創(chuàng)客教育背景下轉型應用高校開源硬件實踐課程的設計與探索

劉少江 許志明 倪偉傳 王鳳 萬智萍

摘? 要：從創(chuàng)客到創(chuàng)客運動的蓬勃發(fā)展，推動了創(chuàng)客教育的廣泛開展和借助各類新興技術不斷演進。作為轉型應用高校在此背景下，以服務區(qū)域經(jīng)濟和培養(yǎng)應用型高技能人才為導向，加入到創(chuàng)新實踐教學改革的浪潮中，現(xiàn)代信息技術的融合和發(fā)展也促進了創(chuàng)客教育模式的快速發(fā)展，也成為高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實踐的改革方案，如何開展更有效的項目學習和實踐訓練，是其中最本質(zhì)的核心問題。開源硬件普及和發(fā)展正逐漸變成創(chuàng)新者有力的實踐工具，對創(chuàng)客教育的發(fā)展起到了積極和推動的作用，開源硬件在轉型應用型高校開展創(chuàng)客教育當中就扮演了最核心的角色，借助開源硬件修訂相關的人才培養(yǎng)計劃和設計課程的內(nèi)容具有充分必要性，以教師、學生、課程、項目等幾個方面探索基于創(chuàng)客教育的開源硬件實踐課程的設計。

關鍵詞：創(chuàng)客教育;開源硬件;實踐課程;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）09-0036-04

Abstract： From the innovator to the thriving movement of the innovator movement， it promoted the extensive development of innovator education and continued to evolve with the help of various emerging technologies. In this context， as a university for transformation and application， it is guided by the service of regional economy and the cultivation of applied high-skilled talents， and joined the wave of innovative practice teaching reform. The integration and development of modern information technology has also promoted the rapid development of the maker education model. It has also become a reform program for innovation and entrepreneurship education in colleges and universities. How to develop more effective project learning and practical training is one of the most essential core issues. The popularity and development of open source hardware is gradually becoming a powerful practical tool for innovators. It has played a positive and promoting role in the development of maker education. Open source hardware has played a central role in the launch of student education in transitional universities. The use of open source hardware to revise the contents of the relevant personnel training programs and design courses is necessary and sufficient， and teachers， students， courses， projects， and other aspects explore the design of open source hardware practice courses based on maker education.

Keywords： innovator education; open source hardware; practical courses; innovation and entrepreneurship education

2015年05月13日由國務院辦公廳發(fā)布的《國務院辦公廳關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》指出：高校應使創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力成為評價人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制，改革教學方法和考核方式，強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐[1]。作為地方轉型應用高校在推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育方面也存在很多問題，重視不夠，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念滯后，與專業(yè)教育結合不緊，與實踐脫節(jié)嚴重，產(chǎn)生的問題的原因是多方面，跟教師、教學方式、實踐平臺、體系的構建等具有密切關系?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展，3D打印技術的廣泛普及和開源平臺逐漸成熟，各類高新技術的涌現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，推動了全球創(chuàng)客運動的風靡，在創(chuàng)客運動的帶動下，創(chuàng)客教育從小學到大學各個層次均有開展，基于項目學習的STEAM 教育快速變遷到了創(chuàng)客教育，以MIT等國外名校為代表的創(chuàng)客教育把創(chuàng)新能力的培養(yǎng)推向了高潮。創(chuàng)客教育成為了信息技術使能的創(chuàng)新教育實踐場，形成以學生為中心和與實踐相結合的教育理念[2]。創(chuàng)客教育同樣適用于地方轉型應用高校，可以根據(jù)自身的條件建立實踐平臺，深化改革創(chuàng)新實踐教育[3]，特別是人才培養(yǎng)方案的修訂和課程的改革設計是夯實基礎的核心深化改革內(nèi)容，避免流于形式，教師需要加強創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的意識和實踐能力，在國內(nèi)如火如荼的雙創(chuàng)背景下，尤其要培養(yǎng)的學生的創(chuàng)客精神，教師需要引領創(chuàng)客文化在校園的開展，這也是創(chuàng)客教育的核心內(nèi)容。如何把創(chuàng)客教育落到實處，在地方應用型高校條件受限制的情況開展創(chuàng)新實踐教育，以最基本最核心的課程設計作為起點創(chuàng)造條件來推動專業(yè)課程的改革，培養(yǎng)學生的創(chuàng)客精神，通過創(chuàng)新實踐課程促進學生有想法就去做，而不是被動的接受教學知識。形成想法即動手，想法即嘗試，想法即實現(xiàn)的氛圍。

