林夏武

【摘要】文章主要以星輝賽車基于Arduino開發(fā)的動(dòng)力系統(tǒng)為例論述了STEM教育與創(chuàng)客教育在中職學(xué)校開展的可行性。賽車制作過程充分體現(xiàn)了科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)跨學(xué)科的交叉融合，學(xué)生在賽車的制作中起主導(dǎo)作用，學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力得到了極大的鍛煉。

【關(guān)鍵詞】STEM教育；創(chuàng)客教育；星輝賽車

一、STEM教育理念與創(chuàng)客教育

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。STEM 教育中四門學(xué)科的教學(xué)必須緊密相連，以整合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生掌握知識和技能，并能靈活遷移應(yīng)用解決真實(shí)世界的問題。融合的STEM教育具備的核心特征包括跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性和技術(shù)增強(qiáng)性等。

創(chuàng)客用于指代利用網(wǎng)絡(luò)、3D打印以及其他新興科技，把創(chuàng)意轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)，勇于創(chuàng)新的一群人。創(chuàng)客精神是指勇于探索的創(chuàng)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(xié)作交流的團(tuán)隊(duì)大智慧。李克強(qiáng)總理在2015年政府工作報(bào)告中指出，要推動(dòng)大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新，并親身探訪深圳柴火創(chuàng)客空間，國務(wù)院辦公廳隨后印發(fā)《關(guān)于發(fā)展眾創(chuàng)空間推進(jìn)大眾創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的指導(dǎo)意見》。隨著“創(chuàng)客”風(fēng)靡全國，開展創(chuàng)客教育也成為教育工作者熱烈討論的話題。創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)創(chuàng)客的興趣驅(qū)動(dòng)、動(dòng)手實(shí)踐、創(chuàng)意創(chuàng)新的核心品質(zhì)，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，促進(jìn)創(chuàng)新型、創(chuàng)業(yè)型人才的成長。

二、中職學(xué)校STEM教育與創(chuàng)客教育實(shí)施的優(yōu)勢與劣勢

中等職業(yè)學(xué)校學(xué)生職業(yè)目標(biāo)就是成為生產(chǎn)一線勞動(dòng)者，動(dòng)手能力是他們的強(qiáng)項(xiàng)。他們年輕，富有朝氣，二十歲之前成為獨(dú)當(dāng)一面的師傅的中職畢業(yè)生比比皆是，同時(shí)他們對新生事物有極高的熱情。學(xué)生接受STEM教育與創(chuàng)客教育宜早不宜遲，中職學(xué)生相比大學(xué)生更有優(yōu)勢。在中職學(xué)校，行動(dòng)導(dǎo)向法教學(xué)模式已經(jīng)非常普及，廣大師生都已經(jīng)習(xí)慣了“做中學(xué)、玩中學(xué)”的教學(xué)理念。學(xué)校建立了越來越多的一體化教學(xué)學(xué)習(xí)站、實(shí)驗(yàn)室，這些學(xué)習(xí)站稍加改造就可以成為STEM教育與創(chuàng)客教育的學(xué)習(xí)站。在中職學(xué)校開展STEM教育與創(chuàng)客教育具有極佳的客觀條件。

然而，全國大部分城市的職業(yè)學(xué)校招收的學(xué)生整體素質(zhì)普遍低于普通高中，學(xué)生分析問題、解決問題的能力較低，自我學(xué)習(xí)的能力也較差。STEM教育與創(chuàng)客教育對學(xué)生關(guān)鍵能力要求較高。STEM教育與創(chuàng)客教育的目標(biāo)正是提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決問題的能力。在中職學(xué)校開展STEM教育與創(chuàng)客教育，應(yīng)循序漸進(jìn)，建立易于入門的創(chuàng)客平臺(tái)，設(shè)置難度較低的操作項(xiàng)目，在學(xué)生關(guān)鍵能力達(dá)到一定水平之后，再開展難度較高的項(xiàng)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(yè)院校中開展的一項(xiàng)賽事，這項(xiàng)競賽類似大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車（FSEC），讓老師指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)想、設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造完成一輛小型電動(dòng)賽車，是一項(xiàng)工程技術(shù)賽事而非純粹的競速賽。賽事舉辦的目標(biāo)正是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決實(shí)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(jìn)行了現(xiàn)場展示及競速賽，今年11月在長沙進(jìn)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(yōu)異的成績，制作的賽車在工程技術(shù)上給賽事組織者留下了極佳的印象。

