基于创客文化的实验室开放平台建设研究与探索

胡福文, 徐宏海, 张超英, 毕 松, 丁维龙

(1. 北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京 100144；2. 北方工业大学 电气与控制工程学院,北京 100144； 3. 北方工业大学 计算机学院, 北京 100144)

基于创客文化的实验室开放平台建设研究与探索

胡福文1, 徐宏海1, 张超英1, 毕 松2, 丁维龙3

(1. 北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京 100144；2. 北方工业大学 电气与控制工程学院,北京 100144； 3. 北方工业大学 计算机学院, 北京 100144)

创客是新工业革命的弄潮儿,是未来个性化制造模式的推动者。创新型人才培养实践教学活动和创客活动本质上是一致的,基于这一点首先阐明了人才培养创客化的基本内涵。进一步基于创客文化,结合实验室创客平台建设的实践历程,阐述了在自制造环境建设、开发硬件平台建设、团队建设和实验室文化建设等方面开展的有益探索。最后客观分析了实验室创客平台发展建设过程中存在的实际问题,提出了实现实验室创客平台可持续发展的应对策略。

创客文化； 自制造； 实验室开放

基于互联网的资源分享平台、极客(Geek)社区、创客(Maker)社区以及微信、微博等自媒体传播交流平台,对于激发大学生创新热情、开阔创新眼界、提升创造能力、促进技术交流和资源共享所起的作用越来越大。此外,Arduino、BeagleBone、Raspberry Pi等开源硬件平台极大地降低了产品开发的门槛和成本,3D打印技术、数字制造技术的普及极大地降低了产品制造的门槛和成本,从而使创客运动在全球范围内蓬勃兴起[1-2]。基于上述背景,将创客文化和实验室开放有机结合,探索高等学校实验室开放平台建设的新理念和新途径,促进人才培养创客化,对于全方位提高大学生和研究生的创新、创造和创业能力具有重要意义。

1 人才培养创客化的基本内涵

2012年,美国著名网络杂志《连线》主编克里斯·安德森(Chris Anderson)的著作《创客:新工业革命》[3]出版后,让“创客”一词风靡网络,让创客群体受到了前所未有的广泛关注。尽管“创客”一词至今没有统一的准确定义,但是其基本内涵却被广泛认同,即利用开源的硬件平台和软件平台,进行创意和创新,然后利用3D打印技术、数字制造技术或传统制造技术,制作出原型样机,并进一步利用互联网(例如众筹平台)将原型样机转化成产品。简单地说,创客就是新技术条件下从事创新、创造和创业的一类“新人”。毫无疑问,创客是互联网向制造业深化、数字化直接制造技术发展、开源软硬件平台兴起等综合作用的产物,是传统 “DIYer”的升级版,是新工业革命的弄潮儿,是未来个性化制造模式和“自时代”的推动者[4-5]。

创客文化的基本内涵是创新,同时特别强调“做中学(learning through doing)”,注重实现样机制造和产品化推广。可以看出创客文化内涵与高等学校大力倡导的“创新、创造和创业”三创教育在本质上是一致的,只不过前者可能更加注重基于互联网开放资源的自主学习、自主创新、自主制造和自主创业,而后者可能更加注重基于系统理论学习的教师指导下创新、创造和创业。显然,在互联网无处不在、网络资源爆炸式增长、每个人都是网络客户端的情况下,发扬创客文化,主动在人才培养实践教学环节中推广创客运动,促进人才培养创客化是大势所趋,也是促进创新型、综合型人才培养的新途径。

1.1 人才培养创客化的本质仍是培养创新型人才

人才培养创客化,首先不是让学生自己完全依赖互联网资源和自制造工具进行创新、创造和创业,这是因为在专业知识体系和技能体系上,大部分学生还不能和已经成为“创客”的人相比,另外大部分学生在求学期间也很难独自获得齐备的自制造工具和设备。其次,人才培养创客化更不是传统意义上的让学生参与预先由导师设计好的、验证性的实验项目或目标明确的科研项目,而是在“教学平等”的原则下,基于“做中学”的创客文化,针对有价值、有兴趣的课题,教师和学生共同参与、共同创新、共同制造原型样机、共同借助互联网将样机转化成产品的过程。在这个过程中,学生的学习兴趣得到充分激发,学生的创造能力得到充分锻炼,学生的创业能力也可以通过互联网平台获得科学、广泛的评价机会。人才培养创客化从概念上来说比培养创新人才内涵更丰富,更具有时代感,更加能面向新工业革命的需求。

