创客教育背景下转型应用高校开源硬件实践课程的设计与探索

刘少江 许志明 倪伟传 王凤 万智萍

摘  要：从创客到创客运动的蓬勃发展，推动了创客教育的广泛开展和借助各类新兴技术不断演进。作为转型应用高校在此背景下，以服务区域经济和培养应用型高技能人才为导向，加入到创新实践教学改革的浪潮中，现代信息技术的融合和发展也促进了创客教育模式的快速发展，也成为高校创新创业教育实践的改革方案，如何开展更有效的项目学习和实践训练，是其中最本质的核心问题。开源硬件普及和发展正逐渐变成创新者有力的实践工具，对创客教育的发展起到了积极和推动的作用，开源硬件在转型应用型高校开展创客教育当中就扮演了最核心的角色，借助开源硬件修订相关的人才培养计划和设计课程的内容具有充分必要性，以教师、学生、课程、项目等几个方面探索基于创客教育的开源硬件实践课程的设计。

关键词：创客教育;开源硬件;实践课程;创新创业教育

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）09-0036-04

Abstract： From the innovator to the thriving movement of the innovator movement， it promoted the extensive development of innovator education and continued to evolve with the help of various emerging technologies. In this context， as a university for transformation and application， it is guided by the service of regional economy and the cultivation of applied high-skilled talents， and joined the wave of innovative practice teaching reform. The integration and development of modern information technology has also promoted the rapid development of the maker education model. It has also become a reform program for innovation and entrepreneurship education in colleges and universities. How to develop more effective project learning and practical training is one of the most essential core issues. The popularity and development of open source hardware is gradually becoming a powerful practical tool for innovators. It has played a positive and promoting role in the development of maker education. Open source hardware has played a central role in the launch of student education in transitional universities. The use of open source hardware to revise the contents of the relevant personnel training programs and design courses is necessary and sufficient， and teachers， students， courses， projects， and other aspects explore the design of open source hardware practice courses based on maker education.

Keywords： innovator education; open source hardware; practical courses; innovation and entrepreneurship education

2015年05月13日由国务院办公厅发布的《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》指出：高校应使创新精神、创业意识和创新创业能力成为评价人才培养质量的重要指标创新人才培养机制，改革教学方法和考核方式，强化创新创业实践[1]。作为地方转型应用高校在推动创新创业教育方面也存在很多问题，重视不夠，创新创业教育理念滞后，与专业教育结合不紧，与实践脱节严重，产生的问题的原因是多方面，跟教师、教学方式、实践平台、体系的构建等具有密切关系。互联网的发展，3D打印技术的广泛普及和开源平台逐渐成熟，各类高新技术的涌现，物联网的快速发展，推动了全球创客运动的风靡，在创客运动的带动下，创客教育从小学到大学各个层次均有开展，基于项目学习的STEAM 教育快速变迁到了创客教育，以MIT等国外名校为代表的创客教育把创新能力的培养推向了高潮。创客教育成为了信息技术使能的创新教育实践场，形成以学生为中心和与实践相结合的教育理念[2]。创客教育同样适用于地方转型应用高校，可以根据自身的条件建立实践平台，深化改革创新实践教育[3]，特别是人才培养方案的修订和课程的改革设计是夯实基础的核心深化改革内容，避免流于形式，教师需要加强创新创业教育的意识和实践能力，在国内如火如荼的双创背景下，尤其要培养的学生的创客精神，教师需要引领创客文化在校园的开展，这也是创客教育的核心内容。如何把创客教育落到实处，在地方应用型高校条件受限制的情况开展创新实践教育，以最基本最核心的课程设计作为起点创造条件来推动专业课程的改革，培养学生的创客精神，通过创新实践课程促进学生有想法就去做，而不是被动的接受教学知识。形成想法即动手，想法即尝试，想法即实现的氛围。

