工程實踐創(chuàng)新項目智能鼠賽教互動人才培養(yǎng)

宋立紅 高藝

【摘? 要】智能鼠走迷宮是工程實踐創(chuàng)新項目教學模式的載體，智能鼠研發(fā)設計制作過程充分鍛煉了學生的“創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)造”精神。本文基于工程實踐創(chuàng)新項目教學模式，以智能鼠教學和競賽為例，提出了系統(tǒng)化人才培養(yǎng)策略模型，并結(jié)合具體的實踐學習內(nèi)容，展現(xiàn)其模型的實踐操作。

【關鍵詞】工程實踐創(chuàng)新項目;智能鼠走迷宮大賽;人才培養(yǎng)

EPIP 是Engineering（工程）、Practice（實踐）、Innovation（創(chuàng)新）、Project（項目）四個英文單詞首寫字母的縮寫。EPIP的提出來源于人們創(chuàng)新實踐的邏輯路徑。所有的創(chuàng)新實踐，都是人們首先了解、學習先前的工程項目，然后進行工程實踐，在實踐中觀察、發(fā)現(xiàn)問題，最后應用技術技能創(chuàng)新性地解決工程實踐問題。

EPIP工程教學模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，是“做中學”（do and learning）和“基于項目教育和學習”（Project based education and learning）的集中概括和抽象表達。它以工程項目（包括產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng)）從研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學生以主動、實踐、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。它是一種先進的教育理念，代表了國際工程教育的發(fā)展方向，回答了現(xiàn)代工程師究竟需要具備哪些知識、能力和素養(yǎng);工程教育又應當如何使學生具備這些知識、能力和素質(zhì)的問題。

IEEE國際標準智能鼠走迷宮競賽風靡全球40余年，采用國際電工電子學會統(tǒng)一標準。自創(chuàng)辦以來，每年都會舉辦高水平的大賽，目前，這項競賽在美國、英國、日本、韓國、新加坡、葡萄牙等國家頗為盛行。智能鼠走迷宮是EPIP教學模式的典型載體，智能鼠研發(fā)設計制作過程充分鍛煉了學生的“創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)造”精神，鼓勵學生有創(chuàng)造性思維、批判性思維和實踐精神，激發(fā)學生創(chuàng)新的激情。

一、EPIP教學模式

EPIP教學模式是以實際工程為背景，以工程實踐為導向，以能力培養(yǎng)為目標，以工程項目為統(tǒng)領的技術技能型人才培養(yǎng)模式。實施EPIP是從實際工程介紹開始，在工程背景下展開實踐活動，再在工程實踐基礎上不斷創(chuàng)新。

（一）EPIP與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

基于EPIP的教育模式，可以培養(yǎng)學生的好奇心、求知欲，幫助學生自主學習、獨立思考，保護學生的探索精神，發(fā)展學生的創(chuàng)新思維。創(chuàng)新既是一個過程，也是一個結(jié)果。創(chuàng)新需要深厚的實踐積累。

在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過程中，需要注意以下幾點：

1.創(chuàng)新本身不可以培養(yǎng)，但是創(chuàng)新思維可以培養(yǎng)。

這就是“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、總結(jié)問題”，從而培養(yǎng)“大膽聯(lián)系、大膽改變、大膽附體、大膽變向、大膽反對”等多種思維方法。正如老子所講“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”所謂“三生萬物”，我們就可理解為創(chuàng)新。

2.創(chuàng)新是需要基礎的。

人不能不會走而先會跑，任何事情都要有基礎，創(chuàng)新也是一樣。以目前火爆的共享單車為例，在自行車發(fā)明以前，是不可能有“共享單車”這個概念的，如果沒有GPS定位技術和互聯(lián)網(wǎng)技術，也不可能有共享單車，如果沒有互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，共享單車就不會有大規(guī)模融資，更沒有機會進行廣泛推廣。

3.創(chuàng)新的激情、創(chuàng)新的興趣是需要培養(yǎng)的。

對大多數(shù)人而言，激情與興趣都是短暫的，無法持久，無法堅持。只有不斷地成功，不斷地受到周圍人的認可，不斷地得到表揚與鼓勵，才能把短暫的堅持轉(zhuǎn)化為長久的堅持，才能集小勝為大勝。

4.創(chuàng)新教育是長期的、貫通的。

學生創(chuàng)新能力、實踐能力和綜合能力的培養(yǎng)是一個長期的、循序漸進的過程，不是一朝一夕就能達到的。因此，必須有意識地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐意識、科學素養(yǎng)、工程素養(yǎng)以及團隊合作意識，激發(fā)與保護學生的學習興趣與探索意識，將學生的“要我學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W”，從而達到創(chuàng)造快樂的素質(zhì)教育目的。

