“魯班工坊”教學(xué)模式在電腦鼠實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

周蘩雨 鄧蓓

（1.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350）

電腦鼠是集多學(xué)科、多技術(shù)的融合體，主要涉及電子信息、程序設(shè)計(jì)、機(jī)械工程、自動控制、人工智能、傳感與測試技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)知識。電腦鼠研發(fā)設(shè)計(jì)制作過程充分鍛煉了學(xué)生“創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)造”的能力。電腦鼠走迷宮競賽已經(jīng)成為集“職業(yè)性、綜合性、先進(jìn)性、趣味性”為一體的創(chuàng)新實(shí)踐型教育平臺，在推動課程改革，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮了重要作用。通過對電腦鼠實(shí)踐教學(xué)層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，采取“魯班工坊”教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式，以“教學(xué)做”一體化教學(xué)法在電腦鼠實(shí)踐教學(xué)硬件實(shí)踐、軟件實(shí)踐和創(chuàng)新性實(shí)踐三個(gè)模塊的具體應(yīng)用，驗(yàn)證“魯班工坊”教學(xué)模式在電腦鼠實(shí)踐教學(xué)中所取得的成效。

一、“魯班工坊”教學(xué)模式

在中國教育部和天津市教育委員會的推動下，“魯班工坊”作為天津市國家現(xiàn)代職業(yè)教育創(chuàng)新改革的重要成果，至今已在亞、歐、非、北美四大洲留下了足跡，并深刻影響著近十個(gè)國家的職業(yè)教育教學(xué)模式。

（一）“魯班工坊”

“魯班工坊”不僅傳承了中國古代智慧的精華，而且開拓了具有中國特色的現(xiàn)代職業(yè)教育教學(xué)模式。

1.“魯班工坊”的含義。魯班是中國古代著名發(fā)明家。魯班意指實(shí)踐、傳承、發(fā)明、創(chuàng)造，是古代勞動人民智慧的象征。工坊的本意是指工作場合，富含精致、文化意味?！棒敯喙し弧奔礊榘l(fā)明工場，它是集中國傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代職業(yè)教育為一體，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的現(xiàn)代學(xué)徒制職業(yè)教育模式。

2.“魯班工坊”的特征。發(fā)明創(chuàng)造性與實(shí)踐性是“魯班工坊”的重要特征?！棒敯喙し弧苯虒W(xué)模式主要以培訓(xùn)師資為核心。創(chuàng)立“魯班工坊”的內(nèi)涵，旨在通過校際合作、校企間合作為平臺建立良好的職業(yè)教育教學(xué)模式，為中外共同培養(yǎng)高技術(shù)技能人才?！棒敯喙し弧蓖ㄟ^“教學(xué)做”一體化的培養(yǎng)模式，提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

（二）“教學(xué)做”一體化模式

“教學(xué)做”一體化是“魯班工坊”教學(xué)模式的本質(zhì)內(nèi)涵，是電腦鼠實(shí)踐教學(xué)能力培養(yǎng)的重要方式。

1.“教學(xué)做”一體化的含義。“教學(xué)做”一體化是一種教學(xué)方式，本質(zhì)即在“做中學(xué)”，在“做中教”，“教學(xué)做”合一?！白觥笔恰敖獭焙汀皩W(xué)”的載體。“教學(xué)做”合一主要強(qiáng)調(diào)的是“怎樣做便怎樣學(xué)，怎樣學(xué)便怎樣教”。

2.“教學(xué)做”一體化的特征?！敖虒W(xué)做”一體化的顯著特點(diǎn)就是實(shí)踐性?！敖虒W(xué)做”是一個(gè)不可分的整體，其實(shí)質(zhì)就是要把教學(xué)過程和實(shí)踐緊密結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。可操作性是“教學(xué)做”一體化的另一重要特征。電腦鼠實(shí)踐教學(xué)能力培養(yǎng)特別強(qiáng)調(diào)可操作性，最終學(xué)生的能力也是體現(xiàn)在可操作性上的。