一、開源硬件的優(yōu)勢及對創(chuàng)客實踐教育的影響

開源硬件指與自由及開放源代碼軟件相同方式設計的計算機和電子硬件。開源硬件開始考慮對軟件以外的領域開源，是開源文化的一部分[4]。開源硬件的產(chǎn)生極大改變了創(chuàng)新的理念，硬件設計的公開以及社區(qū)的支持，形成了一種風靡全球的開源文化。在各類組織、團體和社區(qū)的組織下形成了以創(chuàng)客運動推動了多樣化的開源硬件產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，從低端到高端符合不同要求的產(chǎn)品推陳出新，在這樣的契機下，自然就影響到了創(chuàng)客教育，改變了傳統(tǒng)方式的創(chuàng)新，共享協(xié)作的創(chuàng)新方法快速引導創(chuàng)客們積極創(chuàng)新制造，創(chuàng)新變的更容易，獲取工具的價格越來越低廉，以各層次開源硬件開發(fā)的產(chǎn)品正改變和豐富著我們的生活，免費帶來的好處就是促進了創(chuàng)客的分享精神，以更快的方式促進了項目開展和完善，越來越多的創(chuàng)客項目出現(xiàn)在社區(qū)，這本身就是一種很好的教育資源，越來越多的人加入到項目學習當中，同時也分享自己的創(chuàng)新作品和技術。開源硬件已經(jīng)從上至下形成了完整產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，為不同目標的創(chuàng)客教育實踐提供了豐富的資源[5]。

二、開源硬件在創(chuàng)新實踐教學中的應用

開源硬件擁有豐富的資源和不斷積累的各類外設，免費持續(xù)更新的IDE平臺和庫文件和人氣極高的開源社區(qū)。以快速創(chuàng)新和協(xié)作開發(fā)促進創(chuàng)客教育，也推動了創(chuàng)新實踐教學的發(fā)展，特別是有豐富的產(chǎn)品線，從硬件設計到軟件開發(fā)平臺都可以免費獲得，可以說對培養(yǎng)學生入門的動手能力非常有幫助，完全不需要任何理論知識就可以快速上手，對從高中過渡到大學的學生是一種創(chuàng)新實踐入門的一種最有優(yōu)勢的銜接，也可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)客精神和推動校園創(chuàng)客文化的發(fā)展。

（一）修訂人才培養(yǎng)方案和開設基于開源硬件的創(chuàng)新實踐課程

傳統(tǒng)的工程技術類專業(yè)課程的人才培養(yǎng)方案都是通識課到專業(yè)基礎課最后到專業(yè)課的模式，在專業(yè)基礎課和專業(yè)課程中插入了實踐課程，本身不存在任何問題，但是培養(yǎng)方案的計劃忽略了學生在學習過程中狀態(tài)變化的因素，從低到高逐漸學習專業(yè)知識，一步一個腳印，在具備專業(yè)基礎知識的時候開始實驗實訓。這樣情況會出現(xiàn)學生因為過長時間打基礎學基礎知識，導致后勁乏力，到了創(chuàng)新實踐的階段動力不足，最后就變成完成實踐任務，澆滅了學習的熱情。從高中過渡到大學一開始學習專業(yè)課程也不現(xiàn)實，基礎的掌握很有必要，如何解決過渡的問題和貫穿大學四年的創(chuàng)新實踐教育，離不開因地制宜以及和適宜的人才培養(yǎng)方案，根據(jù)行業(yè)和技術的發(fā)展，以及創(chuàng)客教育的影響，需要適時的修訂人才培養(yǎng)方案，當然也需要防止為了跟潮流大刀闊斧的修改人才培養(yǎng)方案，在原有方案的大體知識體系培養(yǎng)的框架下，依據(jù)創(chuàng)客教育的理念修訂人才培養(yǎng)方案是最好的解決辦法。