一、开源硬件的优势及对创客实践教育的影响

开源硬件指与自由及开放源代码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件开始考虑对软件以外的领域开源，是开源文化的一部分[4]。开源硬件的产生极大改变了创新的理念，硬件设计的公开以及社区的支持，形成了一种风靡全球的开源文化。在各类组织、团体和社区的组织下形成了以创客运动推动了多样化的开源硬件产品不断出现，从低端到高端符合不同要求的产品推陈出新，在这样的契机下，自然就影响到了创客教育，改变了传统方式的创新，共享协作的创新方法快速引导创客们积极创新制造，创新变的更容易，获取工具的价格越来越低廉，以各层次开源硬件开发的产品正改变和丰富着我们的生活，免费带来的好处就是促进了创客的分享精神，以更快的方式促进了项目开展和完善，越来越多的创客项目出现在社区，这本身就是一种很好的教育资源，越来越多的人加入到项目学习当中，同时也分享自己的创新作品和技术。开源硬件已经从上至下形成了完整产业链生态圈，为不同目标的创客教育实践提供了丰富的资源[5]。

二、开源硬件在创新实践教学中的应用

开源硬件拥有丰富的资源和不断积累的各类外设，免费持续更新的IDE平台和库文件和人气极高的开源社区。以快速创新和协作开发促进创客教育，也推动了创新实践教学的发展，特别是有丰富的产品线，从硬件设计到软件开发平台都可以免费获得，可以说对培养学生入门的动手能力非常有帮助，完全不需要任何理论知识就可以快速上手，对从高中过渡到大学的学生是一种创新实践入门的一种最有优势的衔接，也可以培养学生的创客精神和推动校园创客文化的发展。

（一）修订人才培养方案和开设基于开源硬件的创新实践课程

传统的工程技术类专业课程的人才培养方案都是通识课到专业基础课最后到专业课的模式，在专业基础课和专业课程中插入了实践课程，本身不存在任何问题，但是培养方案的计划忽略了学生在学习过程中状态变化的因素，从低到高逐渐学习专业知识，一步一个脚印，在具备专业基础知识的时候开始实验实训。这样情况会出现学生因为过长时间打基础学基础知识，导致后劲乏力，到了创新实践的阶段动力不足，最后就变成完成实践任务，浇灭了学习的热情。从高中过渡到大学一开始学习专业课程也不现实，基础的掌握很有必要，如何解决过渡的问题和贯穿大学四年的创新实践教育，离不开因地制宜以及和适宜的人才培养方案，根据行业和技术的发展，以及创客教育的影响，需要适时的修订人才培养方案，当然也需要防止为了跟潮流大刀阔斧的修改人才培养方案，在原有方案的大体知识体系培养的框架下，依据创客教育的理念修订人才培养方案是最好的解决办法。

在贯穿四年的大学创客教育中，要做到工程创新实践教育不断线，就需要合理建立相应的课程体系。关键就是从入校开始加强学生的动手能力，团队协作能力，还有写作、表达、沟通等能力，按照传统的课程教育体系，在毕业后培养的人才会出现很多不适应性，因为时间的推移，反而对理论知识的掌握的程度不高，遗忘了很多知识点，没有形成系统的体系，整体能力欠缺。其中一个很重要的因素就是动手太晚，缺乏对工程实践的认识，那么引入开源硬件设置基础的创新动手实践课程就是一种很有效的办法。因开源硬件的特性，刚好符合低成本、低空间等要求，也就是只需要配备最低限度的开源硬件产品和普通的实验室场地就可以覆盖所有的学生。可以在大一入学的第一学期，开设基于工程类的开源硬件基础创新实践课程，目的就是让学生一入校早入实验室早动手实践，并不需要等掌握基础专业知识之后才开始，这样可以很好的衔接过来，也相当于工程导论课弥补了工程教育的不足和引导了学生对工程实践的认知。先从大一的开源硬件基础创新训练课程开始作为切入点，之后每升一个年级就增加中阶、高阶到综合的涉及到开源硬件的创新训练课程。形成基于多种开源硬件的多层次创客实践教育体系。

（二）根据需求选择开源硬件平台

全球目前流行的开源平台包括：Arduino系列、树莓派、Galileo（伽利略）开发板等，从基础入门和使用的广泛性一般选择Arduino系列。Arduino包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）[6]。采用Arduino对刚入校的新生来说极易入门，可以快速上手完成各种项目，最重要的是其套装价格低廉，作为首选开源硬件的入门级平台放在大一第一学期，可以根据课程设置等情况后续年级可以选择更多功能、更高端的开源平台。

