創客教育視野下“計算機網絡”課程實驗設計*

趙廣元 王文慶 蔡秀梅

（西安郵電大學 自動化學院，陜西西安 710121）

創客教育視野下“計算機網絡”課程實驗設計*

趙廣元 王文慶 蔡秀梅

（西安郵電大學 自動化學院，陜西西安 710121）

為服務于非計算機專業的“計算機網絡”課程教學，文章提出了基于創客教育環境進行課程實驗設計的思路，闡述了在課程教學中實施創客教育的重要意義。同時結合自身實踐，針對“計算機網絡”課程教學改革的現狀及存在的問題，文章提出了基于 Arduino的“計算機網絡”課程實驗改進方案，論述了服務于實驗的創客教育環境設計。最后，文章將基于Arduino設計的嵌入式服務器應用于測控技術與儀器專業的“計算機網絡”課程實驗，實現了課程實驗與專業應用的緊密結合。實踐表明，該課程實驗在加強學生專業認知、提高學生學習興趣和進一步濃厚創新實踐氛圍等方面效果明顯，顯示出創客教育較強的應用價值。

創客教育；計算機網絡；課程實驗；開源硬件

引言

在建設創新型國家的進程中，需要一大批具有創新能力的人才。創新型人才的培養，既是大學的使命，也是社會的共同期待[1]。在《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》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；要求加強實踐教學管理，提高實驗、實習實訓、實踐和畢業設計（論文）質量。當前，各高校十分重視教師以科研促進教學、教學與科研統一，以此促進創新型人才的培養；各用人單位越來越看重畢業生的實際動手能力和項目實踐能力，顯現出社會對創新型人才的渴求。但與此相矛盾的是，學生受限于知識結構，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的學習和重復性工作，使“做中學”實施起來比較困難；再加上由于硬件實驗設備的封閉性，不利于教師結合實際應用進行課程實驗設計，這就在很大程度上抑制了學生創新能力的提高。

如何在課程教學中引入結合專業應用的實驗內容，以引起學生的學習興趣并促進學生對專業的認知；如何引導學生更早地投入完整的項目實踐中，從而在更為連續持久的項目實踐中提高創新能力，仍是當前教學研究需要思考和解決的重要問題。為此，本文以測控技術與儀器專業的“計算機網絡”課程實驗為例，分析其教學實踐中存在的不足，試圖在創客教育理念指導下構建創客學習環境，并在此環境下設計課程實驗。

一 創客教育

“創客”源于英文“Maker”，是指出于興趣與愛好，努力把各種創意轉變為現實的人。廣義上講，創客不僅包含了“硬件再發明”的科技達人，還包括了軟件開發者、藝術家、設計師等諸多領域的優秀代表[2]；本文所提的創客主要指前者，即利用開源硬件和互聯網將各種創意變為實際產品的人[3]。

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

開展創客活動的場地被稱為“創客空間”。《2014年地平線報告（基礎教育版）》認為“創客空間”是促進基礎教育學習變革的數字策略之一，將其列入未來5年內影響基礎教育12項關鍵技術的大名單。《2014年地平線報告（高等教育版）》則預計了未來幾年學生由消費者到創造者的角色轉變趨勢。

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

創客教育目前還未正式作為課程標準體系中的內容，而是主要應用于學校的一些學生社團中，因此還遠不足以展現其應用價值。創客教育作為“做中學（Learning by Doing）”的延伸，強調學生主動思考、設計和制作，以實現基于創造的學習；創客教育受信息技術支持，學生一方面可以充分利用網絡資源進行創新設計和產品創造，一方面通過網絡交流、分享，激發創造熱情，獲得創意啟示；創客教育指向全人發展的全人學習（Whole Learning），而這種全人發展是以創造力發展為核心的[8]。鑒于此，越來越多的教育工作者呼吁將創客教育帶入教室、引入課程教學，而且不僅是整合于工程技術類和藝術設計類學科，甚至應該整合于學校的課程體系、整合于各個學科的教與學過程[9]。

總體上，創客教育對促進素質教育的發展有重要意義。創新的核心是人，人的創新能力培養重在以興趣為導向的素質教育。創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造力，這正是建設創新型社會對素質教育提出的要求[10]。

創客教育也有助于提高學生對課程的學習興趣。如北卡羅萊納大學“程序設計導引”課程中使用開源硬件Arduino進行C語言的教學[11]，用C語言控制微處理器及其相關硬件、通過建立庫函數擴展C語言，這些內容雖涉及硬件，但由于Arduino已對這些硬件進行了封裝，實現了硬件的軟件化，對學習者幾乎無硬件基礎要求，這就使學生基于Arduino學習C語言成為可能。實踐表明，學生因為可以立即發現這款開發板的諸多用途，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。