在貫穿四年的大學創(chuàng)客教育中，要做到工程創(chuàng)新實踐教育不斷線，就需要合理建立相應的課程體系。關鍵就是從入校開始加強學生的動手能力，團隊協(xié)作能力，還有寫作、表達、溝通等能力，按照傳統(tǒng)的課程教育體系，在畢業(yè)后培養(yǎng)的人才會出現(xiàn)很多不適應性，因為時間的推移，反而對理論知識的掌握的程度不高，遺忘了很多知識點，沒有形成系統(tǒng)的體系，整體能力欠缺。其中一個很重要的因素就是動手太晚，缺乏對工程實踐的認識，那么引入開源硬件設置基礎的創(chuàng)新動手實踐課程就是一種很有效的辦法。因開源硬件的特性，剛好符合低成本、低空間等要求，也就是只需要配備最低限度的開源硬件產(chǎn)品和普通的實驗室場地就可以覆蓋所有的學生?？梢栽诖笠蝗雽W的第一學期，開設基于工程類的開源硬件基礎創(chuàng)新實踐課程，目的就是讓學生一入校早入實驗室早動手實踐，并不需要等掌握基礎專業(yè)知識之后才開始，這樣可以很好的銜接過來，也相當于工程導論課彌補了工程教育的不足和引導了學生對工程實踐的認知。先從大一的開源硬件基礎創(chuàng)新訓練課程開始作為切入點，之后每升一個年級就增加中階、高階到綜合的涉及到開源硬件的創(chuàng)新訓練課程。形成基于多種開源硬件的多層次創(chuàng)客實踐教育體系。

（二）根據(jù)需求選擇開源硬件平臺

全球目前流行的開源平臺包括：Arduino系列、樹莓派、Galileo（伽利略）開發(fā)板等，從基礎入門和使用的廣泛性一般選擇Arduino系列。Arduino包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）[6]。采用Arduino對剛入校的新生來說極易入門，可以快速上手完成各種項目，最重要的是其套裝價格低廉，作為首選開源硬件的入門級平臺放在大一第一學期，可以根據(jù)課程設置等情況后續(xù)年級可以選擇更多功能、更高端的開源平臺。

課程主要采用Arduino UNO版本，是入門和使用最廣泛的版本，UNO的處理器核心是ATmega328P，如圖1（a）所示，其帶USB接口的微型版本為如圖1（b）所示的Arduino Nano，當UNO版本的接口不夠用的時候采用Arduino Mega 2560版本如圖1（c）所示，Arduino/Genuino 101版本是Intel和Arduino聯(lián)手推出的開發(fā)平臺，搭載的主控制器為Intel Curie如圖1（d）所示，加入了藍牙、六軸加速度計與陀螺儀傳感器，相當于Arduino物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺[7]?？梢愿鶕?jù)實驗室的具體情況選擇UNO版本作為主要教學開發(fā)平臺，涉及到更高級的根據(jù)學生的情況放到課下或者后續(xù)的課程當中，以便于開發(fā)復雜度更高的項目。

（三）基于創(chuàng)客教育模式的創(chuàng)新實踐課程設計

針對剛入校的大一新生有必要早入實驗室早實踐早跟專業(yè)教師學習，以避免過多的基礎理論學習致使學生的熱情逐步降低對高年級的專業(yè)課程的學習造成一定的懈怠影響。開源硬件的學習因其容易上手和入門的特點特別適合應用于入校的學生激發(fā)一定的學科興趣愛好，還可以根據(jù)教學的難易度和學生的接受程度逐步使用較難較高的平臺。那么怎么設計創(chuàng)新實踐課程就有一定的要求，特別是對沒有基礎的新生，需要從電子元器件、簡單電路、仿真軟件到項目書的撰寫最后用Arduino平臺進行開發(fā)項目，形成第一個學期的實踐設計課程。如表1為基于創(chuàng)客教育模式的創(chuàng)新實踐基礎課程，根據(jù)學習情況，可以根據(jù)實驗室器材的具體情況按照初、中、高級方式在每個學年安排從基礎逐漸到高級應用的創(chuàng)新實踐課程。

