面向高等职业教育的创客教育模式设计

    朱轶 刘会霞 申屠浩

    

    

    摘要：近年来，创客教育已成为国内教育界备受关注的探索方向，但如何理解和开展创客教育，还困扰着部分职业院校教师。针对这一问题，本文通过分析创客教育的支撑性理论，归纳创客教育的特征，建立了基于Android/樹莓派/Arduino/机器人的创客教育模式，并详述了此模式下创客空间建设、创客基础知识教学、拓展训练三个环节，希望能为创客教育的推进提供有益参考。

    关键词：创客教育模式;创客空间建设;创客基础知识教学;创客拓展训练

    中图分类号：G642 ?文献标识码：A ?论文编号：1674-2117（2019）24-0106-04

    ● 创客教育剖析

    “创客”一词源自英语“Maker”，通常指从个人兴趣出发，不以盈利为目标，借助现代信息技术以及开源软硬件技术，努力把各种创意转变为现实，并乐于分享自我创意与作品的群体。“创新、创造、分享、协作”是创客的四个基本特征，由于创客代表了一种自主创新的原创精神，是潜在的创业者，是推动未来国家经济发展的后备力量，因此如何开展有效可行的创客教育，成为当前中国高等教育与职业教育领域备受关注的热点问题。

    创客教育旨在培养具有创新思维、创造能力、分享精神、协作意识的创客人才。该培养目标决定了创客教育需要提供创造、协作、分享、交流的环境，教授创新与创造的基础知识，设计学生自我创新、协作创造的实践过程。对应这三个培养要求，笔者认为完整的创客教育模式应包括三个环节：创客空间建设、创客基础知识教学、创客拓展训练。其中，创客空间建设是创客教育实施的前提，基础知识教学是创客教育的基石[1-2]，拓展训练是创客能力培养的核心。上述三个环节，缺一不可，因此，笔者认为创客教育可定义为：以各类新兴开源软硬件技术为教学内容，以创客空间为实践载体，以自主项目设计为训练方式，以实物创造为目标，倡导跨学科协作与团队协作，鼓励分享，培养创新能力、创造能力与团队协作能力的一种素质教育。创客教育与常规教育面对的都是学习者的知识提升与能力培养问题，主要不同之处在于，创客教育更多采用项目学习、做中学、社交协作学习等方式，提升学习者的知识与能力。

    ● 教育模式设计

    如何实施创客教育，是当前众多高职院校教师所关注的问题。鉴于绝大多数创客作品都由机械平台、下位机（单片机）、上位机（PC或者ARM主机）、远程控制端（移动手机或者平板）组成，因此高职院校的创客教育中推荐以机械设计、下位机开发、上位机开发、远程控制端开发的知识教学以及实践为主体内容。经过多年的教学实践，笔者探索出一套基于Android/树莓派（Raspberry Pi）/Arduino/机器人的创客教育模式：Android代表远程控制端的开发;树莓派可运行Linux或Win10操作系统，代表上位机开发;Arduino代表下位机开发;机器人代表各种类型的机械载体，如机械车、机械手臂等，结合3D打印技术，可灵活构建、制作作品所需的机械形体。由于创客教育的本质是首先完成基本知识教学、基础开发能力训练，之后提供让学生自由发挥的环境与条件，让他们在实践创造中成长，因此在掌握这四部分知识的基础上，学生团队可以自由发挥创意，并转化为现实，逐步踏上创客之路。

    1.创客空间建设

    当前创客空间建设的难点，主要集中在需要购置哪些设备上。本模式主要通过购置Arduino开发套件、树莓派开发套件、3D打印机、机器车以及机械手臂等机械平台，构建创新开发的空间环境。Android开发硬件，可直接利用学生自有的Android手机，无需另外购置。

    右表为推荐设备清单，建议的创客空间建设方案包括Arduino控制与设计模块、树莓派嵌入式开发模块、机械载体与设计模块三部分，按30组（每组2～5名学生较为合适）进行设备配置，同时满足教学与创新设计的基本需求。