1.2 人才培养创客化的主要平台是实验室开放

首先,创客活动离不开相关软件平台和硬件平台,离不开3D打印机、数控加工机床等设备以及大量的仪器、工具和材料,离不开和互联网环境下的实时交流,这种创客环境既无法在图书馆中建立,也无法在满是桌椅板凳的教室中建立,只能依靠实验室开放才能建立起来。其次,目前大部分大学生的基础工程实践能力严重不足,已经成为开展创客活动的瓶颈,也需要通过实验室开放进行强化训练和提高。因此,实验室开放是人才培养创客化的根本渠道。当然,人才培养创客化对实验室环境也提出了更高的要求,比如说齐备的自制造环境等。

1.3 人才培养创客化是新工业革命的必然要求

以3D打印技术、数字化制造技术、机器人技术、智能硬件、物联网等新技术蓬勃应用为标志的新工业革命已经到来[6-7],终端应用产品的客户化定制生产将在很大程度上取代大批量规模化生产。传统 “专业细分”下的人才培养体系,将一个完整产品所涵盖的技术理论知识划分得支离破碎,从而使仅依靠某个专业的学生根本无法实现个性化制造的“精确拼图”。因此从面向未来、长远发展的角度看,打破专业界限,基于多学科、跨专业,“跨界融合、集成创新”,实现人才培养创客化,是高等学校工科专业适应新工业革命发展的必然要求。

2 实验室创客平台建设的实践探索

实验室开放是人才培养创客化的主渠道,同时,人才培养创客化对实验室环境建设也提出了更高的要求。由于专业细分和历史发展原因,很多高校的实验室都是专门功能或单一功能的实验室,根本不具备开展创客活动所需要的完整条件。或许从整个学校的视角看条件是具备的,比如说数控机床在数控中心,3D打印机在工业设计实验室,开源硬件在电子实验室。但是,学生开展创客活动的时候,在这么多不同部门管辖的实验室之间穿梭,从时间效率上来说不科学,另外由于不同实验室的管理制度和有关教师对待学生实践态度的差异,也会影响学生开展创客实践活动的积极性。比如说有的学生去某个实验室借用加工设备时,有关教师一句“设备坏了,正在维修”或者“现在正忙别的工作,无法使用”,就将满怀创造热情的学生打发了,而学生也无法去进一步深究，究竟真的是设备坏了，还是教师在推诿。因此,建立适合人才培养创客化的实验室开放平台并不是一件简单的事情。当然,若是学校自上而下推动此事,进行资源整合,加大资金和场地投入,建立面向人才培养创客化的实验室开放平台,是最好不过的事。这不仅需要学校领导的大力支持,需要教学理念的根本转变,需要资源的整合,需要建设周期,更需要建立配套的师资队伍[8-9]。

近2年多来,我们结合实验室原有的基础,着眼于培养创新型人才,坚持自下、主动推进实验室创客平台建设,采取了一些实验室开放平台化建设措施。

2.1 因地制宜,多方筹措,建立实验室创客平台的“自制造”环境

齐备的自制造工具和相对完整的自制造环境,是开展创客活动的前提条件之一。我们实验室原来有1台小型的三轴数控加工中心和1台小型的数控车床,为了满足学生创客活动需求,补充购买了一些刀具、夹具,基本上能够满足小型零件的数控加工要求。后来,又通过DIY的方式自制了1台3D打印机和1台小型摇篮式五轴联动数控机床。应用效果证明,自制的设备在性能上和商业化的同类设备不相上下,但是通过自制设备不仅节省了资金投入,也是一次非常好的创客活动。在学校的支持下,通过北京市教学专项建设进一步购买了正版的PowerMILL、Vericut等计算机辅助制造软件。另外,实验室还逐步配备了型材切割机、微型折弯机、线号机等辅助工具,建立了一个相对完整的 “自制造”环境,极大地方便了学生,基本上能够满足学生开展创客活动的需要,如图1所示。