“魯班工坊”教學(xué)模式是中國職業(yè)教育教學(xué)模式理論與實(shí)踐的統(tǒng)一，在高技能人才培養(yǎng)中體現(xiàn)了學(xué)歷教育與技能培訓(xùn)形式合一。將“魯班工坊”教學(xué)模式運(yùn)用到中國職業(yè)教育上，能夠更好地解決學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)中產(chǎn)生的各類問題。

二、電腦鼠實(shí)踐教學(xué)能力培養(yǎng)體系

電腦鼠具有多學(xué)科知識融合的特點(diǎn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的綜合技術(shù)能力。由于電腦鼠裝置具有嵌入式控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動部件等部分，集多項(xiàng)工程學(xué)科知識于一體，因而電腦鼠實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目已成為電子信息類專業(yè)獨(dú)具特色的實(shí)踐類教學(xué)項(xiàng)目之一。

依據(jù)電腦鼠功能特點(diǎn)和需要，可將電腦鼠實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目分為硬件實(shí)踐、軟件實(shí)踐和創(chuàng)新性實(shí)踐三部分，通過三個(gè)不同層次的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)成所需要的實(shí)踐能力培養(yǎng)體系。

（一）電腦鼠硬件實(shí)踐能力模塊

電腦鼠實(shí)踐教學(xué)主要目標(biāo)是針對學(xué)生的軟硬件設(shè)計(jì)能力、系統(tǒng)規(guī)劃能力、創(chuàng)新能力進(jìn)行培養(yǎng)。電腦鼠硬件實(shí)踐能力模塊是電腦鼠設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。認(rèn)識電腦鼠的基本硬件結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)和掌握電腦鼠硬件之間是如何工作的，以電腦鼠實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為教學(xué)載體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)和科技創(chuàng)新能力。

1.主要教學(xué)內(nèi)容。電腦鼠硬件實(shí)踐能力模塊涉及較多的基礎(chǔ)性學(xué)科知識理論，需要學(xué)生在對電路分析、模擬電子線路、高頻電子線路等理論課程有較深的理解后，依據(jù)理論設(shè)計(jì)出硬件系統(tǒng)規(guī)劃所需要的模塊。主要涉及電路和機(jī)械兩部分內(nèi)容，熟悉電腦鼠硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，是電腦鼠電路制作系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2.主要教學(xué)目標(biāo)。電腦鼠硬件實(shí)踐能力模塊的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生分析電路和設(shè)計(jì)電路的能力，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的能力。通過對電機(jī)驅(qū)動、微處理器主控、傳感器、電腦鼠機(jī)械結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)與分析，加深對所學(xué)理論課程的理解，并將理論知識轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)能力，解決電腦鼠各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（二）電腦鼠軟件設(shè)計(jì)能力模塊

電腦鼠在迷宮中搜索是對未知環(huán)境的探索，而在沖刺階段是對已知路徑的規(guī)劃，因此電腦鼠在未知環(huán)境和已知環(huán)境下對控制能力的要求極其重要。在硬件電路差距越來越小的情況下，軟件設(shè)計(jì)便成為了核心要素。

1.主要教學(xué)內(nèi)容。嵌入式系統(tǒng)類課程的實(shí)踐能力主要體現(xiàn)于軟件設(shè)計(jì)能力，以完成電腦鼠一系列動作的指令編程。主要課程為單片機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、EDA、微機(jī)原理與接口、路徑搜索算法等理論課程。軟件設(shè)計(jì)能力是電腦鼠設(shè)計(jì)的核心。電腦鼠基本框架結(jié)構(gòu)大致可以劃分為傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分。

2.主要教學(xué)目標(biāo)。電腦鼠軟件設(shè)計(jì)能力模塊的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)規(guī)劃、嵌入式軟件設(shè)計(jì)、驅(qū)動設(shè)計(jì)等能力。具體軟件設(shè)計(jì)能力包括：電機(jī)驅(qū)動軟件、中斷模塊、紅外線檢測軟件、轉(zhuǎn)彎模塊、方向修正模塊等的設(shè)計(jì)，是電腦鼠完成任務(wù)的關(guān)鍵。

