STEM教育與創客教育在戴姆勒星輝賽車制作中的應用

林夏武

【摘要】文章主要以星輝賽車基于Arduino開發的動力系統為例論述了STEM教育與創客教育在中職學校開展的可行性。賽車制作過程充分體現了科學、數學、技術、工程、藝術跨學科的交叉融合，學生在賽車的制作中起主導作用，學生的創新精神和實踐能力得到了極大的鍛煉。

【關鍵詞】STEM教育；創客教育；星輝賽車

一、STEM教育理念與創客教育

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合。STEM 教育中四門學科的教學必須緊密相連，以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能，并能靈活遷移應用解決真實世界的問題。融合的STEM教育具備的核心特征包括跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等。

創客用于指代利用網絡、3D打印以及其他新興科技，把創意轉換成現實，勇于創新的一群人。創客精神是指勇于探索的創新精神，敢于接受失敗的挫折和不屈不撓的精神，不近功利、協作交流的團隊大智慧。李克強總理在2015年政府工作報告中指出，要推動大眾創業、萬眾創新，并親身探訪深圳柴火創客空間，國務院辦公廳隨后印發《關于發展眾創空間推進大眾創新創業的指導意見》。隨著“創客”風靡全國，開展創客教育也成為教育工作者熱烈討論的話題。創客教育強調創客的興趣驅動、動手實踐、創意創新的核心品質，培養其創新精神與實踐能力，促進創新型、創業型人才的成長。

二、中職學校STEM教育與創客教育實施的優勢與劣勢

中等職業學校學生職業目標就是成為生產一線勞動者，動手能力是他們的強項。他們年輕，富有朝氣，二十歲之前成為獨當一面的師傅的中職畢業生比比皆是，同時他們對新生事物有極高的熱情。學生接受STEM教育與創客教育宜早不宜遲，中職學生相比大學生更有優勢。在中職學校，行動導向法教學模式已經非常普及，廣大師生都已經習慣了“做中學、玩中學”的教學理念。學校建立了越來越多的一體化教學學習站、實驗室，這些學習站稍加改造就可以成為STEM教育與創客教育的學習站。在中職學校開展STEM教育與創客教育具有極佳的客觀條件。

然而，全國大部分城市的職業學校招收的學生整體素質普遍低于普通高中，學生分析問題、解決問題的能力較低，自我學習的能力也較差。STEM教育與創客教育對學生關鍵能力要求較高。STEM教育與創客教育的目標正是提高學生綜合運用知識解決問題的能力。在中職學校開展STEM教育與創客教育，應循序漸進，建立易于入門的創客平臺，設置難度較低的操作項目，在學生關鍵能力達到一定水平之后，再開展難度較高的項目。

三、戴姆勒星輝賽車制作

（一）賽事簡介

戴姆勒星輝競賽是戴姆勒奔馳公司在其合作職業院校中開展的一項賽事，這項競賽類似大學生電動方程式賽車（FSEC），讓老師指導學生構想、設計、開發、制造完成一輛小型電動賽車，是一項工程技術賽事而非純粹的競速賽。賽事舉辦的目標正是培養學生綜合運用知識解決實際問題的能力，與STEM教育理念完美契合。第一屆比賽是從2015年11月開始的，翌年11月在北京進行了現場展示及競速賽，今年11月在長沙進行了第二屆的競速賽。我校在兩屆比賽中都出色完成了賽車制作并取得了優異的成績，制作的賽車在工程技術上給賽事組織者留下了極佳的印象。

（二）參賽人員

在方案設計時，相比學生，教師只是比學生更有經驗的課題參與者，師生共同討論確定了設計方案。在參賽學生選擇方面，賽事規定必須由戴姆勒鑄星教育項目內汽車運用與維修專業的學生參加。每年每個合作學校奔馳班人數都是25人左右，是汽車運用與維修專業三年級學生，在二年級經過考試和面試進入奔馳班。他們在一二年級完成了汽車運用與維修專業課程，在校期間對項目教學法、行動導向法等都已經非常熟悉，具備較強的專業基礎，在關鍵能力上較本校大部分學生都更強，具備開展難度較高的STEM項目的基礎。理論上奔馳班所有的同學都應參加星輝競賽項目，但因為項目是在課余時間和假期進行，所以最終會形成一個七八名主力成員的制作團隊，主要指導老師是戴姆勒鑄星教育項目教師，需要的時候，團隊成員會尋求其他各專業教師的幫助，比如機械部的教師對車架設計及零件加工提供了關鍵的技術指導。

（三）場地選擇及設備要求

賽車制作是從車架設計開始的，在車架方案出來以后，就需要用鋼管焊接起來，因此場地要求有一塊平整度要求很高的平臺，且能安裝固定鋼管的支架。在車身制作的時候，需要進行大量的鈑金操作，最后還需要進行噴漆。因此，制作團隊選定了學校鈑金噴漆實訓室作為賽車制作主要場地。該實訓室配備焊接設備、各種氣動及電動設備、調漆室、噴漆烤漆房等，各種必需的設備及工具大都齊備，賽車制作的大部分操作都能在這塊場地進行。