后期擴展的平臺可以采用諸如樹莓派這樣的流行開發(fā)平臺，學習基于Liunx系統(tǒng)的項目開發(fā)，如圖2為樹莓派model B+開發(fā)板。還可以采用STM32 NUCLEO開發(fā)平臺，具有mbed功能支持Arduino接口，兼容Arduino巨大生態(tài)系統(tǒng)的各種Shield擴展板能夠利用mbed開源軟件平臺、在線工具和mbed.org的合作基礎設施開發(fā)創(chuàng)新應用[8]。如圖3為STM32F401 Nucleo開發(fā)板。

（四）開源硬件創(chuàng)新課程對后續(xù)學習的影響

開設開源硬件創(chuàng)新課程對工科專業(yè)的學生可以在沒有基礎的情況下入學開展實踐訓練，涉及到的硬件、軟件可以讓學生更快的接觸到，通過開源平臺快速完成項目也是一種有效的手段，也促進學生學習專業(yè)基礎課程的興趣，開源平臺具有強大的生態(tài)系統(tǒng)，各類應用比較成熟，上手快，資源多，學生課下以較低成本完成項目開發(fā)。在后續(xù)的基礎專業(yè)課程的學習中是透過現(xiàn)象看本質(zhì)，學習工作原理，這樣以先實踐再學習的方式激發(fā)學生的學習熱情，避免讓學生對過多的理論學習產(chǎn)生倦怠。通過創(chuàng)新課程做到有效銜接每個學年，采取理論與實踐并重的方式教學。在各專業(yè)的課程學習中都可以引入開源硬件平臺，為后續(xù)的專業(yè)課程打下基礎，如物聯(lián)網(wǎng)和機器人方面的課程體系，利用開源硬件快速開發(fā)簡易項目，為深入學習積累必要的實踐經(jīng)驗。

三、結束語

開源硬件是一種創(chuàng)新方式和理念的拓展，基于這種創(chuàng)新理念形成了強大的生態(tài)系統(tǒng)，以分享的方式促進了創(chuàng)客教育，反過來創(chuàng)客運動又帶動了開源硬件的蓬勃發(fā)展，在學習和開發(fā)方面具有成本低、快捷方便等優(yōu)勢，非常適合各類學科和沒有基礎的學生，引入開源硬件設計創(chuàng)新實踐教學具有一定的積極作用，特別是在轉型應用型高校強調(diào)的培養(yǎng)技術技能型復合人才的背景下更是具有推動作用，在創(chuàng)客教育的背景下融入開源硬件促進實踐教學以及設計更有效的實踐教學模式是一種理念的革新，以開源硬件作為杠桿發(fā)揮出創(chuàng)客教育的更大的優(yōu)勢。

參考文獻：

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[3]郭聯(lián)金，王國勝，萬松峰.以創(chuàng)客教育構建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)新生態(tài)[J]. 實驗技術與管理，2016，33（5）：170-173.

[4]維基百科[EB/OL].https：//zh.wikipedia.org/wiki/%E9%96%8B%E6%BA%90%E7%A1%AC%E4%BB%B6，2016-1-4.

[5]雒亮，祝智庭.開源硬件：撬動創(chuàng)客教育實踐的杠桿[J].中國電化教育，2015（4）：7-14.

[6]百度百科[EB/OL].http：//baike.baidu.com/item/Arduino.

[7]Arduino官網(wǎng)[EB/OL].https：//www.arduino.cc/.

[8]意法半導體官網(wǎng)[EB/OL].http：//www.st.com/en/evaluation-tools/stm32-mcu-nucleo.html？querycriteria=productId=LN1847.