    2.创客基础知识教学

    创客空间建设后，应思考两个重要问题：教什么？如何教？第一个问题指向教学内容设计，第二个问题指向如何获得良好的教学效果。

    （1）教学内容设计

    本教育模式以Arduino、树莓派、Android开发作为教学内容，分别讲授下位机、上位机、远程控制端的开发知识（如图1）。

    ①Arduino教学目标是下位机的开发，训练学生掌握如何利用单片机感知环境参数（如温湿度、光强、声音强度等）、控制输出设备驱动机械平台、与上位机通信。对于单片机而言，读取环境参数依靠读取各类数字或者模拟传感器;输出设备主要就是三类：直流电机（用于驱动机器车的轮子、拖动窗帘打开/关闭等）、舵机（用于机器人/机械手臂的关节控制）、继电器（用于开关类设备）;上位机通信模式主要是有线串口通信、无线蓝牙通信、无线Xbee通信。因此，Arduino的教学知识点包括数字I/O口控制、模拟I/O口控制、直流电机控制、舵机控制、串口通信、蓝牙通信、Xbee通信等。

    表中Arduino模块的设备购置与这部分的教学内容吻合，设备除了用于基础知识教学，也可用于拓展训练中的创新作品设计。

    ②树莓派的教学目标是帮助学生掌握上位机的开发技术，设计出更为复杂的智能化处理逻辑。不同于单片机，上位机是基于某种操作系统运行，可采用高级语言来开发程序，支持数据库，支持音、视频处理，所提供的服务能力与处理能力更为强大。由此可见，上位机教学应至少包括操作系统的使用教学、高级语言的开发教学。树莓派的操作系统是Linux，因此教学知识点涉及Linux使用、Linux下的应用服务部署（如tomcat等，这是发布Web services的基础）、Python语言开发、基本I/O控制（如直接控制Arduino）、Linux下的网络通信开发（串口、Socket）、SimpleCV视频处理（便于开发集成摄像头的创客作品）。表中的树莓派模块投入不大，但能完全满足上述教学内容的实践训练，以及拓展训练中的作品开发。

    ③Android的教学内容帮助学生掌握开发移动客户端程序以及与服务器（上位机）远程交互技术，由基本教学内容与可选教学内容组成。基本教学内容为基于Eclipse与Java的Android传统开发，可选教学内容为PhoneGap/jQuery Mobile/HTML5的跨平台开发（指的是开发的移动应用可以直接部署在IOS/Android/WPhone等多种操作系统上）。基本教学内容的知识点包括Layout与UI设计、基本Widget使用、多页面与传值、数据存储与Sqlite数据库、网络通信方法;可选教学内容的知识点包括PhoneGap基础、jQuery Mobile与HTML5、Javascript基础、本地硬件控制、与服务器交互等。知识学习效果可以通过手机远程控制表中机械载体与设计模块所列的智能小车加以测试。

    （2）教学方法设计

    上述教学内容涉及单片机、嵌入式、移动终端开发三个层次，知识点较多，且实践性强，单纯通过课堂教学，短期内难以完成，建议教学方法采用“线上—线下（O2O）”混合式教学以及协作学习的模式（如上页图1）。

    O2O混合式教学实施中，线上课程应能提供完整的教学PPT、重要知识点的微课视频、部分教学演示案例的视频、网络题库、电子参考资料等，以便学生可以自学。线下课堂在创客空间中教学，首先由教师讲解整体开发过程与若干重要知识点、示例工程案例，然后学生在教师指导下完成每部分学习内容的开发实践，撰写代码，通过实际运行进行结果测试。不同于常规课程的在线作业提交，实践结果无法在线提交，所以线上自主学习、线下实践与检查是一个合理的措施，建议线上线下的学时分配比例为4∶6。2018年，笔者在“学堂在线”建设了“移动互联网开发”课程[3]，并已面向江苏农林职业技术学院物联网工程专业开展了O2O混合教学实践。实践结果显示，在常规教学学时内，O2O教学方法更有助于扩大知识教学容量，给予学生更多实践训练机会，是高校开展“新工科”教学的一种理想教学手段。

