創(chuàng)新2.0模式下開源創(chuàng)新教育的電子認(rèn)知實(shí)習(xí)改革探索與實(shí)踐

李?yuàn)　≡S金　　葉懋

［摘 要］文章基于創(chuàng)新2.0模式，結(jié)合電子認(rèn)知實(shí)習(xí)現(xiàn)狀，探索實(shí)踐型課程的開源創(chuàng)新教育改革。文章引入“共享、開放、協(xié)作”的思想，以共同創(chuàng)新、開放創(chuàng)新為教學(xué)目標(biāo)，提出通過教學(xué)內(nèi)容的開源設(shè)計(jì)與教學(xué)方法的應(yīng)用創(chuàng)新形成雙螺旋呼應(yīng)，輔以教學(xué)過程的良性互動(dòng)，構(gòu)建開源創(chuàng)新“三部曲”，實(shí)現(xiàn)開源創(chuàng)新教育實(shí)踐教學(xué)新生態(tài)。課程改革旨在由淺入深、循序漸進(jìn)地培養(yǎng)和提高學(xué)生的開源創(chuàng)新意識(shí)及分析解決實(shí)際問題的能力，加速推進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)新常態(tài)在實(shí)踐教學(xué)中的演變。

［關(guān)鍵詞］創(chuàng)新2.0；開源；電子認(rèn)知；實(shí)踐教學(xué)

［中圖分類號(hào)］G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2024）01-0061-04

一、改革背景分析

創(chuàng)新2.0（Innovation 2.0）模式是知識(shí)社會(huì)條件下，以人為本、以社會(huì)實(shí)踐為平臺(tái)、以協(xié)同創(chuàng)新和開放創(chuàng)新為特點(diǎn)[1]、用戶參與的新型創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)模式。LivingLab、FabLab、Wiki、Crowdsourcing等為其典型代表[2]，其核心在于強(qiáng)調(diào)“人人創(chuàng)新”“大眾創(chuàng)新”，通過搭建共同創(chuàng)新、開放創(chuàng)新的應(yīng)用創(chuàng)新平臺(tái)，建立以用戶為中心、面向服務(wù)、開放協(xié)同的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)新常態(tài)[1]。

作為桂林電子科技大學(xué)（以下簡稱本校）電子工程與自動(dòng)化學(xué)院的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，電子工程訓(xùn)練中心主要承擔(dān)著學(xué)校工科專業(yè)學(xué)生的電子工藝實(shí)習(xí)基礎(chǔ)教學(xué)和電子產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作指導(dǎo)任務(wù)，開設(shè)有多門電子工程實(shí)踐性教學(xué)課程[3]。其中，電子認(rèn)知實(shí)習(xí)是本校為電子信息類及相關(guān)專業(yè)新生開設(shè)的一門先導(dǎo)性公共基礎(chǔ)實(shí)踐類課程，設(shè)課目的是通過貼近現(xiàn)代工程實(shí)際的小型電子產(chǎn)品裝配實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，使學(xué)生對(duì)電子基本知識(shí)形成初步的認(rèn)知。本課程作為國內(nèi)高校電工類專業(yè)普遍設(shè)置的基礎(chǔ)實(shí)踐類課程，是本科學(xué)生入學(xué)后接觸的第一門電子實(shí)踐類課程，在大學(xué)生素質(zhì)教育環(huán)節(jié)中具有公認(rèn)的重要性，更能在學(xué)生的電子技術(shù)興趣和工程創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)的啟蒙階段起到向?qū)缘淖饔?，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定概念化基礎(chǔ)。同時(shí)，本課程作為一門重要的基礎(chǔ)實(shí)踐通識(shí)課程，對(duì)提高學(xué)生的電子工程實(shí)踐能力和理論聯(lián)系實(shí)際能力有著重要的作用[4]。