图1 实验室创客平台的自制造环境

2.2 因材施教,鼓励探索,逐步建立面向创客实践开发和创新应用的硬件平台

降低硬件开发入门门槛,提供多层次、多类型的硬件开发平台,是大规模开展创客活动的第2个前提条件。为了便于不同专业背景、不同兴趣取向的学生都可以开展创客活动,实现创客梦想,目前实验室主要提供了3种类型的硬件开发平台:一是基于80C51内核或与80C51兼容的通用单片机开发应用平台,该平台适合有单片机基础的学生开展创客活动。二是提供了一个起源于意大利的易学、易用的开源平台Arduino[10]。实践证明,Arduino开源平台非常适合没有单片机基础的学生上手学习和进行创意产品的开发。三是提供了基于三菱PLC的工业创新应用开发平台,该平台直接面向工业创新应用,既有利于学生开展创客活动,又有利于学生将来的求职就业。

2.3 注重实验室创客平台的团队建设

逐步建成了一支从一至四年级本科生和硕士研究生共同参与的梯阶式创客团队,确保薪火相传、持续发展。团队创建的初期,指导教师花费很大的精力指导刚入实验室的学生学习相关知识、掌握相关工具,带一届学生后,对于后续加入的学生,主要让培养过的学生带他们开展创客活动。其次,随着加入创客团队人数的增多,逐步建立了“周值—周签—周报”的规范化制度。周值即安排学生每周在实验室值一次班,这一方面确保了学生在实验室的活动时间,另一方面保证了实验室7×12 h对外开放；周签即要求学生每周到实验室报到3～4次,这主要是保证学生和教师的见面交流机会；周报即团队每周定期举行集体交流汇报活动,平均每个学生2～3周做一次报告,这既是促进学生学习的方法,也是团队共同交流学习的平台。

规范化的管理不仅确保了创客团队的和谐发展,也从根本上促进了学生自身综合能力的提高。此外,还建立了“比学习、比创新”的激励制度,每学期根据学生在创客平台中的表现给予适当的奖励,增强学生参与创客活动的荣誉感和成就感。

2.4 注重实验室创客平台的文化建设

大力弘扬创客文化,形成统一的文化认同。首先,制作了以“创新、创造、创业、行动、团队”为主题的挂图,挂在实验室的墙上,潜移默化地影响学生的日常行为。其次,充分利用QQ群和微博等自媒体空间,逐步建立资源分享、即时交流的共享沟通平台。周报的PPT和录像,以及有价值的学习资源均共享到QQ群空间里,不仅方便了大家的学习交流,也有利于培养学生积极分享、乐于分享的创客精神。

总之,经过2年多的建设和发展,我们大力推动的实验室创客平台建设已经取得了一些建设成果,主要体现在以下几个方面:

(1) 创新作品数量大量增加,质量大幅提高,制造周期大幅缩短。近2年来,创客团队所设计制作的各类作品已经在第六届全国大学生机械创新设计大赛、第八届全国大学生电气与自动化大赛、北京市第二届大学生工程训练综合能力大赛、首都高校第七届机械创新设计大赛、第四届北京市属高校“创想杯”多媒体课件制作与微课程大赛等国家级、省部级科技竞赛活动中获奖累计5项,学生署名发表EI检索论文2篇,申请国家专利5项,登记软件著作权2项,此外团队中2名学生被顺利保送清华大学读研究生。

