朱軼 劉會霞 申屠浩

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

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育模式;創(chuàng)客空間建設(shè);創(chuàng)客基礎(chǔ)知識教學;創(chuàng)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(chuàng)客教育剖析

“創(chuàng)客”一詞源自英語“Maker”，通常指從個人興趣出發(fā)，不以盈利為目標，借助現(xiàn)代信息技術(shù)以及開源軟硬件技術(shù)，努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實，并樂于分享自我創(chuàng)意與作品的群體?！皠?chuàng)新、創(chuàng)造、分享、協(xié)作”是創(chuàng)客的四個基本特征，由于創(chuàng)客代表了一種自主創(chuàng)新的原創(chuàng)精神，是潛在的創(chuàng)業(yè)者，是推動未來國家經(jīng)濟發(fā)展的后備力量，因此如何開展有效可行的創(chuàng)客教育，成為當前中國高等教育與職業(yè)教育領(lǐng)域備受關(guān)注的熱點問題。

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

● 教育模式設(shè)計

如何實施創(chuàng)客教育，是當前眾多高職院校教師所關(guān)注的問題。鑒于絕大多數(shù)創(chuàng)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(chuàng)客教育中推薦以機械設(shè)計、下位機開發(fā)、上位機開發(fā)、遠程控制端開發(fā)的知識教學以及實踐為主體內(nèi)容。經(jīng)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(chuàng)客教育模式：Android代表遠程控制端的開發(fā);樹莓派可運行Linux或Win10操作系統(tǒng)，代表上位機開發(fā);Arduino代表下位機開發(fā);機器人代表各種類型的機械載體，如機械車、機械手臂等，結(jié)合3D打印技術(shù)，可靈活構(gòu)建、制作作品所需的機械形體。由于創(chuàng)客教育的本質(zhì)是首先完成基本知識教學、基礎(chǔ)開發(fā)能力訓練，之后提供讓學生自由發(fā)揮的環(huán)境與條件，讓他們在實踐創(chuàng)造中成長，因此在掌握這四部分知識的基礎(chǔ)上，學生團隊可以自由發(fā)揮創(chuàng)意，并轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實，逐步踏上創(chuàng)客之路。

1.創(chuàng)客空間建設(shè)

當前創(chuàng)客空間建設(shè)的難點，主要集中在需要購置哪些設(shè)備上。本模式主要通過購置Arduino開發(fā)套件、樹莓派開發(fā)套件、3D打印機、機器車以及機械手臂等機械平臺，構(gòu)建創(chuàng)新開發(fā)的空間環(huán)境。Android開發(fā)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(shè)備清單，建議的創(chuàng)客空間建設(shè)方案包括Arduino控制與設(shè)計模塊、樹莓派嵌入式開發(fā)模塊、機械載體與設(shè)計模塊三部分，按30組（每組2～5名學生較為合適）進行設(shè)備配置，同時滿足教學與創(chuàng)新設(shè)計的基本需求。

2.創(chuàng)客基礎(chǔ)知識教學

創(chuàng)客空間建設(shè)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(nèi)容設(shè)計，第二個問題指向如何獲得良好的教學效果。

（1）教學內(nèi)容設(shè)計

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

①Arduino教學目標是下位機的開發(fā)，訓練學生掌握如何利用單片機感知環(huán)境參數(shù)（如溫濕度、光強、聲音強度等）、控制輸出設(shè)備驅(qū)動機械平臺、與上位機通信。對于單片機而言，讀取環(huán)境參數(shù)依靠讀取各類數(shù)字或者模擬傳感器;輸出設(shè)備主要就是三類：直流電機（用于驅(qū)動機器車的輪子、拖動窗簾打開/關(guān)閉等）、舵機（用于機器人/機械手臂的關(guān)節(jié)控制）、繼電器（用于開關(guān)類設(shè)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(shù)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(shè)備購置與這部分的教學內(nèi)容吻合，設(shè)備除了用于基礎(chǔ)知識教學，也可用于拓展訓練中的創(chuàng)新作品設(shè)計。

②樹莓派的教學目標是幫助學生掌握上位機的開發(fā)技術(shù)，設(shè)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(tǒng)運行，可采用高級語言來開發(fā)程序，支持數(shù)據(jù)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(tǒng)的使用教學、高級語言的開發(fā)教學。樹莓派的操作系統(tǒng)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(fā)布Web services的基礎(chǔ)）、Python語言開發(fā)、基本I/O控制（如直接控制Arduino）、Linux下的網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)（串口、Socket）、SimpleCV視頻處理（便于開發(fā)集成攝像頭的創(chuàng)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(nèi)容的實踐訓練，以及拓展訓練中的作品開發(fā)。