本文以創(chuàng)新2.0模式為基礎(chǔ)，提出了創(chuàng)新2.0模式下針對(duì)電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程的開源創(chuàng)新教育改革方法，旨在為實(shí)踐型實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入“共享、開放、協(xié)作”的思想，充分開發(fā)學(xué)生的開源多元?jiǎng)?chuàng)新思維，提升學(xué)生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力，為培養(yǎng)具有一定實(shí)踐能力的創(chuàng)新復(fù)合型人才提供有力支撐，推進(jìn)創(chuàng)新2.0模式在實(shí)踐教學(xué)中新常態(tài)的演變。

二、課程改革總體方案

緊緊圍繞本校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，依托國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的硬件設(shè)施條件，電子工程訓(xùn)練中心從基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)踐教學(xué)到廣西漓江學(xué)堂網(wǎng)絡(luò)開放教學(xué)，從創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)到創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)踐等方面，提供了一套完整的創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案。但隨著創(chuàng)新2.0模式的演變，面向大一新生開設(shè)的電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程在創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)、創(chuàng)新思想啟蒙方面有待加強(qiáng)。鑒于該課程教學(xué)現(xiàn)狀，課程組以教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法為突破口，結(jié)合創(chuàng)新2.0模式內(nèi)涵提出“開源創(chuàng)新教育”。課程改革總體方案如圖1所示，通過將Arduino開源硬件引入課程開展開源教學(xué)，在教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新，探索生生、師生間良好的互動(dòng)形式，形成有利于創(chuàng)新涌現(xiàn)的開源創(chuàng)新教育“三部曲”模式，由淺入深、循序漸進(jìn)地培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，為整個(gè)創(chuàng)新教育體系鋪好奠基石，完善電子實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系。

三、開源硬件平臺(tái)開發(fā)與教學(xué)過程設(shè)計(jì)

開源創(chuàng)新教育“三部曲”第一步，將Arduino開源硬件引入課程，使課堂像眾創(chuàng)空間一樣，在資源、技術(shù)和知識(shí)等方面有選擇性、開放性和共享性，學(xué)生可以根據(jù)興趣愛好選擇設(shè)備、材料和模塊，通過分享經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)，共享知識(shí)和資源，共同完成創(chuàng)新項(xiàng)目。第二步，在課程的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和評(píng)價(jià)體系等方面提出創(chuàng)新性的改革，變測量性實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)，將學(xué)生變?yōu)檎n程中的創(chuàng)新主體，實(shí)現(xiàn)“人人創(chuàng)新”。第三步，在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)過程中探索“橫向”（學(xué)生之間、師生之間）和“縱向”（不同實(shí)驗(yàn)批次學(xué)生之間）兩方面的良性互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作、多元、分享甚至跨界的思想，強(qiáng)調(diào)知識(shí)分享和實(shí)體互動(dòng)。

（一）開源硬件平臺(tái)選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)

Arduino UNO是開源硬件陣營中最常見、應(yīng)用最廣泛的一款開源平臺(tái)，因其易用性和擴(kuò)展性，被廣泛用于設(shè)計(jì)師的初期模型、工程師的硬件驗(yàn)證平臺(tái)、手工制造者的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)原型。在電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程中開展開源創(chuàng)新教育，引入較成熟的開源硬件Arduino方案可提高課程的普適性。但由于Arduino本土生產(chǎn)化較難，因此課程組以Arduino UNO開源硬件為模板，設(shè)計(jì)一款面向?qū)嵺`教學(xué)的開源硬件平臺(tái)。此平臺(tái)一方面需從接口、功能兼容、器件采購等方面擇優(yōu)選用適合于初學(xué)者的方案，另一方面需考慮能夠使用實(shí)訓(xùn)環(huán)境中現(xiàn)有的設(shè)備實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。根據(jù)本校電子工程訓(xùn)練中心SMT生產(chǎn)線設(shè)備的精度，結(jié)合本校電類專業(yè)特色，采用“研究—實(shí)踐—優(yōu)化”的設(shè)計(jì)路線，在Arduino系列開源硬件的基礎(chǔ)上，對(duì)Arduino UNO標(biāo)準(zhǔn)版進(jìn)行兼容化、簡單化、本土化改進(jìn)。首先，大一新生是手工焊接工藝的初學(xué)者，需考慮其能否使用普通電烙鐵對(duì)開源硬件平臺(tái)進(jìn)行電路檢修；其次，制造工藝流程方面，需考慮能否利用普通自動(dòng)貼片機(jī)和回流焊進(jìn)行小批量的生產(chǎn)；最后，需設(shè)計(jì)活動(dòng)型、擴(kuò)展型、模塊型教學(xué)內(nèi)容，能針對(duì)不同專業(yè)靈活改變教學(xué)內(nèi)容。鑒于上述需求，課程組以官方Arduino UNO為模板，設(shè)計(jì)了GDuino UNO，其兼容官方Arduino UNO板子，可以使用相同的第三方模塊進(jìn)行功能擴(kuò)展。