图2为获得第六届全国大学生机械创新设计大赛二等奖的作品。该作品紧扣大赛“幻·梦课堂”主题,面向“机械原理”课堂教学,基于仿生学原理,综合应用齿轮传动、凸轮传动、多级连杆机构、偏心齿轮传动等多种运动机构,设计并制造出了一个仿生“机械马”,直观、生动、形象地体现了“机械原理”课程的大部分知识点。另外,作品采用触摸屏和二维码等2种人机交互方法,综合应用单片机、步进电机、直流电机、舵机等，实现了“机械马”运动的交互式、参数化控制,显著提高了课堂教学的互动性,最大限度地激发了学生的学习兴趣。

图2 实验室创客平台的创新作品“马到成功”

(2) 初步建立了“从基础工程实践、到创新作品制作、到工业创新应用”相对完整、覆盖面广的实验室创客平台体系。该体系具有“激发创新、注重实践、学科融合、开放充分”的鲜明特征,可以充分满足不同兴趣学生的发展需求,最广泛地吸引乐于实践的学生加入到创客平台上来学习、实践和创新。其中基础工程实践训练主要是针对学生在金工实践训练、电子工艺实践训练、编程实践训练、三维建模实践训练等实践教学环节方面的不足,进一步强化训练,为后续开展创客活动奠定基础。

3 实验室创客平台建设遇到的问题分析

尽管基于学校大力支持和我们积极推动,实验室创客平台建设取得了一定的效果,但是在建设过程中也遇到了一些问题。

3.1 没有专项资金支持

实验室开放平台化建设是一项长期的工作,因此需要持续不断的资金支持,但在实际操作过程中却没有专项资金来支持这项工作。

实验室创客平台资金消耗的一个特点是“零刀子割肉”,有时候买点耗材钱尽管不多,往往需要到处找钱,而且大部分情况下要得挺急,因而只能暂时由教师的科研经费或个人工资进行垫付,然后再到处找地方报销,而报销时往往也会遭遇各类意想不到的问题。

实验室创客活动的材料消耗相对成本较高,这是因为从事创客活动的学生大多缺乏工作经验,实践动手经验也往往不足,因此实践过程中电子元件烧坏、数控刀具折断、零件反复加工等都是常态,还有学生在加工一个非常小的零件时,为了装夹和加工方便,直接在一大块原材料中间位置加工,从而导致一大块原材料只能当废料用了。这些问题,有些通过教师指导和提醒或可避免,有些则只能归入“创新成本”。因此,当我们反复强调培养大学生创新能力的时候,最好也要做好支付“创新成本”的准备。

3.2 教师量化考核问题

实验室创客平台建设需要负责教师个人付出巨大努力,其中很多工作无法进行量化考核。

首先,从时间上来说,实验室开放尽管受到所谓的重视,但是仍然被定性为教学计划外活动,这就意味着教师只能牺牲下班时间、周末时间和节假日时间来指导学生开展创客活动。

其次,创客活动历经方案创新、样机制造、调试改进等多个环节,涉及机械、电子、电气、控制、编程等多学科的理论知识和工程实践经验,是一个“精确拼图”、硬碰硬的过程。但是,实践过程中发现,学生课堂学到的知识往往仅停留在表面,稍微复杂一点或应用性强一点的知识,不是教师上课没讲,就是学生上课没听懂,课堂理论教学和实践应用之间存在很大的缝隙。比如说大部分学生在大一就学过C++编程,但是在基于Arduino平台进行开发编程时,怎么创建一个函数库,怎么进行位计算,近乎100%的学生不会。再比如说,数控机床操作在大一金工实习时都学过,但是却很少有学生能独立完成一个零件从编程到装夹、加工的整个过程。诸如此类问题,不胜枚举。这些知识均需要负责教师给学生进一步深化讲解和提高训练,才能确保创客活动的顺利开展,才能保证创新作品的“精确拼图”。这不仅提高了对负责教师自身的要求,也极大地增加了教师的“无法计入岗位考核”的工作量。

3.3 实验室开放重视程度不够

实验室开放受到的重视程度还远远不够,这显然不利于创新型人才和工程应用人才的培养[11-12]。

首先,从学生个人层面上来说,大一刚入学还萌萌哒,大二时要考英语四级,大三就要准备考研或出国,大四要忙于求职就业,而且平常的课堂教学也排得非常满,因此有些学生尽管非常有兴趣从事创客活动,也不得不放弃或中断实验室活动。