（二）參賽人員

在方案設(shè)計(jì)時(shí)，相比學(xué)生，教師只是比學(xué)生更有經(jīng)驗(yàn)的課題參與者，師生共同討論確定了設(shè)計(jì)方案。在參賽學(xué)生選擇方面，賽事規(guī)定必須由戴姆勒鑄星教育項(xiàng)目內(nèi)汽車運(yùn)用與維修專業(yè)的學(xué)生參加。每年每個(gè)合作學(xué)校奔馳班人數(shù)都是25人左右，是汽車運(yùn)用與維修專業(yè)三年級學(xué)生，在二年級經(jīng)過考試和面試進(jìn)入奔馳班。他們在一二年級完成了汽車運(yùn)用與維修專業(yè)課程，在校期間對項(xiàng)目教學(xué)法、行動(dòng)導(dǎo)向法等都已經(jīng)非常熟悉，具備較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)，在關(guān)鍵能力上較本校大部分學(xué)生都更強(qiáng)，具備開展難度較高的STEM項(xiàng)目的基礎(chǔ)。理論上奔馳班所有的同學(xué)都應(yīng)參加星輝競賽項(xiàng)目，但因?yàn)轫?xiàng)目是在課余時(shí)間和假期進(jìn)行，所以最終會(huì)形成一個(gè)七八名主力成員的制作團(tuán)隊(duì)，主要指導(dǎo)老師是戴姆勒鑄星教育項(xiàng)目教師，需要的時(shí)候，團(tuán)隊(duì)成員會(huì)尋求其他各專業(yè)教師的幫助，比如機(jī)械部的教師對車架設(shè)計(jì)及零件加工提供了關(guān)鍵的技術(shù)指導(dǎo)。

（三）場地選擇及設(shè)備要求

賽車制作是從車架設(shè)計(jì)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(tái)，且能安裝固定鋼管的支架。在車身制作的時(shí)候，需要進(jìn)行大量的鈑金操作，最后還需要進(jìn)行噴漆。因此，制作團(tuán)隊(duì)選定了學(xué)校鈑金噴漆實(shí)訓(xùn)室作為賽車制作主要場地。該實(shí)訓(xùn)室配備焊接設(shè)備、各種氣動(dòng)及電動(dòng)設(shè)備、調(diào)漆室、噴漆烤漆房等，各種必需的設(shè)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(jìn)行。

（四）項(xiàng)目執(zhí)行

學(xué)生制作的過程也是學(xué)的過程，涉及的知識、技能都是跨學(xué)科、跨專業(yè)的，學(xué)生需完成賽車車架懸架設(shè)計(jì)，外觀設(shè)計(jì)制作，零部件采購、加工、焊接、裝配，動(dòng)力系統(tǒng)編程，電路布置，調(diào)試等工作。為完成這些工作，學(xué)生需掌握ugNX、Solidworks、Arduino等多種開發(fā)平臺(tái)的運(yùn)用，同時(shí)在電商平臺(tái)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(lián)系贊助商支持。

以第二代賽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例。首先，制作團(tuán)隊(duì)確定動(dòng)力方案。有了第一年參賽的經(jīng)驗(yàn)，決定采用輪轂電機(jī)作為動(dòng)力源，即兩側(cè)車輪各用一個(gè)三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。相比第一代賽車單電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)，這個(gè)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(dòng)效率等方面的性能都有很大的提升，方案的確定體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)造性和技術(shù)增強(qiáng)性。