（四）項目執行

學生制作的過程也是學的過程，涉及的知識、技能都是跨學科、跨專業的，學生需完成賽車車架懸架設計，外觀設計制作，零部件采購、加工、焊接、裝配，動力系統編程，電路布置，調試等工作。為完成這些工作，學生需掌握ugNX、Solidworks、Arduino等多種開發平臺的運用，同時在電商平臺或原材料市場選購合適的原材料、零部件，為了控制成本，還需聯系贊助商支持。

以第二代賽車動力系統設計為例。首先，制作團隊確定動力方案。有了第一年參賽的經驗，決定采用輪轂電機作為動力源，即兩側車輪各用一個三相交流電機驅動。相比第一代賽車單電機機械傳動，這個方案效率更高，在總功率沒有增加的前提下，最高車速、加速度和傳動效率等方面的性能都有很大的提升，方案的確定體現了學生的創造性和技術增強性。

制作團隊須解決的一個難題是驅動輪的差速問題，機械傳動采用的是傳統的差速器，而輪轂電機沒有差速器，如何形成驅動輪的差速。這個問題對制作團隊是一個不小的考驗，師生們設想的解決方法是采用單片機編程控制兩側車輪的電機控制器，分別向兩電機控制器發送不同的占空比信號，從而實現車輛在轉向時的差速。學生并沒有學過單片機，這是一個跨學科的挑戰，他們向電子部的老師尋求幫助，電子部的老師推薦了Arduino。Arduino是全球創客群體中最熱門的開源硬件之一，是一個開放的電子開發平臺。它包含了硬件——電路板、軟件——開發環境，還有許許多多開發者、使用者創造的代碼、程序。學生利用該平臺只需要通過簡單的學習，了解各個引腳和函數的作用，便可以利用它開發出各種出色的項目。系統開發期間教師啟發學生運用自己所學過的汽車發動機控制系統專業知識，找到了單片機控制與發動機控制的共同點，包括電子電工原理、傳感器技術、信號的讀取與發送等等。學生們花了數周時間從入門到掌握Arduino的編程，并嘗試在小車模型上實驗自己編寫出來的程序，在小車實驗基本可行之后，學生再把程序應用到賽車上。過程中充滿了趣味性、探究性及創造性，團隊成員之間不斷交流，思維的火花不斷迸發，同時還需要動手實施。經過數十次大大小小的修改，終于研制成功了安全、可靠、性能良好的賽車動力系統。

在競速賽現場，學生對星輝賽車的設計制作特點進行了講解，并駕駛賽車取得了排位賽最快圈速。戴姆勒奔馳鑄星教育的專家評價我校賽車無論是底盤、動力還是在外觀設計等各方面都是最優秀的。現場參加星輝競賽是學生們難得的一次體驗，看著或者駕駛自己親手制作的賽車在賽道上奔馳，所獲得的成就感是學生在求學階段甚至終生難忘的一次體驗。

星輝賽車制作是對STEM教育理念與創客教育的嘗試，最大的成果是對學生能力的鍛煉，教師在與學生共同完成賽車制作時能真切地看到學生每天取得的進步，參與該項目的同學進入工作崗位之后在企業都得到了很高的評價。

四、中職學校STEM教育與創客教育的建設設想

由于STEM教育與創客教育的實施對于環境、設備、教師素養等有一定要求，今后我們需積極探索深入推進創客教育，形成系統、成熟、具體、有全面推廣價值的，符合中職學校教育特點的教學內容與方法體系。這些都離不開學校及上級部門的支持。首先，在師資隊伍上需培養專門的項目教師，無論是技術上還是學生指導經驗上， STEM教育與創客教育項目對教師能力提出了較高的要求，因此，教師的培養需要時間和有效的獎勵機制。其次，參與項目的學生應盡早選拔，否則中職學生在校有限的時間內無法融入項目團隊中，學生的參與熱情和積極性也就很難建立。

在創客空間的建立上，美國最早創客空間的聯合創始人Mitch Altman認為，創客空間并不需要物資上的奢華，最重要的是能夠為每個參與者提供一個可以自由交流思想、一起探索未知的環境。筆者認為在現有實訓場地基礎上建立創客空間難度并不大，課程設置上也可以在現有課程基礎上嵌套基于項目的STEM學習，例如在《汽車發動機控制系統檢測》課程中就可以融入Arduino平臺。利用Arduino平臺，學生可以嘗試編寫一些小程序，搭建電路模擬控制系統的工作過程，完成對某些電器原件的檢測。在這個過程中，學生會體驗到以往從未體驗過的學習樂趣，完成發明創造的成就感，與團隊交流的歸屬感。

以上實踐期望可以成為我們在開展學校STEM教育與創客教育的星星之火，也為我們自身思考教育的本質與未來教育改革提供了一些有益參考。

【參考文獻】

[1]余勝泉，胡翔.STEM 教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015（04）：13-22.

[2]吳俊杰.創客運動與STEM教育——專訪“創客教父”Mitch Altman[J].中小學信息教育，2013（12）：39-42.