其次,从学校层面上来说,实验室开放活动被视为教学计划外活动,不仅拿不到黄金时间,在课外也无法和社团活动竞争。团、学活动方面有系统的领导、成熟的组织体系以及较为完善的激励制度,而实验室开放活动目前还做不到这一点,只能在夹缝中求发展。

再者,从教师个人发展方面来说,学校目前重点考核青年教师的科研项目和论文数量,因此搞不搞实验室开放对教师来说并不是十分必要。

尽管实验室开放、图书馆开放、运动场开放和课堂教学被称为人才培养的四驾马车,但实际上实验室开放却连个马尾巴都不如。

4 结束语

着眼于新工业革命的兴起,充分发扬“创新、创造、创业、分享”的创客精神,大力推进创客运动进实验室,促进人才培养创客化,是非常值得探索的人才培养模式。完备的自制造环境、健全的开源硬件平台、“做中学”的创客文化、薪火相传的创客团队是实验室创客平台的四大支柱。推动创客活动进实验室,促进实验室创客平台建设和人才培养创客化,绝不是一个简单的理念创新,更需要从人才培养体系改革、教学管理制度改革、教师考核制度改革等方面去配套,才能促进其可持续发展,最终服务于国家和社会未来发展的大局。

References)

[1] 王运宝.自时代,新浪潮[J].决策,2013(6):22-24.

[2] 夏自钊.创客:“自时代”的造物者[J].决策,2013(6):26-28.

[3] 克里斯·安德森 .创客:新工业革命[M].萧潇,译.北京:中信出版社,2012

[4] 姜奇平.创客:再工业时代的新人[J].IT经理世界,2012(22):104-105.

[5] 姜奇平.史诗般的创客与新工业革命[J].互联网周刊,2012(23):6.

[6] 陈以一,李晔,陈明.新工业革命背景下国际工程教育改革发展动向[J].高等工程教育研究,2014(6):1-5.

[7] 邱学青,李正,吴应良.面向“新工业革命”的工程教育改革[J].高等工程教育研究,2014(5):5-14.

[8] 许安国,赵艳娥,张家栋.建设高水平实验技术队伍的思考与探索[J].实验技术与管理,2014,31(4):6-8.

[9] 贺强,张磊,侯德俊.探析高校跨学科实验室人才队伍建设[J].实验技术与管理,2014,31(4):12-15.

[10] Severance C.Massimo Banzi:Building Arduino[J].Computer,2014,47(1):11-12.

[11] 顾留华,夏海兰,党传升,等.建立实验室开放运行机制的思考与实践[J].实验技术与管理,2008,25(2):157-159.

[12] 张艳芬,刘中成,耿强,等.新形势下高校实验室开放管理与运行机制的研究[J].实验技术与管理,2013,30(3):180-183.

Research and exploration on laboratory opening platform based on maker culture

Hu Fuwen1, Xu Honghai1, Zhang Chaoying1, Bi Song2, Ding Weilong3

(1. School of Mechanical and Material Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China； 2. School of Electrical and Control Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China； 3. School of Computer Science and Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)

Makers are viewed as the leader of the new industrial revolution and the prime mover of the individual customization production in the future.Essentially the practice of the innovative talent cultivation is consistent with the maker activity.Firstly,the basic concept of cultivating college students into makers is illustrated.Then the development course of the laboratory maker platform based on maker culture is discussed in terms of self-make condition,hardware platform,and team building and maker culture construction.Finally,the problems in building the laboratory maker platform are analyzed objectively and the coping strategies are also provided simply.

maker culture； self-make； laboratory opening

2014- 11- 09 修改日期：2015- 02- 03

北方工业大学2014年教育教学改革和课程建设研究重点项目“基于工程理念的大学生综合能力创新培养模式改革与实践”

胡福文(1980—),男,山东成武,工学博士,讲师,研究方向为智能制造技术及工艺装备.

E-mail：hfw@ncut.edu.cn

G482

A

1002-4956(2015)7- 0244- 05