中職工科創新教育校本課程的建構探究

周清霞

一、問題的提出

在制造業轉型升級中，智能制造技術人才標準呈現出“專業技能+信息技能+創新能力”的多元化特征。中職學校工科專業的畢業生是我國今后制造業的主力軍，如何培養具有創新能力的畢業生是中職學校面臨的重要任務。目前在中職學校的課程建設中主要面臨了以下兩個困難：一是中職機電類專業大多開設了機械結構設計、電子電路和程序設計等相關的專業課程，但各課程基本分散獨立，缺乏課程的整合與融合;二是在“大眾創業、萬眾創新”的大環境下，各種新技術、新方法、新工藝、新業態不斷涌現，中職課程新技術引進相對滯后，導致當下職業院校學生及教師展現眾多的創新想法，卻無法從現有的課堂中獲得足夠的技術支持予以實現。

基于工作過程系統化的課程開發思路借鑒了德國工作過程導向的“學習領域”課程模式，是目前工學結合的職業教育課程開發的主要模式之一，它存在兩個重要特征：一是提出了學科課程體系的“解構”，并與工作過程“重構”的思想，實現了課程的“跨界”，解決了相關分散獨立的課程難以融合的問題;二是課程來自職業實踐的工作過程，關注學生個體整體思維的工作過程，強調學生獨立思考、自主學習的能力，即創新精神和創造力。正如著名的職教專家姜大源教授指出，基于知識應用的工作過程系統化的課程開發的理論和方法，為職業教育提供了一種改革和創新的課程指向。因此，基于工作過程系統化的開發思路既是職業教育課程開發的一種創新，同時也是中職學校創新教育的課程開發思路。

而Arduino作為一款可快速開發的開源電子原型平臺，其硬件為增強型單片機，簡單易操作，為中職工科類專業的創新教育課程開發提供了很好的資源平臺，人工智能則是一門最新的技術，兩者結合充分滿足了學生在課堂內外的創新作品的技術實現。

二、中職創新教育校本課程的建構

黃埔職業技術學校（下稱“黃埔職校”）創新教育校本課程的構建，以開發小型智能機器人為教學載體，采取基于工作過程系統化的開發思路，目的在于尋求以機器人設計為工作載體的企業工作過程與教學過程系統化的紐帶，其實質是結合智能裝備產業的崗位群的職業能力，解構機器人相關的學科體系并在教學過程重構行動體系的過程。課程開發包括了課程體系結構（宏觀）、課程單元結構（中觀）和課程教學結構（微觀）三層結構。

（一）宏觀層：構建“普及層+融合層+拓展層”的進階式課程體系

黃埔職校創新教育校本課程的構建符合黃埔區域機器人產業對人才需求的特點，該校開發團隊通過行業企業調研，與企業工程師深度合作，綜合校內實訓資源和教學資源，開發了基于機器人為載體的進階式的創新教育課程體系。

該課程體系包括四個課程模塊，分別是“機器人結構設計” “基于Arduino的機器人程序設計”“基于Altium Designer的機器人電路設計”和“基于AI控制的機器人設計”。課程體系通過整合課程資源，結合3D打印機、雕刻機、數控機床等智能制造設備，使學生經歷現代工業設計制作的一般流程，即：總體方案設計→結構設計→電子電路設計→控制軟件設計→實體搭建→調試完成→分享交流。

普及層次的創新教育課程“機器人結構設計”可在工科類專業的一年級新生開設，這是一門最基礎兼具有趣味性和創意性的課程，側重于機器人外形方面的設計與創新，對于零基礎的學生可弱化編程與電路，提供相應的幫助，搭建腳手架，以使學生順利完成一臺機器人小車的外形設計并搭建成功，從而充分調動學生的參與課程的積極性，培養學生的創新認知能力。

融合層課程“基于Arduino的機器人程序設計”目前在機電大類專業的二年級試點，該課程融合了機電類專業基礎課，如電工電子的基本知識技能，利用Arduino開源平臺編程實現對常用外設的控制，彌補前期課程中編程不足的缺陷，提升學生的創新技能。