（三）電腦鼠創(chuàng)新實(shí)踐能力模塊

電腦鼠技術(shù)涉及電子、機(jī)械、運(yùn)動控制、人工智能和軟件工程等多門學(xué)科，模擬了生物學(xué)中肢體、感官和大腦的協(xié)調(diào)工作，對學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)賦予極大空間，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)，開闊思路，大膽實(shí)踐，挑戰(zhàn)自我。電腦鼠創(chuàng)新實(shí)踐能力模塊主要是圍繞智能迷宮搜索算法為電腦鼠選擇合適的運(yùn)行路徑展開，從而提高電腦鼠的運(yùn)行效率。

1.主要教學(xué)內(nèi)容。迷宮搜索算法是創(chuàng)新實(shí)踐部分的核心內(nèi)容，需要學(xué)生結(jié)合迷宮實(shí)際情況進(jìn)行算法融合，將不同算法進(jìn)行取長補(bǔ)短。路徑規(guī)劃是電腦鼠導(dǎo)航技術(shù)的重要部分，具有培養(yǎng)學(xué)生擁有更加突出的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性能力。探索迷宮通常有兩種策略方式：一是盡快到達(dá)目標(biāo)地；二是搜索整個(gè)迷宮。編寫電腦鼠搜索迷宮的基本方法所用程序，主要是左手法則算法和右手法則算法。

2.主要教學(xué)目標(biāo)。電腦鼠優(yōu)化算法，掌握電腦鼠競賽的規(guī)范，可以最快的速度完成迷宮搜索和最優(yōu)路徑選擇，學(xué)習(xí)以往電腦鼠競賽迷宮案例要點(diǎn)分析，為參加IEEE 國際標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠走迷宮大賽作好準(zhǔn)備。電腦鼠走迷宮大賽規(guī)則完成迷宮搜索和最優(yōu)路徑選擇，是考查一個(gè)系統(tǒng)對一個(gè)未知環(huán)境的探測、分析及決策能力的一種比賽。學(xué)習(xí)電腦鼠是如何智能選擇路徑的，設(shè)計(jì)出最優(yōu)路徑選擇程序。

三、“魯班工坊”教學(xué)模式對電腦鼠實(shí)踐教學(xué)能力培養(yǎng)的運(yùn)用

電腦鼠涉及傳感器檢測、人工智能、自動控制和機(jī)電運(yùn)動部件應(yīng)用等技能和綜合職業(yè)素養(yǎng)，電腦鼠實(shí)踐教學(xué)對學(xué)生設(shè)計(jì)能力、分析能力、創(chuàng)造性和創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)，提高電子信息類高素質(zhì)、高技能應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。如何實(shí)現(xiàn)學(xué)生這些能力的培養(yǎng)目標(biāo)，一直是實(shí)踐教學(xué)研究的課題。

（一）學(xué)生學(xué)習(xí)為主體，在做中教

“魯班工坊”“教學(xué)做”一體化教學(xué)模式的顯著特點(diǎn)就是實(shí)踐性。教學(xué)過程和實(shí)踐有機(jī)融合為一體，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，促進(jìn)學(xué)生的理論知識、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的提升。電腦鼠實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的過程就是“教學(xué)做”一體化的過程，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力的過程。整個(gè)實(shí)踐教學(xué)以學(xué)生為主體，以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，以任務(wù)驅(qū)動為手段，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練，提高學(xué)生實(shí)踐技能，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

