面向高等職業教育的創客教育模式設計

朱軼 劉會霞 申屠浩

摘要：近年來，創客教育已成為國內教育界備受關注的探索方向，但如何理解和開展創客教育，還困擾著部分職業院校教師。針對這一問題，本文通過分析創客教育的支撐性理論，歸納創客教育的特征，建立了基于Android/樹莓派/Arduino/機器人的創客教育模式，并詳述了此模式下創客空間建設、創客基礎知識教學、拓展訓練三個環節，希望能為創客教育的推進提供有益參考。

關鍵詞：創客教育模式;創客空間建設;創客基礎知識教學;創客拓展訓練

中圖分類號：G642 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2019）24-0106-04

● 創客教育剖析

“創客”一詞源自英語“Maker”，通常指從個人興趣出發，不以盈利為目標，借助現代信息技術以及開源軟硬件技術，努力把各種創意轉變為現實，并樂于分享自我創意與作品的群體。“創新、創造、分享、協作”是創客的四個基本特征，由于創客代表了一種自主創新的原創精神，是潛在的創業者，是推動未來國家經濟發展的后備力量，因此如何開展有效可行的創客教育，成為當前中國高等教育與職業教育領域備受關注的熱點問題。

創客教育旨在培養具有創新思維、創造能力、分享精神、協作意識的創客人才。該培養目標決定了創客教育需要提供創造、協作、分享、交流的環境，教授創新與創造的基礎知識，設計學生自我創新、協作創造的實踐過程。對應這三個培養要求，筆者認為完整的創客教育模式應包括三個環節：創客空間建設、創客基礎知識教學、創客拓展訓練。其中，創客空間建設是創客教育實施的前提，基礎知識教學是創客教育的基石[1-2]，拓展訓練是創客能力培養的核心。上述三個環節，缺一不可，因此，筆者認為創客教育可定義為：以各類新興開源軟硬件技術為教學內容，以創客空間為實踐載體，以自主項目設計為訓練方式，以實物創造為目標，倡導跨學科協作與團隊協作，鼓勵分享，培養創新能力、創造能力與團隊協作能力的一種素質教育。創客教育與常規教育面對的都是學習者的知識提升與能力培養問題，主要不同之處在于，創客教育更多采用項目學習、做中學、社交協作學習等方式，提升學習者的知識與能力。

● 教育模式設計

如何實施創客教育，是當前眾多高職院校教師所關注的問題。鑒于絕大多數創客作品都由機械平臺、下位機（單片機）、上位機（PC或者ARM主機）、遠程控制端（移動手機或者平板）組成，因此高職院校的創客教育中推薦以機械設計、下位機開發、上位機開發、遠程控制端開發的知識教學以及實踐為主體內容。經過多年的教學實踐，筆者探索出一套基于Android/樹莓派（Raspberry Pi）/Arduino/機器人的創客教育模式：Android代表遠程控制端的開發;樹莓派可運行Linux或Win10操作系統，代表上位機開發;Arduino代表下位機開發;機器人代表各種類型的機械載體，如機械車、機械手臂等，結合3D打印技術，可靈活構建、制作作品所需的機械形體。由于創客教育的本質是首先完成基本知識教學、基礎開發能力訓練，之后提供讓學生自由發揮的環境與條件，讓他們在實踐創造中成長，因此在掌握這四部分知識的基礎上，學生團隊可以自由發揮創意，并轉化為現實，逐步踏上創客之路。

1.創客空間建設

當前創客空間建設的難點，主要集中在需要購置哪些設備上。本模式主要通過購置Arduino開發套件、樹莓派開發套件、3D打印機、機器車以及機械手臂等機械平臺，構建創新開發的空間環境。Android開發硬件，可直接利用學生自有的Android手機，無需另外購置。

右表為推薦設備清單，建議的創客空間建設方案包括Arduino控制與設計模塊、樹莓派嵌入式開發模塊、機械載體與設計模塊三部分，按30組（每組2～5名學生較為合適）進行設備配置，同時滿足教學與創新設計的基本需求。