制作團(tuán)隊(duì)須解決的一個(gè)難題是驅(qū)動(dòng)輪的差速問題，機(jī)械傳動(dòng)采用的是傳統(tǒng)的差速器，而輪轂電機(jī)沒有差速器，如何形成驅(qū)動(dòng)輪的差速。這個(gè)問題對制作團(tuán)隊(duì)是一個(gè)不小的考驗(yàn)，師生們設(shè)想的解決方法是采用單片機(jī)編程控制兩側(cè)車輪的電機(jī)控制器，分別向兩電機(jī)控制器發(fā)送不同的占空比信號，從而實(shí)現(xiàn)車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)的差速。學(xué)生并沒有學(xué)過單片機(jī)，這是一個(gè)跨學(xué)科的挑戰(zhàn)，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(chuàng)客群體中最熱門的開源硬件之一，是一個(gè)開放的電子開發(fā)平臺(tái)。它包含了硬件——電路板、軟件——開發(fā)環(huán)境，還有許許多多開發(fā)者、使用者創(chuàng)造的代碼、程序。學(xué)生利用該平臺(tái)只需要通過簡單的學(xué)習(xí)，了解各個(gè)引腳和函數(shù)的作用，便可以利用它開發(fā)出各種出色的項(xiàng)目。系統(tǒng)開發(fā)期間教師啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用自己所學(xué)過的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)專業(yè)知識，找到了單片機(jī)控制與發(fā)動(dòng)機(jī)控制的共同點(diǎn)，包括電子電工原理、傳感器技術(shù)、信號的讀取與發(fā)送等等。學(xué)生們花了數(shù)周時(shí)間從入門到掌握Arduino的編程，并嘗試在小車模型上實(shí)驗(yàn)自己編寫出來的程序，在小車實(shí)驗(yàn)基本可行之后，學(xué)生再把程序應(yīng)用到賽車上。過程中充滿了趣味性、探究性及創(chuàng)造性，團(tuán)隊(duì)成員之間不斷交流，思維的火花不斷迸發(fā)，同時(shí)還需要?jiǎng)邮謱?shí)施。經(jīng)過數(shù)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(dòng)力系統(tǒng)。

在競速賽現(xiàn)場，學(xué)生對星輝賽車的設(shè)計(jì)制作特點(diǎn)進(jìn)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(jià)我校賽車無論是底盤、動(dòng)力還是在外觀設(shè)計(jì)等各方面都是最優(yōu)秀的?，F(xiàn)場參加星輝競賽是學(xué)生們難得的一次體驗(yàn)，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(xué)生在求學(xué)階段甚至終生難忘的一次體驗(yàn)。

星輝賽車制作是對STEM教育理念與創(chuàng)客教育的嘗試，最大的成果是對學(xué)生能力的鍛煉，教師在與學(xué)生共同完成賽車制作時(shí)能真切地看到學(xué)生每天取得的進(jìn)步，參與該項(xiàng)目的同學(xué)進(jìn)入工作崗位之后在企業(yè)都得到了很高的評價(jià)。

四、中職學(xué)校STEM教育與創(chuàng)客教育的建設(shè)設(shè)想

由于STEM教育與創(chuàng)客教育的實(shí)施對于環(huán)境、設(shè)備、教師素養(yǎng)等有一定要求，今后我們需積極探索深入推進(jìn)創(chuàng)客教育，形成系統(tǒng)、成熟、具體、有全面推廣價(jià)值的，符合中職學(xué)校教育特點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容與方法體系。這些都離不開學(xué)校及上級部門的支持。首先，在師資隊(duì)伍上需培養(yǎng)專門的項(xiàng)目教師，無論是技術(shù)上還是學(xué)生指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)上， STEM教育與創(chuàng)客教育項(xiàng)目對教師能力提出了較高的要求，因此，教師的培養(yǎng)需要時(shí)間和有效的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。其次，參與項(xiàng)目的學(xué)生應(yīng)盡早選拔，否則中職學(xué)生在校有限的時(shí)間內(nèi)無法融入項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中，學(xué)生的參與熱情和積極性也就很難建立。

在創(chuàng)客空間的建立上，美國最早創(chuàng)客空間的聯(lián)合創(chuàng)始人Mitch Altman認(rèn)為，創(chuàng)客空間并不需要物資上的奢華，最重要的是能夠?yàn)槊總€(gè)參與者提供一個(gè)可以自由交流思想、一起探索未知的環(huán)境。筆者認(rèn)為在現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)場地基礎(chǔ)上建立創(chuàng)客空間難度并不大，課程設(shè)置上也可以在現(xiàn)有課程基礎(chǔ)上嵌套基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)，例如在《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)檢測》課程中就可以融入Arduino平臺(tái)。利用Arduino平臺(tái)，學(xué)生可以嘗試編寫一些小程序，搭建電路模擬控制系統(tǒng)的工作過程，完成對某些電器原件的檢測。在這個(gè)過程中，學(xué)生會(huì)體驗(yàn)到以往從未體驗(yàn)過的學(xué)習(xí)樂趣，完成發(fā)明創(chuàng)造的成就感，與團(tuán)隊(duì)交流的歸屬感。

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

【參考文獻(xiàn)】

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