（二）EPIP教學模式實踐

EPIP教學模式以實際工程項目為導引，需要建立一個從簡單工程到復雜工程的教育環(huán)境和載體，鍛煉學生的自主學習能力、分析能力和觀察能力;以實踐應用為導向，從實踐中來，到實踐中去，利用搭建的工程教育環(huán)境和載體，真題真做、真題重做、真題仿做，在實踐中學習，在團隊中學習;以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標，通過工程項目讓學生感興趣，并自覺地、主動地觀察、思考、探究工程項目，發(fā)揮學生主觀能動性;以項目實踐為統(tǒng)領，通過EPIP統(tǒng)領構(gòu)建工程技術環(huán)境和載體，體驗合作開發(fā)產(chǎn)品的“構(gòu)想—設計—實施—操作”全過程，貫穿工程實踐能力、溝通能力、管理能力、團隊合作能力等工程思維和素養(yǎng)培養(yǎng)，進而培養(yǎng)學生的工程實踐創(chuàng)新能力。在培養(yǎng)過程中，要將科學探究的四個過程——“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、總結(jié)問題”貫穿始終。

在EPIP工程實踐創(chuàng)新項目教學模式中，每個項目都按照單元方式，以問題導向、工程統(tǒng)領、實化教學、激活現(xiàn)有、過程評價、激活師生6個步驟進行，讓學生體驗教無定法、教而有道的先進教學模式。

二、智能鼠創(chuàng)新實踐教學

（一）教學平臺

智能鼠走迷宮競賽作為實訓教學和學生創(chuàng)新競賽的媒介載體，在充分體現(xiàn)光機電結(jié)合、軟硬件結(jié)合、控制與機械結(jié)合，演繹“工程”課程概念的同時，延伸和擴展了“創(chuàng)新”課程的理念，使得學生的學習內(nèi)容和教師的授課方式都有了全新的內(nèi)涵，真正著眼于綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，創(chuàng)造快樂素質(zhì)教育。智能鼠自成一個獨立的系統(tǒng)，可以在迷宮中自動記憶路徑、選擇路徑，它包含傳感器、電機、核心電路等部分。

1.核心控制單元。

核心控制單元采用國際開源Arduino軟硬件平臺。CPU采用高性能、低功耗的AVR ATmega328P微控制器，內(nèi)置藍牙模塊最大支持14路數(shù)字信號、6路模擬信號輸出兼容PWM輸出。Arduino對于初學者來說，極易掌握，同時有著足夠的靈活性，不需要太多的單片機基礎、編程基礎。Arduino使開發(fā)者更關注創(chuàng)意與實現(xiàn)，能更快地完成自己的項目開發(fā)，大大節(jié)約了學習成本，縮短了開發(fā)周期。

2.人機交互單元。

人機交互單元控制模塊集成了高品質(zhì)無線藍牙模塊，通信距離最遠可達10米，配套有TQD手機藍牙APP，方便用戶與設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。APP在線手機調(diào)試靈活快捷、精準有效。

3.電機驅(qū)動單元。

電機驅(qū)動單元采用升級版高品質(zhì)鋼齒輪N20減速電機和L298N驅(qū)動電路，采用PWM方式控制電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)電腦鼠的運動控制。

4.紅外檢測單元。

紅外檢測單元采用了反射式光電傳感器。每個智能鼠共有5組紅外線傳感器，每組紅外線傳感器由紅外線發(fā)射和紅外線接收組成。正前方的傳感器可以檢測前方是否有障礙物，從而實現(xiàn)避障。左前端和右前端兩個傳感器可以用來檢測迷宮通道的隔墻信息，起到校正車姿作用。左后端和右后端兩個傳感器用來檢測當前迷宮位置是否有路口，是否可以進行轉(zhuǎn)彎。

5.智能鼠專用測試場地。

為了讓學生能更好地進行學習，我們在教學中還采用了專用的傳感器測試場地。

（二）教學內(nèi)容

通過完成智能鼠組裝、電機調(diào)試、傳感器調(diào)試、運動姿態(tài)調(diào)試、迷宮算法、智能鼠高級控制六個項目，最終完成項目并取得成果。智能鼠走迷宮競賽的每個單元都按照項目單元編寫方式，讓教學者和學習者了解、體驗工程實踐創(chuàng)新的教學和學習方式，豐富學習者的工程實踐知識、經(jīng)驗和技術應用，拓展學習者的專業(yè)視野，形成良好的職業(yè)素養(yǎng)，提升學習者的實踐創(chuàng)新能力。

（三）教學成果

經(jīng)過多年的努力，基于EPIP智能鼠賽教互動的人才培養(yǎng)模式，通過智能鼠走進課堂融入教學和相關競賽的開展，得到了師生的廣泛關注和認可。

天津市第一輕工業(yè)學校、天津市復興中學攜手天津啟誠偉業(yè)科技有限公司，積極響應國家現(xiàn)代職業(yè)教育改革創(chuàng)新示范區(qū)建設的任務要求和號召，于2015年舉辦首屆普職融通工程實踐創(chuàng)新試點培訓班，來自天津市紅橋區(qū)、河北區(qū)所屬中學的學生們認真聆聽專家的講解，并通過智能鼠教學平臺深入理解普職融通工程實踐創(chuàng)新項目。