（二）教學(xué)過程設(shè)計(jì)方案

下文具體探索在電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程中，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行Arduino應(yīng)用創(chuàng)新。在電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程中引入開源教學(xué)后，教學(xué)過程分為演示—制造—實(shí)踐—驗(yàn)收四級(jí)應(yīng)用進(jìn)階創(chuàng)新模式[3]。課程組通過自主開發(fā)設(shè)計(jì)GDuino開源硬件的樣例作品演示，錄制課堂演示案例，變測量性實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能及學(xué)習(xí)主動(dòng)性，以學(xué)生興趣為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)。在教學(xué)過程中，添加硬件實(shí)踐過程，使學(xué)生從認(rèn)知到熟悉再到使用，循序漸進(jìn)。以學(xué)生自制的GDuino開發(fā)電路板為基礎(chǔ)，課程組設(shè)計(jì)了五個(gè)循序漸進(jìn)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，要求學(xué)生基于GDuino平臺(tái)完成硬件搭建和軟件編程，以最少課時(shí)完成了軟件編程入門的教學(xué)目標(biāo)。

1.演示創(chuàng)新

通過GDuino UNO開源硬件的樣例形成課堂演示案例，為學(xué)生解惑（GDuino是什么？它能做什么？），由此將學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)從“課程最后要我交什么”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙肎Duino做什么”，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。將Arduino編程入門和學(xué)生創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)的部分有機(jī)地劃分為興趣演示、編程入門以及創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)等環(huán)節(jié)。面向電子類專業(yè)學(xué)生，重在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電子技術(shù)、光電信息技術(shù)、控制技術(shù)的認(rèn)知能力，演示階段的作品可選取專業(yè)性和趣味性都較強(qiáng)的項(xiàng)目；針對(duì)非電類專業(yè)學(xué)生，應(yīng)重點(diǎn)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意和想法，演示階段的作品可選擇形象化、創(chuàng)意性較強(qiáng)的作品；而針對(duì)機(jī)電專業(yè)學(xué)生，為使學(xué)生更充分地了解專業(yè)定向、引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)機(jī)電結(jié)合的應(yīng)用場合，演示階段的作品可選擇機(jī)電結(jié)合的項(xiàng)目[3]。

2.制造創(chuàng)新

增設(shè)GDuino UNO的SMT工藝制造實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生了解開源硬件的元器件選型、電路設(shè)計(jì)、布局規(guī)劃和生產(chǎn)工藝等。學(xué)生通過裝配環(huán)節(jié)，不僅能認(rèn)知常用的電子元器件、學(xué)會(huì)常規(guī)參數(shù)測量方法、熟悉傳統(tǒng)焊接和SMT焊接工藝、體驗(yàn)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過程及裝配工藝和方法，而且能從元器件級(jí)了解Arduino開發(fā)板的硬件組成，增強(qiáng)對(duì)開源硬件的感性認(rèn)識(shí)。在本環(huán)節(jié)中，為強(qiáng)調(diào)學(xué)生基礎(chǔ)技能的培養(yǎng)，強(qiáng)化SOP封裝芯片的拆焊訓(xùn)練，既能鍛煉學(xué)生手工維修SMT線上瑕疵產(chǎn)品的能力，也能為后續(xù)實(shí)驗(yàn)、競賽提供必要的支撐。