1.做中教的目的。將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，形成學(xué)生主體模式。以硬件設(shè)計(jì)中的電路設(shè)計(jì)為例，學(xué)生在掌握理論知識后進(jìn)行實(shí)踐，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，將知識轉(zhuǎn)化為技能。做中教的目的：要求學(xué)生掌握對傳感器與嵌入式的關(guān)聯(lián)，能靈活安裝及調(diào)試不同的傳感器，具有一定的編寫程序能力。要求學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題，自主選擇知識，結(jié)合理論知識進(jìn)行實(shí)踐操作。通過研究分析，可以用各種方式去設(shè)計(jì)作品，發(fā)揮個(gè)人潛能，培訓(xùn)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，從而提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.做中教的內(nèi)容。通過聲控傳感器、紅外傳感器，編寫程序使電腦鼠隨著音樂跳舞，電腦鼠按規(guī)定路徑及要求完成系列動作。電腦鼠結(jié)合嵌入式系統(tǒng)、傳感器、控制等多方面技術(shù)，配以優(yōu)良程序的設(shè)計(jì)，可在不同的迷宮搜索中自動記憶和選擇路徑，快速到達(dá)指定目的地。

3.做中教的方法。設(shè)計(jì)不同級別難度并對應(yīng)不同得分，學(xué)生兩人一組，可自行選擇不同難易級別，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，教師啟發(fā)指導(dǎo)。學(xué)生有了創(chuàng)新改進(jìn)的想法，教師就要引導(dǎo)學(xué)生動手實(shí)踐，解決制作過程中遇到的問題，不要讓學(xué)生僅停留在思考層面，而要把學(xué)生的思維引向?qū)嵺`研究，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（二）競賽目標(biāo)為導(dǎo)向，在做中學(xué)

在電腦鼠競賽中，要使電腦鼠在千變?nèi)f化的迷宮中發(fā)揮優(yōu)越性就需要在機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)、運(yùn)動控制、控制算法等方面提高優(yōu)化設(shè)計(jì)能力。整個(gè)實(shí)踐過程是以學(xué)生為主體，圍繞教學(xué)內(nèi)容設(shè)置任務(wù)，讓學(xué)生自己動手，做中學(xué)既能提高教學(xué)效果，又能提高學(xué)習(xí)效果。

1.做中學(xué)的目的。電腦鼠是一個(gè)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)，以競賽為目標(biāo)，明確電腦鼠設(shè)計(jì)與控制技術(shù)難點(diǎn)，激勵學(xué)生學(xué)習(xí)。用理論指導(dǎo)實(shí)踐，用實(shí)踐驗(yàn)證理論，鼓勵學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐動手能力。做中學(xué)的目的：熟悉給定電腦鼠結(jié)構(gòu)組成及原理，熟練操控電腦鼠，根據(jù)比賽要求，以最短時(shí)間走出迷宮，能夠參加各級別電腦鼠走迷宮比賽。

2.做中學(xué)的內(nèi)容。熟悉給定電腦鼠結(jié)構(gòu)組成及原理，掌握電腦鼠傳感器調(diào)試及程序代碼編寫，根據(jù)比賽要求熟練操控電腦鼠。

3.做中學(xué)的方法。以競賽目標(biāo)為導(dǎo)向，在做中學(xué)。教學(xué)方法：學(xué)生分組，每組兩人。熟練掌握電腦鼠結(jié)構(gòu)原理、傳感器功能及調(diào)試、程序代碼的編寫；在迷宮上反復(fù)練習(xí)，能夠根據(jù)不同的迷宮調(diào)試傳感器、編寫修改程序；完成不同迷宮的訓(xùn)練，教師全程指導(dǎo)。

（三）設(shè)計(jì)制作為手段，在做中悟

電腦鼠實(shí)踐教學(xué)能力培養(yǎng)是將多個(gè)學(xué)科的知識綜合在一起，訓(xùn)練學(xué)生各種綜合性的實(shí)踐能力，提高學(xué)生在電子線路設(shè)計(jì)、嵌入式軟件編程和調(diào)試等方面的綜合能力。學(xué)生自主設(shè)計(jì)電腦鼠系統(tǒng)，培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