课程主要采用Arduino UNO版本，是入门和使用最广泛的版本，UNO的处理器核心是ATmega328P，如图1（a）所示，其带USB接口的微型版本为如图1（b）所示的Arduino Nano，当UNO版本的接口不够用的时候采用Arduino Mega 2560版本如图1（c）所示，Arduino/Genuino 101版本是Intel和Arduino聯手推出的开发平台，搭载的主控制器为Intel Curie如图1（d）所示，加入了蓝牙、六轴加速度计与陀螺仪传感器，相当于Arduino物联网开发平台[7]。可以根据实验室的具体情况选择UNO版本作为主要教学开发平台，涉及到更高级的根据学生的情况放到课下或者后续的课程当中，以便于开发复杂度更高的项目。

（三）基于创客教育模式的创新实践课程设计

针对刚入校的大一新生有必要早入实验室早实践早跟专业教师学习，以避免过多的基础理论学习致使学生的热情逐步降低对高年级的专业课程的学习造成一定的懈怠影响。开源硬件的学习因其容易上手和入门的特点特别适合应用于入校的学生激发一定的学科兴趣爱好，还可以根据教学的难易度和学生的接受程度逐步使用较难较高的平台。那么怎么设计创新实践课程就有一定的要求，特别是对没有基础的新生，需要从电子元器件、简单电路、仿真软件到项目书的撰写最后用Arduino平台进行开发项目，形成第一个学期的实践设计课程。如表1为基于创客教育模式的创新实践基础课程，根据学习情况，可以根据实验室器材的具体情况按照初、中、高级方式在每个学年安排从基础逐渐到高级应用的创新实践课程。

后期扩展的平台可以采用诸如树莓派这样的流行开发平台，学习基于Liunx系统的项目开发，如图2为树莓派model B+开发板。还可以采用STM32 NUCLEO开发平台，具有mbed功能支持Arduino接口，兼容Arduino巨大生态系统的各种Shield扩展板能够利用mbed开源软件平台、在线工具和mbed.org的合作基础设施开发创新应用[8]。如图3为STM32F401 Nucleo开发板。

（四）开源硬件創新课程对后续学习的影响

开设开源硬件创新课程对工科专业的学生可以在没有基础的情况下入学开展实践训练，涉及到的硬件、软件可以让学生更快的接触到，通过开源平台快速完成项目也是一种有效的手段，也促进学生学习专业基础课程的兴趣，开源平台具有强大的生态系统，各类应用比较成熟，上手快，资源多，学生课下以较低成本完成项目开发。在后续的基础专业课程的学习中是透过现象看本质，学习工作原理，这样以先实践再学习的方式激发学生的学习热情，避免让学生对过多的理论学习产生倦怠。通过创新课程做到有效衔接每个学年，采取理论与实践并重的方式教学。在各专业的课程学习中都可以引入开源硬件平台，为后续的专业课程打下基础，如物联网和机器人方面的课程体系，利用开源硬件快速开发简易项目，为深入学习积累必要的实践经验。

三、结束语

开源硬件是一种创新方式和理念的拓展，基于这种创新理念形成了强大的生态系统，以分享的方式促进了创客教育，反过来创客运动又带动了开源硬件的蓬勃发展，在学习和开发方面具有成本低、快捷方便等优势，非常适合各类学科和没有基础的学生，引入开源硬件设计创新实践教学具有一定的积极作用，特别是在转型应用型高校强调的培养技术技能型复合人才的背景下更是具有推动作用，在创客教育的背景下融入开源硬件促进实践教学以及设计更有效的实践教学模式是一种理念的革新，以开源硬件作为杠杆发挥出创客教育的更大的优势。

参考文献：

[1]中国政府网[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/13/content_9740.htm，2015-5-13.

[2]祝智庭，孙妍妍.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（1）：14-21.

[3]郭联金，王国胜，万松峰.以创客教育构建创新创业新生态[J]. 实验技术与管理，2016，33（5）：170-173.

[4]维基百科[EB/OL].https：//zh.wikipedia.org/wiki/%E9%96%8B%E6%BA%90%E7%A1%AC%E4%BB%B6，2016-1-4.

[5]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（4）：7-14.

[6]百度百科[EB/OL].http：//baike.baidu.com/item/Arduino.

[7]Arduino官网[EB/OL].https：//www.arduino.cc/.

[8]意法半导体官网[EB/OL].http：//www.st.com/en/evaluation-tools/stm32-mcu-nucleo.html？querycriteria=productId=LN1847.