3.實(shí)踐創(chuàng)新

在GDuino開發(fā)實(shí)戰(zhàn)環(huán)節(jié)中，利用易上手的GDuino開源硬件，引導(dǎo)學(xué)生逐步熟悉各模塊功能?；诮档屯庠O(shè)硬件使用難度、基本覆蓋常用語句和使用方法的思想，實(shí)踐項(xiàng)目需突出模塊化、層次化的特點(diǎn)，由易到難、由既定到拓展地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。課程包含五個(gè)循序漸進(jìn)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，要求學(xué)生基于GDuino平臺(tái)完成硬件搭建和軟件編程。課程設(shè)置“LED閃爍”“按鍵控制LED”“LCD1602顯示”“數(shù)字溫度器”“可見光參數(shù)檢測”五個(gè)由淺入深的基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，分別從理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)硬件連接圖、實(shí)驗(yàn)效果等方面進(jìn)行教學(xué)，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生由簡入繁地學(xué)習(xí)使用Arduino開源硬件。教師在學(xué)生掌握工作原理的前提下，讓學(xué)生設(shè)計(jì)外圍電路，以共享資源庫為基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)科知識(shí)，完成創(chuàng)意功能性作品，比如互聯(lián)網(wǎng)花盆、數(shù)控平臺(tái)、四軸飛行器等。無論是基礎(chǔ)入門的“LED閃爍”實(shí)驗(yàn)，還是中期的綜合性實(shí)操項(xiàng)目，以及最后不受約束的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，都較好地避免了直接學(xué)習(xí)語言代碼的單一乏味[5]。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入每個(gè)項(xiàng)目的思考過程、實(shí)現(xiàn)過程以及發(fā)現(xiàn)并解決問題的過程，將學(xué)生從課堂的“聽眾”轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)思考過程與實(shí)現(xiàn)過程的積極參與人。

4.驗(yàn)收創(chuàng)新

課程總成績由占比20%的平時(shí)成績和占比80%的作品成績組成，作品驗(yàn)收不以固定的作品對(duì)學(xué)生的能力進(jìn)行檢驗(yàn)，而是選擇不受約束的創(chuàng)意設(shè)計(jì)方式。學(xué)生可以選擇單人獨(dú)立完成一項(xiàng)作品，也可以選擇以團(tuán)隊(duì)形式完成一項(xiàng)創(chuàng)意作品，由權(quán)重20%的學(xué)生自行評(píng)分、權(quán)重40%的大眾評(píng)分和權(quán)重40%的教師評(píng)分構(gòu)成新的評(píng)價(jià)模式，綜合三者形成學(xué)生作品的最終成績。最后根據(jù)各組學(xué)生實(shí)際操作情況及實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想的學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo)。

（三）多維良性互動(dòng)評(píng)價(jià)機(jī)制

在課程改革實(shí)施過程中，采用“橫向互動(dòng)”和“縱向互動(dòng)”的方式實(shí)現(xiàn)良性互動(dòng)，使學(xué)生將課堂知識(shí)融會(huì)貫通?！皺M向互動(dòng)”主要是生生間和師生間的互動(dòng)，“縱向互動(dòng)”則是在不同批次、不同專業(yè)的學(xué)生間形成的互動(dòng)。

1.學(xué)生間良性互動(dòng)

為了使電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程適應(yīng)相關(guān)專業(yè)學(xué)生需求、消除學(xué)生對(duì)代碼的畏懼，教師在眾多小組創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)中明確不同團(tuán)隊(duì)分工，不限定學(xué)生的任務(wù)，使學(xué)生不再是統(tǒng)一的“制造者”角色，而是以“設(shè)計(jì)者”“制造者”“包裝者”甚至“宣傳者”等不同角色針對(duì)問題提出解決方案，各成員分別負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)、硬件結(jié)構(gòu)搭建、交互分析等，共同完成實(shí)驗(yàn)。