2.創客基礎知識教學

創客空間建設后，應思考兩個重要問題：教什么？如何教？第一個問題指向教學內容設計，第二個問題指向如何獲得良好的教學效果。

（1）教學內容設計

本教育模式以Arduino、樹莓派、Android開發作為教學內容，分別講授下位機、上位機、遠程控制端的開發知識（如圖1）。

①Arduino教學目標是下位機的開發，訓練學生掌握如何利用單片機感知環境參數（如溫濕度、光強、聲音強度等）、控制輸出設備驅動機械平臺、與上位機通信。對于單片機而言，讀取環境參數依靠讀取各類數字或者模擬傳感器;輸出設備主要就是三類：直流電機（用于驅動機器車的輪子、拖動窗簾打開/關閉等）、舵機（用于機器人/機械手臂的關節控制）、繼電器（用于開關類設備）;上位機通信模式主要是有線串口通信、無線藍牙通信、無線Xbee通信。因此，Arduino的教學知識點包括數字I/O口控制、模擬I/O口控制、直流電機控制、舵機控制、串口通信、藍牙通信、Xbee通信等。

表中Arduino模塊的設備購置與這部分的教學內容吻合，設備除了用于基礎知識教學，也可用于拓展訓練中的創新作品設計。

②樹莓派的教學目標是幫助學生掌握上位機的開發技術，設計出更為復雜的智能化處理邏輯。不同于單片機，上位機是基于某種操作系統運行，可采用高級語言來開發程序，支持數據庫，支持音、視頻處理，所提供的服務能力與處理能力更為強大。由此可見，上位機教學應至少包括操作系統的使用教學、高級語言的開發教學。樹莓派的操作系統是Linux，因此教學知識點涉及Linux使用、Linux下的應用服務部署（如tomcat等，這是發布Web services的基礎）、Python語言開發、基本I/O控制（如直接控制Arduino）、Linux下的網絡通信開發（串口、Socket）、SimpleCV視頻處理（便于開發集成攝像頭的創客作品）。表中的樹莓派模塊投入不大，但能完全滿足上述教學內容的實踐訓練，以及拓展訓練中的作品開發。

③Android的教學內容幫助學生掌握開發移動客戶端程序以及與服務器（上位機）遠程交互技術，由基本教學內容與可選教學內容組成。基本教學內容為基于Eclipse與Java的Android傳統開發，可選教學內容為PhoneGap/jQuery Mobile/HTML5的跨平臺開發（指的是開發的移動應用可以直接部署在IOS/Android/WPhone等多種操作系統上）。基本教學內容的知識點包括Layout與UI設計、基本Widget使用、多頁面與傳值、數據存儲與Sqlite數據庫、網絡通信方法;可選教學內容的知識點包括PhoneGap基礎、jQuery Mobile與HTML5、Javascript基礎、本地硬件控制、與服務器交互等。知識學習效果可以通過手機遠程控制表中機械載體與設計模塊所列的智能小車加以測試。

（2）教學方法設計

上述教學內容涉及單片機、嵌入式、移動終端開發三個層次，知識點較多，且實踐性強，單純通過課堂教學，短期內難以完成，建議教學方法采用“線上—線下（O2O）”混合式教學以及協作學習的模式（如上頁圖1）。

O2O混合式教學實施中，線上課程應能提供完整的教學PPT、重要知識點的微課視頻、部分教學演示案例的視頻、網絡題庫、電子參考資料等，以便學生可以自學。線下課堂在創客空間中教學，首先由教師講解整體開發過程與若干重要知識點、示例工程案例，然后學生在教師指導下完成每部分學習內容的開發實踐，撰寫代碼，通過實際運行進行結果測試。不同于常規課程的在線作業提交，實踐結果無法在線提交，所以線上自主學習、線下實踐與檢查是一個合理的措施，建議線上線下的學時分配比例為4∶6。2018年，筆者在“學堂在線”建設了“移動互聯網開發”課程[3]，并已面向江蘇農林職業技術學院物聯網工程專業開展了O2O混合教學實踐。實踐結果顯示，在常規教學學時內，O2O教學方法更有助于擴大知識教學容量，給予學生更多實踐訓練機會，是高校開展“新工科”教學的一種理想教學手段。