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

文獻[13]進一步構建了智慧學習的概念框架，設計了四種智慧學習模式，并初步設計了包括專題學習、創意構想、設計開發和實踐應用四個主要環節在內的“創客”學習模式。文獻[14]認為適合創客教育的創客空間，即校內創客教育培養環境，可以大大提高教學效果，也是創客教育得以實現的重要物質保障。這些研究的繼續深入，對于推進學校的創客教育和創客教育融入課程的實踐均有重要意義。

二 “計算機網絡”課程改革現狀

隨著科學技術的發展，通信技術、計算機技術和控制技術之間的融合成為必然趨勢。特別是隨著物聯網概念的提出乃至蓬勃發展，使得這種融合的必要性更加凸顯。在此背景下，在測控技術與儀器等非計算機專業開設“計算機網絡”課程便顯得相當重要了。限于經費和學生的知識結構，目前非計算機專業“計算機網絡”課程的教學改革主要呈現出兩個方向:一是優化教學內容，改革教學方法，從不同角度采取措施以提高學習興趣[15][16][17]；二是為解決硬件實驗設備不足的問題，采用抓包軟件等工具輔助進行虛擬實驗以降低成本，增強對網絡工作過程的感知，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]。

以上研究一般籠統地在“非計算機專業”層面上進行，并沒有結合具體的專業應用。在如何面向非計算機專業來設計具有專業特色的實驗和相關的教學內容等方面，還鮮見文獻論述。

三 “計算機網絡”課程實驗設計

一般的“計算機網絡”課程應用層實驗主要是制作并發布簡易網站或網頁設計。本研究所設計的實驗用于取代原來的應用層實驗，從而使課程實驗落腳于測控技術與儀器專業應用。

1 實驗目的和內容

本實驗旨在通過搭建嵌入式服務器模擬工業現場監測，以加深理解計算機網絡技術在工業控制領域的實際應用；通過編寫相應的Web程序，以加深理解HTTP協議工作原理。本研究供選擇的實驗如表1所示。

表1 基于Arduino的嵌入式服務器設計實驗

2 開發工具的選擇

開源硬件作為撬動創客教育實踐的杠桿，成為實踐者手中最重要的工具[22]。本研究的實驗設計選擇使用Arduino作為嵌入式服務器的主控制器。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開發環境），且得到了TI、Mathworks、Microsoft、Google等諸多著名商家的支持，現已成為創客們主要的開發工具[23]。Arduino價格低廉、方便應用，其開發的以太網擴展板自帶有 Ethernet庫文件[24]。用戶在掌握HTTP協議基本原理后，只需要了解其函數用法，即可進行創新應用設計。

3 實驗方法與流程

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

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

（2）實驗任務部署。教師主要進行實驗內容說明與安排組織。實驗任務主要以微課程形式發布，包含實驗內容涉及原理的回顧和實驗操作環節的指導。

（3）具體實施。Web程序設計可自行完成，也可參考實驗材料完成。每3個學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，并進行相應設計。在實施的過程中注重實驗氛圍的營造，強調平等交流、分享、誠信。對作品嚴格要求，所有外部資源必須嚴格注明引用出處。這些作品涉及網絡的基本原理相同，使更廣范圍的交流成為可能。

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

4 實驗案例

在本次實驗中，“彩虹隊”實驗小組所搭建的工業現場環境實時監測系統硬件原型如圖1所示。以太網擴展板采用層疊式設計，可以疊加在Arduino控制板上，與Arduino一起構成嵌入式服務器。溫濕度傳感器型號為DHT11，以單總線形式輸出溫濕度數字信號，對其操作可通過相應的庫函數實現。嵌入式服務器實時采集并發布環境溫濕度信息供客戶端訪問，客戶端訪問顯示的結果如圖2所示。

圖1 工業現場環境實時監測系統硬件原型

圖2 客戶端訪問顯示結果

四 結論與展望

本文針對非計算機專業的“計算機網絡”課程與專業應用結合不緊密的問題，通過創客教育與課程教學的融合，將基于 Arduino的嵌入式服務器設計作為測控技術與儀器專業的“計算機網絡”課程實驗，解決了課程教學所面臨的問題。在實施方面，由于學生已有一定的電子技術基礎和C語言基礎，并對提前發布的相關實驗材料做了充分預習，所以他們都能順利地完成實驗任務。實踐結論為:

（1）在創客教育視野下設計與專業應用相結合的課程實驗，使低年級學生有機會在系統層面上認識所學課程與專業的緊密關系，因此能激發他們的學習興趣。由于學生不僅可以在已有硬件的基礎上自行編寫網頁、模擬發布工業現場監測信息，還可以進一步自己動手改變監測與采集的參數種類、擴展不同應用，因此學生的積極性被充分地調動起來了。在本實驗基礎上擴展的畢業設計作品《基于 Web的文物環境參數監測系統》，還被陜西省自動化學會評為了優秀畢業論文。

（2）以Arduino為主要工具的創客教育，對于提高學生的創新實踐能力、為學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，部分同學后續參加了基于 Arduino的創新項目實踐活動，在“挑戰杯”等多項學科競賽中獲獎，申報并獲得了多項國家級、省級大學生創新創業訓練計劃項目等。