③Android的教學內(nèi)容幫助學生掌握開發(fā)移動客戶端程序以及與服務器（上位機）遠程交互技術(shù)，由基本教學內(nèi)容與可選教學內(nèi)容組成?；窘虒W內(nèi)容為基于Eclipse與Java的Android傳統(tǒng)開發(fā)，可選教學內(nèi)容為PhoneGap/jQuery Mobile/HTML5的跨平臺開發(fā)（指的是開發(fā)的移動應用可以直接部署在IOS/Android/WPhone等多種操作系統(tǒng)上）?；窘虒W內(nèi)容的知識點包括Layout與UI設(shè)計、基本W(wǎng)idget使用、多頁面與傳值、數(shù)據(jù)存儲與Sqlite數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信方法;可選教學內(nèi)容的知識點包括PhoneGap基礎(chǔ)、jQuery Mobile與HTML5、Javascript基礎(chǔ)、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(shè)計模塊所列的智能小車加以測試。

（2）教學方法設(shè)計

上述教學內(nèi)容涉及單片機、嵌入式、移動終端開發(fā)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(nèi)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(xié)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(wǎng)絡(luò)題庫、電子參考資料等，以便學生可以自學。線下課堂在創(chuàng)客空間中教學，首先由教師講解整體開發(fā)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(nèi)容的開發(fā)實踐，撰寫代碼，通過實際運行進行結(jié)果測試。不同于常規(guī)課程的在線作業(yè)提交，實踐結(jié)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(shè)了“移動互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)”課程[3]，并已面向江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開展了O2O混合教學實踐。實踐結(jié)果顯示，在常規(guī)教學學時內(nèi)，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(xié)作學習是針對創(chuàng)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(chǔ)較為薄弱時，可不要求完成全部知識點的學習，而是根據(jù)團隊分工以及自身基礎(chǔ)，選擇部分內(nèi)容重點學習后，即開始創(chuàng)客作品開發(fā)。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(guī)模，最終協(xié)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(fā)實踐，學生團隊已經(jīng)具備了創(chuàng)客設(shè)計所需要的知識基礎(chǔ)，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(chuàng)新思維訓練。學生團隊結(jié)合實際需求調(diào)研，自行提出符合某一主題的創(chuàng)新設(shè)計課題，針對此課題，完成系統(tǒng)設(shè)計方案，通過與教師多次交流，完善課題設(shè)計方案，最終完成自主創(chuàng)新課題的開發(fā)工作。本環(huán)節(jié)教師無需過多參與，僅需答疑、評估學生設(shè)計方案，給出改進建設(shè)，學生團隊利用創(chuàng)客空間進行設(shè)計、創(chuàng)造、交流。

下頁圖2為一項創(chuàng)意作品示例：智能門鈴，其設(shè)計思路由學生團隊從生活中發(fā)掘。疲勞一天回家后，人們喜歡在沙發(fā)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(shè)計，利用樹莓派作為中控設(shè)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(qū)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(fā)通知指令;樹莓派收到指令后，捕獲攝像頭視頻信號并發(fā)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(fā)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(chuàng)意完全基于Android/樹莓派/Arduino的知識完成，其設(shè)計結(jié)構(gòu)也體現(xiàn)了當前創(chuàng)客作品的主流設(shè)計結(jié)構(gòu)：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(fā)知識，即掌握了創(chuàng)客所需的基礎(chǔ)知識，具備了將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的能力。

對于創(chuàng)意良好的創(chuàng)客設(shè)計，可以引導學生團隊在創(chuàng)客空間、互聯(lián)網(wǎng)進行創(chuàng)意與作品設(shè)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(chuàng)新設(shè)計競賽。

● 總結(jié)

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

就創(chuàng)客教育的實施而言，首先需要完成基本知識教學、基礎(chǔ)開發(fā)能力訓練，之后再提供環(huán)境與條件讓學生自由發(fā)揮，讓他們在實踐創(chuàng)造中成長。在創(chuàng)客教育的實施過程中，教育者高度參與的“基礎(chǔ)知識教學”環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，只有通過系統(tǒng)的專業(yè)知識學習與專業(yè)技能訓練，學習者才能開始自主創(chuàng)新;脫離專業(yè)知識的創(chuàng)意，未必正確，也無法轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。本文提出的“基于Android/樹莓派/Arduino/機器人的創(chuàng)客教育模式”，建設(shè)成本較低，教學內(nèi)容緊扣創(chuàng)客技術(shù)發(fā)展趨勢，易于操作，可復制性強，希望能為國內(nèi)從事創(chuàng)客教育的高等職業(yè)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(chuàng)客教育：信息技術(shù)使能的創(chuàng)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(chuàng)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(lián)網(wǎng)開發(fā)[OL].http：//www.xuetangx.com/courses/course-v1：JSU+JSU001+2019_T1，2019.

作者簡介：朱軼（1977—），男，江蘇鎮(zhèn)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(chuàng)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(shù)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）。