協作學習是針對創客教學覆蓋知識過多而學習時間有限所提出的學習方案：當學習者知識基礎較為薄弱時，可不要求完成全部知識點的學習，而是根據團隊分工以及自身基礎，選擇部分內容重點學習后，即開始創客作品開發。在作品制作過程中，每個成員承擔與所學知識對應的工作，并相互學習，逐步擴展自身的知識規模，最終協作完成全部知識點的學習。

3.拓展訓練

通過前一階段的學習以及開發實踐，學生團隊已經具備了創客設計所需要的知識基礎，可以在教師引導下針對某一主題（如智能家居、智慧城市、智慧校園等）開展創新思維訓練。學生團隊結合實際需求調研，自行提出符合某一主題的創新設計課題，針對此課題，完成系統設計方案，通過與教師多次交流，完善課題設計方案，最終完成自主創新課題的開發工作。本環節教師無需過多參與，僅需答疑、評估學生設計方案，給出改進建設，學生團隊利用創客空間進行設計、創造、交流。

下頁圖2為一項創意作品示例：智能門鈴，其設計思路由學生團隊從生活中發掘。疲勞一天回家后，人們喜歡在沙發或者床上休息，如果此時來了訪客按門鈴，能否不去門邊，直接在手機上看到訪客視頻并且通過手機開門？本項作品針對這一需求進行設計，利用樹莓派作為中控設備，通過USB連接門上安裝的攝像頭，捕獲視頻信息，利用串口連接下位機Arduino，讀取門鈴按鈕信息，驅動門軸上的電機控制門的開閉，通過WIFI與Android手機進行通信。當有訪客到來時，按下門鈴，Arduino檢測到門鈴按下事件，向樹莓派發通知指令;樹莓派收到指令后，捕獲攝像頭視頻信號并發送至手機APP，房屋主人用手機看到訪客，決定是否開門。如果開門，通過手機APP發送指令給樹莓派，通過Arduino控制門軸上電機，最終打開房門。這一創意完全基于Android/樹莓派/Arduino的知識完成，其設計結構也體現了當前創客作品的主流設計結構：機械平臺、下位機、上位機、遠程控制終端。由此可見，掌握了這幾部分的開發知識，即掌握了創客所需的基礎知識，具備了將創意轉化為現實的能力。

對于創意良好的創客設計，可以引導學生團隊在創客空間、互聯網進行創意與作品設計分享，使學生獲得成就感，促進其主動深入學習;同時也可以鼓勵、引導學生參加各類創新設計競賽。

● 總結

創客代表了一種原始創新精神，但并沒有天生的創客，學習者并不是生而知之，創新總是建立在知識的基礎上。要想培養創客人才，創客教育不可或缺。從高等教育的角度來講，創客教育與我國一直倡導的創新教育一脈相承，只不過教學內容覆蓋范圍更廣，實踐培養要求更明確，更符合時代特征。

就創客教育的實施而言，首先需要完成基本知識教學、基礎開發能力訓練，之后再提供環境與條件讓學生自由發揮，讓他們在實踐創造中成長。在創客教育的實施過程中，教育者高度參與的“基礎知識教學”環節非常關鍵，只有通過系統的專業知識學習與專業技能訓練，學習者才能開始自主創新;脫離專業知識的創意，未必正確，也無法轉化為產品。本文提出的“基于Android/樹莓派/Arduino/機器人的創客教育模式”，建設成本較低，教學內容緊扣創客技術發展趨勢，易于操作，可復制性強，希望能為國內從事創客教育的高等職業院校教育者提供有價值的教學參考。

參考文獻：

[1]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（01）：14-21.

[2]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（04）：7-14.

[3]朱軼.移動互聯網開發[OL].http：//www.xuetangx.com/courses/course-v1：JSU+JSU001+2019_T1，2019.

作者簡介：朱軼（1977—），男，江蘇鎮江人，江蘇大學計算機科學與通信工程學院副教授，碩士研究生導師，主要研究方向為創客教育研究。

基金項目：中國學位與研究生教育學會課題（B-2017Y0604-106）;江蘇省教育信息技術研究課題（20172224）;教育部高等學校工程訓練教學指導委員會教育科學研究重點項目（JJ-GX-JY201707）;江蘇大學2017年教改重點課題（2017JGZD015）。