    协作学习是针对创客教学覆盖知识过多而学习时间有限所提出的学习方案：当学习者知识基础较为薄弱时，可不要求完成全部知识点的学习，而是根据团队分工以及自身基础，选择部分内容重点学习后，即开始创客作品开发。在作品制作过程中，每个成员承担与所学知识对应的工作，并相互学习，逐步扩展自身的知识规模，最终协作完成全部知识点的学习。

    3.拓展训练

    通过前一阶段的学习以及开发实践，学生团队已经具备了创客设计所需要的知识基础，可以在教师引导下针对某一主题（如智能家居、智慧城市、智慧校园等）开展创新思维训练。学生团队结合实际需求调研，自行提出符合某一主题的创新设计课题，针对此课题，完成系统设计方案，通过与教师多次交流，完善课题设计方案，最终完成自主创新课题的开发工作。本环节教师无需过多参与，仅需答疑、评估学生设计方案，给出改进建设，学生团队利用创客空间进行设计、创造、交流。

    下页图2为一项创意作品示例：智能门铃，其设计思路由学生团队从生活中发掘。疲劳一天回家后，人们喜欢在沙发或者床上休息，如果此时来了访客按门铃，能否不去门边，直接在手机上看到访客视频并且通过手机开门？本项作品针对这一需求进行设计，利用树莓派作为中控设备，通过USB连接门上安装的摄像头，捕获视频信息，利用串口连接下位机Arduino，读取门铃按钮信息，驱动门轴上的电机控制门的开闭，通过WIFI与Android手机进行通信。当有访客到来时，按下门铃，Arduino检测到门铃按下事件，向树莓派发通知指令;树莓派收到指令后，捕获摄像头视频信号并发送至手机APP，房屋主人用手机看到访客，决定是否开门。如果开门，通过手机APP发送指令给树莓派，通过Arduino控制门轴上电机，最终打开房门。这一创意完全基于Android/树莓派/Arduino的知识完成，其设计结构也体现了当前创客作品的主流设计结构：机械平台、下位机、上位机、远程控制终端。由此可见，掌握了这几部分的开发知识，即掌握了创客所需的基础知识，具备了将创意转化为现实的能力。

    对于创意良好的创客设计，可以引导学生团队在创客空间、互联网进行创意与作品设计分享，使学生获得成就感，促进其主动深入学习;同时也可以鼓励、引导学生参加各类创新设计竞赛。

    ● 总结

    创客代表了一种原始创新精神，但并没有天生的创客，学习者并不是生而知之，创新总是建立在知识的基础上。要想培养创客人才，创客教育不可或缺。从高等教育的角度来讲，创客教育与我国一直倡导的创新教育一脉相承，只不过教学内容覆盖范围更广，实践培养要求更明确，更符合时代特征。

    就创客教育的实施而言，首先需要完成基本知识教学、基础开发能力训练，之后再提供环境与条件让学生自由发挥，让他们在实践创造中成长。在创客教育的实施过程中，教育者高度参与的“基础知识教学”环节非常关键，只有通过系统的专业知识学习与专业技能训练，学习者才能开始自主创新;脱离专业知识的创意，未必正确，也无法转化为产品。本文提出的“基于Android/树莓派/Arduino/机器人的创客教育模式”，建设成本较低，教学内容紧扣创客技术发展趋势，易于操作，可复制性强，希望能为国内从事创客教育的高等职业院校教育者提供有价值的教学参考。

    参考文献：

    [1]祝智庭，孫妍妍.创客教育：信息技术使能的创新教育实践场[J].中国电化教育，2015（01）：14-21.

    [2]雒亮，祝智庭.开源硬件：撬动创客教育实践的杠杆[J].中国电化教育，2015（04）：7-14.

    [3]朱轶.移动互联网开发[OL].http：//www.xuetangx.com/courses/course-v1：JSU+JSU001+2019_T1，2019.

    作者简介：朱轶（1977—），男，江苏镇江人，江苏大学计算机科学与通信工程学院副教授，硕士研究生导师，主要研究方向为创客教育研究。

    基金项目：中国学位与研究生教育学会课题（B-2017Y0604-106）;江苏省教育信息技术研究课题（20172224）;教育部高等学校工程训练教学指导委员会教育科学研究重点项目（JJ-GX-JY201707）;江苏大学2017年教改重点课题（2017JGZD015）。