通過總結以上實踐經驗，本研究還基于Arduino，利用無線局域網、藍牙、GPRS等不同領域技術，結合專業應用進一步開發了系列網絡實驗項目。這些實驗項目豐富了實驗內容，有效促進了課程與專業的進一步結合。

為了推廣實踐成果，以在更多課程中展開創客教育，需要相應學科的教師首先成為“教育創客”。當前的做法是通過動態評審機制，吸引部分教師項目加入創客空間。創客空間為項目提供基礎技術支持和活動服務，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客教育的基礎技術。但創客教育對于“教育創客”的要求是全面的，這方面工作還需要多方的共同推進。

當前，國務院將加快構建眾創空間作為推進大眾創新創業工作的首要重點任務[26]，教育部對深化高校創新創業教育改革、努力造就大眾創業、萬眾創新生力軍提出了具體要求[27]，給創客教育帶來了新的發展機遇。全面探索創客教育教學內容和方法體系，將是下一步研究的重點。

[1]李陳續,陳建強,張國圣.一流大學應成為創新之源[N].光明日報,2013-03-04(10).

[2]百度百科.創客[OL]. 〈http://baike.baidu.com/subview/371405/11140298.htm#viewPageContent.〉

[3][10]楊躍承,于磊.創客:從中國制造到中國創造[N].科技日報,2014-03-03(5).

[4]Techopedia. Maker Movement[OL]. 〈http://www.techopedia.com/definition/28408/maker-movement.〉

[5](美)Chris Anderson著.蕭瀟譯.創客:新工業革命[M].北京:中信出版社,2012:12.

[6]祝智庭,孫妍妍.創客教育:信息技術使能的創新教育實踐場[J].中國電化教育,2015,(1):14-21.

[7]李凌,王頡.“創客”:柔軟地改變教育[N].中國教育報,2014-09-23(5).

[8]鄭燕林,李盧一.技術支持的基于創造的學習——美國中小學創客教育的內涵、特征與實施路徑[J].開放教育研究,2014,(6):42-49.

[9]Greg T. The maker movement conquers the classroom[OL].〈http://thejournal.com/articles/2014/04/30/the-maker-movement-conquers-the-classroom.aspx.〉

[11]Dean B J, Rebecca F, Bruce, et al. Using arduino for introductory programming courses: A tutorial[J]. Journal of Computing Sciences in Colleges, 2009,(12):129-130.

[12]Peter J. Arduino for teaching embedded systems: Are computer scientists and engineering educators missing the boat?[A] Proc. FECS[C]. Las Vegas: NV, 2010:10-15.

[13]郭曉珊,鄭旭東,楊現民.智慧學習的概念框架與模式設計[J].現代教育技術,2014,(8):5-12.

[14]傅騫,王辭曉.當創客遇上STEAM教育[J].現代教育技術,2014,(10):37-42.

[15]張黎明,李玉龍.非計算機專業“計算機網絡”教學與實踐[J].計算機教育,2009,(18):96-97.

[16]鄭良斌,何薇.非計算機專業“計算機網絡”課程教學改革與實踐[J].計算機教育,2005,(8):33-34.

[17]蔣中云.非計算機專業“計算機網絡”課程教學方法的探討[J].計算機教育,2009,(24):81-83.

[18]李娜,傅騫.利用模擬軟件改進高校計算機網絡實驗教學內容的初步實踐[J].現代教育技術,2007,(7):103-105.

[19]齊建東,袁津生.基于開源軟件構建計算機網絡課程的實踐教學[J].中國林業教育,2011,(2):57-60.

[20]黃俊,韓玲莉,陳光平.基于協議數據包分析的計算機網絡課程教學方法探索[J].實驗室研究與探索,2006,(6):653-656.

[21]劉廣.網絡仿真工具在高校計算機網絡教學中的應用探索[J].現代教育技術,2009,(10):106、111-113.

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

[23]百度百科.Arduino[OL]. 〈http://baike.baidu.com/view/1268436.htm.〉

[24]Arduino. What Arduino is and why you’d want to use it[OL]. 〈http://arduino.cc/en/Guide/Introduction.〉

[25]王萍.微信移動學習平臺建設與應用[J].現代教育技術,2014,(5):88-95.

[26]國務院辦公廳.關于發展眾創空間推進大眾創新創業的指導意見(國辦發[2015]9號)[OL].〈http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-03/11/content_9519.htm.〉

[27]焦新.深化高校創新創業教育改革 努力造就大眾創業萬眾創新生力軍——教育部黨組學習貫徹李克強總理給清華大學學生創客重要回信精神[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“十二五”規劃2014年度立項課題“基于原型系統提升創新能力的實踐與研究”(項目編號：SGH140604)、西安郵電大學2013年教學改革研究項目“基于Arduino開源硬件提高創新能力的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