1.做中悟的目的。在前面對電腦鼠軟硬件性能熟練掌握的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)并制作電腦鼠，可先改進(jìn)現(xiàn)有電腦鼠，在此基礎(chǔ)上提出各自的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過對電腦鼠研發(fā)設(shè)計(jì)制作過程，培養(yǎng)學(xué)生“創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)造”能力。以學(xué)生的自主探究和動手制造為核心，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和問題解決能力，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)上，培養(yǎng)其設(shè)計(jì)能力、合作能力、動手實(shí)踐能力、問題解決能力和創(chuàng)新能力。鼓勵學(xué)生有創(chuàng)造性思維、批判性思維和實(shí)踐精神，激發(fā)創(chuàng)新的熱情。培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的意識與能力，才能適應(yīng)未來的變化，不斷豐富自己的能力結(jié)構(gòu)，以形成系統(tǒng)解決問題的能力。

2.做中悟的內(nèi)容。啟發(fā)學(xué)生針對現(xiàn)有電腦鼠性能及結(jié)構(gòu)存在的問題可分步驟進(jìn)行改進(jìn)，完善電腦鼠機(jī)械結(jié)構(gòu)，改進(jìn)硬件電路，選擇傳感器器件及相關(guān)器件，開發(fā)編寫底層代碼等。例如：電腦鼠在迷宮中的行走，可以簡化為直行和轉(zhuǎn)彎兩部分。學(xué)習(xí)智能鼠作直線的原理，學(xué)會控制智能鼠精確轉(zhuǎn)彎。電腦鼠動起來是靠電機(jī)驅(qū)動，通過一系列操作來實(shí)現(xiàn)電腦鼠直行，需要使用已經(jīng)調(diào)試好發(fā)射強(qiáng)度的紅外線傳感器。實(shí)現(xiàn)電腦鼠左右轉(zhuǎn)彎需要左右電機(jī)配合，電腦鼠轉(zhuǎn)彎角度是由兩個(gè)參數(shù)控制的，電機(jī)速度和轉(zhuǎn)彎時(shí)間。

3.做中悟的方法。以設(shè)計(jì)制作為手段在做中悟，通過不同專業(yè)學(xué)生自由結(jié)合成組（建議由機(jī)械、電子、軟件相配合）。電腦鼠已經(jīng)結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)、傳感器、控制等多方面技術(shù)，配以優(yōu)良程序的設(shè)計(jì)，使電腦鼠可在不同的迷宮搜索中自動記憶和選擇路徑，快速到達(dá)指定目的地。對現(xiàn)有電腦鼠分析存在問題提出改進(jìn)方案并進(jìn)行實(shí)施，對已完成現(xiàn)有改進(jìn)的小組可提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)電腦鼠方案，教師給予技術(shù)指導(dǎo)。

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中手腦并用，將理論知識與實(shí)踐操作貫穿于整個(gè)教學(xué)過程中，做到學(xué)以致用。電腦鼠每個(gè)實(shí)踐教學(xué)階段都有設(shè)計(jì)制作內(nèi)容，學(xué)生在設(shè)計(jì)制作調(diào)試的過程中，深刻理解理論原理，掌握制作技能，并針對復(fù)雜的實(shí)際情況優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決實(shí)際應(yīng)用問題。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，不但提高了學(xué)生的技能，而且拓展了創(chuàng)新思維。

總之，電腦鼠的研究為未來人工智能的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，電腦鼠實(shí)踐教學(xué)能力訓(xùn)練，為培養(yǎng)人工智能人才作出貢獻(xiàn)。運(yùn)用“魯班工坊”“教學(xué)做”一體化的教學(xué)模式，將多個(gè)學(xué)科相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生逐步完成各類實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，引領(lǐng)學(xué)生在國際賽事上脫穎而出，是中國職業(yè)教育領(lǐng)域上的突破?！棒敯喙し弧苯虒W(xué)模式不僅在電腦鼠實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目中起到積極推動作用，而且為中國職業(yè)教育“走出去”打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。