拓展層課程“基于AltuimDeigner的機器人電子電路設計”是一門利用AltuimDeigner電路設計軟件設計電子電路的課程，在三年級作為智能制造專業群的專業選修課開設，目的在于使學生重新設計并制作現有作品的電子電路板，從而實現一個機器人產品從里到外的完整DIY設計，達到了“人手一臺、結構不同、功能不同、電路不同”的目的，學生的創新能力和創新技能得到了進一步的提升。

提升層課程“基于AI控制的機器人設計”是人工智能技術與創新教育融合的體現。課程開設在工科專業二年級或三年級，以普及人工智能方面的遠程網絡控制、自動駕駛控制技術為主，同時學生也可以結合前期設計的機器人小車作品，從功能和控制上得到進一步的改進和完善，從而使學生的創新技能不斷加強，創新精神得以持續發展。

綜上所述，基于機器人為載體的創新教育課程體系以機器人（智能小車）作品的外形（結構）、程序控制、電子電路設計和人工智能控制四大模塊的設計為核心，以最終形成學生自主創新實踐能力為目的，搭建了相應的實踐開發平臺作為課程開展的支撐。每一個課程即為一個模塊，既可以作為零基礎的同學普及化入門課程，也可以作為交叉學科的專創融合課程，四個模塊環環相扣，以一種循序漸進并相互融合的模式展開，使學生在學習的過程中培養對設計方式以及創造性思維能力的培養。

（二）中觀層：設計“開放-自主-包容”的創新思維典型訓練項目

中觀層的課程單元體現一個獨立、完整的工作過程。黃埔職校創新教育的課程團隊與企業聯合開發，四門創新教育課程分別選取了若干個經典的、具有代表性的企業項目實際案例，以機器人小車的設計為載體，以“低成本、趣味性、創新性”為原則，將企業項目的實際工作過程演繹成具備“開放-自主-包容”的創新思維典型訓練項目，旨在培養學生創新思維與創新能力。

如圖1所示為黃埔職校創新教育校本課程的課程單元結構，課程項目的開發采用了工程項目中常用的設計案例，在外形結構設計上選取了輪式機器人（三輪、四輪）、足（腿）式機器人的設計案例;在功能上選取了常見的紅外循跡、超聲波避障、遙控和無人駕駛四種功能;在控制方式上采用了Arduino、AI兩種控制方式。

課程以小型智能機器人的整車設計和控制為載體，體現了“開放、自主、包容”的特征，其中“開放”是指軟、硬件的開放，如開源平臺Arduino、3D打印技術等軟件平臺，以及可以在淘寶上和五金店輕易購買到的小配件;“自主”是指學生在整個設計過程中都是在設計屬于自己的作品，從設計外形結構起，學生利用三維軟件或者3D打印技術時就開始構思自己作品的功能和外形，不同的功能需要不同的硬件支撐，設計外形時就需要充分考慮硬件大小、位置擺放是否合理、如何才能充分地利用空間等問題，在這個過程中，學生會發揮更多的主觀能動性，以便“創造”出屬于自己的“獨一無二”的作品。“包容”指的是基于課程載體的開放性和自主性，允許學生對自己的作品在外形、功能以及控制方式上充分發揮自己的想象力，外形可以是各種形狀的，控制方式的編程也有多種編程思路，根據作品的外形可以隨意設計電路。

每一門課程的實施，學生都圍繞“機器人小車的設計”這個典型工作項目多次重復同樣的工作過程，在知識和技能的比較、遷移和內化過程中既學會思考，又學會創新，有效提升了學生的可持續發展能力。這種創新，不僅是指產生創意的想法，而且可能是創新技能、創新解決問題的方法。

（三）微觀層：構建基于“四階段”的線上線下混合式教學

黃埔職校創新教育課程體系將企業真實項目引入到課程中，以學生實踐操作、自主創新發揮為特色，采用分階段、分層次及課內外結合的開放式教學模式，由相關學科的教師進行多學科聯合指導。課程的教學環節設計引用了國內學者傅騫提出的“SCS 創客教學法”，提煉出了以“四階段”為主線的教學法，分別是：知識儲備階段、作品模仿階段、自主創新階段、分享交流階段。

