所以他們都能順利地完成實驗任務(wù)。實踐結(jié)論為:

（1）在創(chuàng)客教育視野下設(shè)計與專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的課程實驗，使低年級學(xué)生有機會在系統(tǒng)層面上認(rèn)識所學(xué)課程與專業(yè)的緊密關(guān)系，因此能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。由于學(xué)生不僅可以在已有硬件的基礎(chǔ)上自行編寫網(wǎng)頁、模擬發(fā)布工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測信息，還可以進一步自己動手改變監(jiān)測與采集的參數(shù)種類、擴展不同應(yīng)用，因此學(xué)生的積極性被充分地調(diào)動起來了。在本實驗基礎(chǔ)上擴展的畢業(yè)設(shè)計作品《基于 Web的文物環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)》，還被陜西省自動化學(xué)會評為了優(yōu)秀畢業(yè)論文。

（2）以Arduino為主要工具的創(chuàng)客教育，對于提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力、為學(xué)生提供自我教育的機會均非常有益。例如，以此項實踐為開端，部分同學(xué)后續(xù)參加了基于 Arduino的創(chuàng)新項目實踐活動，在“挑戰(zhàn)杯”等多項學(xué)科競賽中獲獎，申報并獲得了多項國家級、省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目等。

通過總結(jié)以上實踐經(jīng)驗，本研究還基于Arduino，利用無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、GPRS等不同領(lǐng)域技術(shù)，結(jié)合專業(yè)應(yīng)用進一步開發(fā)了系列網(wǎng)絡(luò)實驗項目。這些實驗項目豐富了實驗內(nèi)容，有效促進了課程與專業(yè)的進一步結(jié)合。

為了推廣實踐成果，以在更多課程中展開創(chuàng)客教育，需要相應(yīng)學(xué)科的教師首先成為“教育創(chuàng)客”。當(dāng)前的做法是通過動態(tài)評審機制，吸引部分教師項目加入創(chuàng)客空間。創(chuàng)客空間為項目提供基礎(chǔ)技術(shù)支持和活動服務(wù)，同時也要求這些項目進行定期分享交流。通過這種形式，部分教師掌握了開展創(chuàng)客教育的基礎(chǔ)技術(shù)。但創(chuàng)客教育對于“教育創(chuàng)客”的要求是全面的，這方面工作還需要多方的共同推進。

當(dāng)前，國務(wù)院將加快構(gòu)建眾創(chuàng)空間作為推進大眾創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作的首要重點任務(wù)[26]，教育部對深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革、努力造就大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新生力軍提出了具體要求[27]，給創(chuàng)客教育帶來了新的發(fā)展機遇。全面探索創(chuàng)客教育教學(xué)內(nèi)容和方法體系，將是下一步研究的重點。

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[26]國務(wù)院辦公廳.關(guān)于發(fā)展眾創(chuàng)空間推進大眾創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的指導(dǎo)意見(國辦發(fā)[2015]9號)[OL].〈http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-03/11/content_9519.htm.〉

[27]焦新.深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革 努力造就大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新生力軍——教育部黨組學(xué)習(xí)貫徹李克強總理給清華大學(xué)學(xué)生創(chuàng)客重要回信精神[N].中國教育報,2015-05-06(1).

編輯:小米

“Computer Network” Experiment Design in Perspective of Maker Education Environment

ZHAO Guang-yuan WANG Wen-qing CAI Xiu-mei
(School of Automation, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an, Shaanxi, China 710121)

To serve the course teaching of non-computer professional “computer network”, course experimental design from the perspective of maker education environment is proposed and the importance of implementingmaker education in teaching is elaborated. The status and existing problem in “computer network” teaching reform are summarized. The paper proposed improved course experimental solution of “computer network” based on open-source electronics prototyping platform Arduino and discussed the maker education environment design for the experiment.Arduino-based embedded server successfully realized close integration between experiment and professional application. The practice manifested that the experiment strengthened students’ professional cognition, made improvement on their interest in learning and innovative practice atmosphere and shown strong application value of maker education.

maker education; computer network; course experiment; open-source hardware

G40-057

A 【論文編號】1009—8097（2015）09—0116—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2015.09.018

本文受陜西省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度立項課題“基于原型系統(tǒng)提升創(chuàng)新能力的實踐與研究”(項目編號：SGH140604)、西安郵電大學(xué)2013年教學(xué)改革研究項目“基于Arduino開源硬件提高創(chuàng)新能力的CDIO模式實踐與研究”(項目編號：JGA201302)資助。

趙廣元，副教授，碩士，研究方向為創(chuàng)客教育、智能交通信息采集與處理，郵箱為zhaoguangyuan@xupt.edu.cn。

2015年2月1日