2.師生間良性互動(dòng)

在實(shí)踐階段，教師參與學(xué)生任務(wù)的分配和討論，提出相關(guān)指導(dǎo)意見、改進(jìn)方案，并在其中扮演一定的角色，引導(dǎo)學(xué)生把聚焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)生活器具、材料、生物等的觀察上，而不是放在代碼的實(shí)現(xiàn)上，以減少設(shè)計(jì)之外的壓力。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)能將生活中不同屬性的物體設(shè)計(jì)成一套有趣的系統(tǒng)或流程時(shí)，代碼便很好地隱退到后臺(tái)，成為學(xué)生設(shè)計(jì)的輔助工具。當(dāng)學(xué)生的興趣點(diǎn)不集中于代碼的實(shí)現(xiàn)時(shí)，代碼才能自然地被活用來創(chuàng)造他們想要的趣味、完成他們構(gòu)想的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[5]。

3.構(gòu)建開放共享的開源庫，實(shí)現(xiàn)“縱向”良性互動(dòng)

電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程屬于集中短暫型授課，倘若每一批學(xué)生在實(shí)踐階段都采用從零開始的方式，這將導(dǎo)致所有學(xué)生在短期內(nèi)所能完成的作品大同小異。因此，課程驗(yàn)收后，教師對(duì)每一批次中比較優(yōu)秀的個(gè)人作品或團(tuán)隊(duì)作品進(jìn)行收集，建成開源庫，對(duì)后批次學(xué)生開源這些優(yōu)秀的硬件設(shè)計(jì)和代碼，讓后批次的學(xué)生能快速利用前人的成果實(shí)現(xiàn)自己新的創(chuàng)意。由此，課程組建立了一個(gè)相對(duì)齊全、具有一定數(shù)量規(guī)模、兼容Arduino的外設(shè)模塊硬件庫及代碼共享軟件庫。在線軟件代碼庫網(wǎng)站可促進(jìn)后期學(xué)生進(jìn)行廣西漓江學(xué)堂網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)、學(xué)科綜合競賽的開展和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地的建設(shè)等。課程組在項(xiàng)目實(shí)施階段，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一套為學(xué)生提供模塊外借服務(wù)的管理運(yùn)行機(jī)制，為已經(jīng)完成電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程的學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)提供模塊外借服務(wù)，以最大限度地幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意，推動(dòng)開源硬件在本校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的運(yùn)用。此外，建立在線開源軟件庫，涵蓋學(xué)習(xí)案例應(yīng)用、優(yōu)秀作品采集、參賽作品分享等，鼓勵(lì)學(xué)生形成學(xué)習(xí)代碼—使用代碼—設(shè)計(jì)代碼回庫共享的良性循環(huán)。隨著課程的開展，軟硬件庫資料會(huì)在學(xué)生不斷使用—更新—使用—再更新的良性循環(huán)中不斷地增加，進(jìn)而在校內(nèi)形成自主學(xué)習(xí)的濃厚氛圍。

四、結(jié)語

創(chuàng)新2.0模式下，本校秉承開源創(chuàng)新教育“共享、開放、協(xié)作”的思想，將開源創(chuàng)新教育融入電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程，結(jié)合不同專業(yè)背景創(chuàng)設(shè)不同的教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)“以生為本”，注重激發(fā)學(xué)生的興趣，促進(jìn)學(xué)生個(gè)體自身的發(fā)展，發(fā)揮師生、生生“橫向”互動(dòng)及不同批次、不同專業(yè)學(xué)生“縱向”互動(dòng)優(yōu)勢，充分調(diào)動(dòng)師生的積極性，切實(shí)培育學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維和動(dòng)手實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)“共同創(chuàng)新、開放創(chuàng)新”的教學(xué)目標(biāo)，不斷完善本校國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：周侯辰］