以“四階段”為主線的教學法采用了線上線下相結合的混合式教學，每一個課程單元結構的項目設計以學生個人為單位，經歷以上四個階段，通過教學引導，學生自主探究，最終學生完成項目，提交作品。在教學中可采用任務驅動法、項目教學法、案例教學法、問題引領教學法等行動導向的教學方法，引導學生經歷從“簡單任務-擴展任務-協同任務”的完成過程，不斷激發學生的創新意識，形成創新思維能力。

知識儲備階段通過創設情境引入，提出簡單的設計任務，激發學生的學習興趣，學會必要的知識和技能。作品模仿階段側重于學生知識技能的強化和提煉，為激發創新性作品作好鋪墊，通過模仿制作環節，為零基礎的學生提供入門指導，在積累創新知識和技能的同時，激發創新想法。自主創新階段是學生創意的產生及實現的最主要階段，要求學生通過發揮空間想象力，充分運用專業理論知識與實操技能，思考并解決在設計及實踐中遇到的各種問題，自始至終承擔著項目的設計者、實施者、管理者、優化者等多重角色，從而使學生的創新思維、動手能力、解決問題的能力均得到了提高，職業素養得到了大的提升。交流分享階段是教學實施的最后一個階段，目的在于通過總結評價，形成反饋，使學生思考作品的改進，以形成持續的創新精神。

三、中職創新教育校本課程的實踐成效

黃埔職校創新教育校本課程自2018年3月開始面向機電、數控專業開設，引起了學生極大的興趣，師生對課程的滿意度較高。隨著課程的不斷完善，后期逐漸擴大為面向智能制造專業群和汽車專業群，學生作品的成功率也逐漸從70%上升到95%，課程由課堂延伸到了課外。在課程團隊的帶領下，每一門課程在實施的過程中師生均開發出了具有創新價值的作品，動態展示了一批具有工程應用價值的課程作品，提升了學生的學習興趣和成就感，甚至實現師研生隨、師導生創、師生共創，創造出一批可面向市場銷售的創新產品、教學用具。同時，課程建設對于專業群的建設也起到了推動作用，其成效主要體現在以下兩方面。

（一）推動了專業群的課程體系改革，提升了人才培養質量

基于工作過程系統化的開發思路解構了中職工科類專業原本分散獨立的、以存儲知識為主的學科體系結構，使創新教育課程體系重構成了以應用知識為主的工作過程結構，推動了專業群的課程體系改革。而以機器人小車的設計與控制的教學載體則融合了機械技術、電子技術、控制技術、傳感器技術、信息技術、人工智能等多門學科的先進技術，使跨專業的各交叉學科有序融合，實現了知識與技能的整合，使專業群的人才培養方向由“單一型”向 “復合型”“創新型”轉變。

（二）促進了共享師資培養，帶動了共享實踐平臺的建設

基于課程本身是一門跨學科融合的課程，課程團隊包括了來自機電、數控、工業機器人和汽車四個專業的專業教師及企業工程師。借助課程建設的橋梁，專業群將不同專業、交叉學科的教師隊伍整合在一起，打造了一批具備跨界、跨專業能力的教師隊伍，有力地促進了專業群共享師資的建設。同時，以易用性、開源性和擴展性為原則建設的多間創新實訓室及教學資源平臺，搭建了一個共享、開放的創新教育實踐平臺，給予學生更大的自主學習空間。

實踐證明，創新教育校本課程的建設，以點帶面，促進了專業群基于學科體系課程向行動體系課程轉變的課程改革，推動了共享實踐平臺的建設，打造了一批高質量的共享師資隊伍，提升了人才培養質量，有力地帶動了智能制造專業群和汽車專業群的整體建設。

四、延伸

在當前“雙高計劃”的大背景下，專業群的課程建設是職業教育提升人才培養質量的重要載體，創新教育校本課程的建構，促進了專業群內涵建設，凸顯了校本課程特色，但是如何更好地落實課程的延續性，將其與專業群的其他課程統整，發揮課程合力，提升育人效果，仍任重而道遠。

[基金項目：廣東省教育科研“十三五”規劃2019年度教育科研一般項目課題“AI背景下中職汽車專業群人才培養的研究”（課題批準號2019YQJK048）;廣州市黃埔區教育科學“十三五”規劃2019年面上一般課題（編號2019017）“基于創新能力培養的中職機器人電子設計校本課程開發研究”的研究成果之一。]

責任編輯 朱守鋰