2016年至2018年， 在天津市中等職業(yè)學校學生技能競賽中連續(xù)三屆設立普職融通EPIP國際挑戰(zhàn)賽，其中智能鼠競賽項目受到了眾多中職學校和普通中學師生的關注。來自天津市儀表無線電工業(yè)學校、天津市復興中學等參賽隊，與來自魯班工坊的英國、泰國選手同場競技，充分發(fā)揮了學生們的創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)造能力，團結(jié)協(xié)作地完成了智能鼠競賽。EPIP工程實踐創(chuàng)新項目作為天津職業(yè)教育改革創(chuàng)新示范區(qū)優(yōu)秀職教成果，走進課堂融入教學，以競賽形式引領教育教學發(fā)展。

從2016年3月開始，工程實踐創(chuàng)新項目作為國際知名品牌——魯班工坊的核心教學模式，按照共商、共研、共建、共享、共贏的“五共”原則，伴隨著“一帶一路”的發(fā)展走出國門，在泰國、印度、印度尼西亞、巴基斯坦、柬埔寨、葡萄牙等國家，以智能鼠走迷宮競賽平臺作為通用教學平臺，開展學歷教育和職業(yè)培訓，激發(fā)了當?shù)芈殬I(yè)院校的辦學活力，為“一帶一路”建設培養(yǎng)本土化的技術技能人才。

三、結(jié)束語

基于EPIP教學模式，以智能鼠為載體，提出了系統(tǒng)化人才培養(yǎng)策略模型，并結(jié)合具體的實踐學習內(nèi)容，展現(xiàn)其模型的實踐操作，是一種非常有意義的實踐探索。從中國制造到中國創(chuàng)造之路任重道遠，通過基于EPIP教學模式的系統(tǒng)化人才培養(yǎng)可以盡快培養(yǎng)、造就一大批高質(zhì)量、多層次、具有工程意識與智能控制技術的應用型技術技能人才。同時，通過EPIP國際化交流，我國將幫助“一帶一路”國家培養(yǎng)更多的技術專業(yè)人才，助力“一帶一路”國家發(fā)展。

（責任編輯? 吳淑媛）

[參考文獻]

[1]呂景泉，湯曉華，史艷霞.工程實踐創(chuàng)新項目（EPIP）教學模式的研究與實踐[J].中國職業(yè)技術教育，2017（5）.

[2]呂景泉，楊延，芮福宏等.“魯班工坊”——職業(yè)教育國際化發(fā)展的新支點[J].中國職業(yè)技術教育，2017（1）.

[3]呂景泉，米靖.開啟中國特色職業(yè)教育的創(chuàng)新之路[J].中國職業(yè)技術教育，2017（16）：81-85.

[4]呂景泉.EPIP職業(yè)教育教學模式：改造我們的學習[M].北京：高等教育出版社，2019.

[5]Mishra S，Bande P.Maze Solving Algorithms for Micro Mouse[C].IEEE International Conference on Signal Image Technology & Internet Based Systems.IEEE Computer Society，2008.

[6]Cai J，Wan X，Huo M，et al.An Algorithm of Micromouse Maze Solving[C].2010 10th IEEE International Conference on Computer and Information Technology（CIT 2010）.IEEE Computer Society，2010.

[7]Zhang H M，Peh L S，Wang Y H.Study on Flood-Fill Algorithm Used in Micromouse Solving Maze[J].Applied Mechanics and Materials，2014，599-601：1981-1984

[8]Jiang X，Xin D，Wu G，et al.The Platform Design that Simulates the Micromouse Move in the Maze[C].Second International Conference on Intelligent System Design & Engineering Application.IEEE Computer Society，2012.

[9]ChangshengG，Tao G，Long L.A solving algorithm for micromouse maze[J].Journal of Huazhong University of Science&Technology，2013.

[10]Zhang H M，Peh L S，Wang Y H.Motion Control Software for Micromouse Based on LM629[J].Advanced Materials Research，2014，971-973：4.

[11]Su J H，Cai X H，Lee C S，et al.The development of a half-size micromouse and its application in mobile robot education[C].International Conference on Advanced Robotics & Intelligent Systems.IEEE，2017.

[12]Jie Z，Xue bing L，Hao Z.Design of DC Drive Micromouse Based on STM32F103[J].Journal of Jishou University（Natural Sciences Edition），2015.

[13]Gupta B，Sehgal S.2014 5th International Conference-Confluence The Next Generation Information Technology Summit（Confluence）-Survey on techniques used in Autonomous Maze Solving Robot[J].2014：323-328.

[作者簡介]宋立紅，女，1969年生人，天津啟誠偉業(yè)科技有限公司總經(jīng)理、啟誠電腦鼠創(chuàng)始人。主要研究方向為AI Micromouse系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制與檢測。

高藝，男，1979年生人，博士研究生。主要研究方向為無人機系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制與檢測。