饒珺

【摘要】工程訓練是提高學生創(chuàng)新實踐能力的重要課程，在工程訓練教學中，引入創(chuàng)客項目對“新工科”建設大背景下的高校教學改革有重要意義。創(chuàng)客項目既體現(xiàn)了創(chuàng)客教育，也融合了STEM理念。依托工程訓練中心搭建創(chuàng)客基地，不僅有利于培養(yǎng)創(chuàng)新技術人才，也能提高中心資源利用率。本文以“測距報警系統(tǒng)”項目的設計過程為例，提出學生基于Arduino平臺開發(fā)系統(tǒng)、搭建電路進行調(diào)試的要求，以此響應工程訓練的教學宗旨，提高學生的創(chuàng)新和實踐能力。

【關鍵詞】工程訓練 STEM教育 創(chuàng)客教育 實踐教學 Arduino

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）44-0226-02

1.STEM、創(chuàng)客教育

（1）STEM教育

為適應當今電子信息技術的發(fā)展，提高學生專業(yè)技能和就業(yè)率，高等院校越來越注重STEM教育，即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）、數(shù)學（Mathematics）教育。STEM教育理念是包容性較強的跨學科綜合素養(yǎng)教育，包括計算機科學、調(diào)查研究、創(chuàng)造與革新、人文、藝術、體育等知識，旨在打破學科領域邊界，培養(yǎng)學生的科技理工素養(yǎng)和創(chuàng)新能力[1]。

STEM教育中心對STEM教育的解釋是“STEM教育是關于學生參與的學習，是基于項目的學習，它運用科學探究過程和工程設計過程，是跨學科的，是關于積極學習的，是關于合作和團隊工作的，是關于解決實際問題的……”。STEM教育是基于項目的學習，使學生在知識應用過程中不斷創(chuàng)造、設計、建構、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問題[2]。

（2）創(chuàng)客教育

傳統(tǒng)的科技創(chuàng)新是以技術發(fā)展為向導、科研人員為主體、實驗室為載體，隨著社會的發(fā)展，以用戶為中心、社會為舞臺的創(chuàng)新2.0模式開始蓬勃發(fā)展。近年來在校園內(nèi)外發(fā)展起來的創(chuàng)客（Maker）熱潮就是創(chuàng)新模式的轉變[3]。“創(chuàng)客”指擁有特定知識含量，具備創(chuàng)新、實踐、共享、交流的意識，愿意挑戰(zhàn)技術難題并將創(chuàng)意轉變?yōu)楝F(xiàn)實的人。

創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結合，基于學生興趣，以項目學習的方式，使用數(shù)字化工具，倡導造物，鼓勵分享，培養(yǎng)跨學科解決問題能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育[4]。在高校開展創(chuàng)客教育不僅可以激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情、培養(yǎng)其實踐能力，也可以提高學生樂于分享的道德品質(zhì)[5]。

（3）STEM教育和創(chuàng)客教育的關系

STEM教育是教育改革的組成部分，創(chuàng)客教育起源于社會文化，兩者是從不同維度描述同一教育內(nèi)容。大部分創(chuàng)客項目都具有明顯的STEM特征，分散的學科知識通過創(chuàng)客項目的“造物”過程緊密結合。如圖1所示，兩個橢圓區(qū)域分別代表STEM教育、創(chuàng)客教育，重疊部分為“造物的跨學科學習”[4]。

STEM教育和創(chuàng)客教育的教學模式一般包括基于設計的學習（簡稱DBL）和基于項目的學習（簡稱PBL），兩種教學模式都能促進學生的創(chuàng)新、解決問題的能力。在教學過程中，不用刻意區(qū)分兩者區(qū)別，STEM、創(chuàng)客教育是相互補充相互促進的[1]。

2.將Arduino創(chuàng)客項目引入工程訓練的意義

工程訓練是高等教育改革發(fā)展中一門新型實踐課程，將基本的工藝理論知識和實踐相結合，是培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新意識的重要教育環(huán)節(jié)。訓練內(nèi)容從傳統(tǒng)的機械制造、電子工藝、工業(yè)自動化控制逐步擴大到3D打印、激光雕刻、機器人及智能制造等。將創(chuàng)客項目引入工程訓練能加深學生對工程訓練內(nèi)容的掌握程度，能提高學生創(chuàng)造及團隊合作能力，培養(yǎng)將科研成果轉換為產(chǎn)品的技能型人才，在項目創(chuàng)造過程中充分體現(xiàn)工程訓練中心的硬件和軟件資源優(yōu)勢[5][6]。

開發(fā)創(chuàng)客項目的工具有很多，例如Raspberry，Eddison， Arduino等。不同工具對應的特點和適用人群不同，基于 Arduino平臺的創(chuàng)客項目，有操作簡單、拓展性強、價格低廉等特點[7][8][9]，具體如下：

（1）Arduino電路板具有體積小、易于擺放，具有豐富的外圍模塊，能很好的實現(xiàn)與其它電子元器件的對接，從而實現(xiàn)項目開發(fā)和應用。

（2）Arduino平臺開發(fā)語言簡單清晰，適合初學者入門學習。

（3）Arduino平臺開發(fā)環(huán)境支持Windows、Mac OS、Linux等系統(tǒng)，可在大多數(shù)計算機操作系統(tǒng)運行。

（4）Arduino平臺堅持開源理念，在網(wǎng)絡上容易找到大量共享資源，在協(xié)議范圍內(nèi)，也可以對源程序和代碼進行二次開發(fā)[10][11]。

3.測距報警系統(tǒng)設計

為推動汽車安全技術的發(fā)展，以傳感器和電子信息技術為基礎的智能駕駛安全輔助控制技術成為智能車輛研究和開發(fā)設計的焦點。在創(chuàng)客實驗室條件下，可以使用智能小車模擬真實汽車，對測距報警系統(tǒng)進行設計研究[12]。以超聲波測距報警系統(tǒng)的設計過程為例，學生在工程訓練中通過軟硬件環(huán)境的搭建，自主設計完成簡單的創(chuàng)客項目。測距報警系統(tǒng)項目涉及的外圍硬件產(chǎn)品包括：

（1）超聲波傳感器

超聲波傳感器可實時測量障礙物的距離，有敏感范圍大、無視覺盲區(qū)、不受障礙物干擾等特點。超聲波是頻率高于20KHz的機械波，超聲波傳感器利用晶體的壓電效應和電致伸縮效應，將機械能與電能相互轉換，實現(xiàn)對各參量的測量[13]。參照圖2（b），超聲波測距傳感器觸發(fā)信號后發(fā)射超聲波，當超聲波投射到障礙物反射回來時，輸出回響信號，通過計算觸發(fā)信號和回響信號間的時間差，來計算障礙物的距離。

（2）共陽極RGB LED燈

RGB（紅綠藍）LED封裝內(nèi)，有三個LED，包括紅色、綠色和藍色。通過控制各個LED的亮度，可以混合顯示所需顏色。共陽極RGB LED共有4個引腳，最長的引腳為正極，連接+5V，其他3個引腳可連接Arduino的PWM輸出口。

（3）面包板和杜邦線

面包板和杜邦線是創(chuàng)客項目中的必需品，面包板上的小插孔可根據(jù)需要隨意插入或拔出，免去了焊接，使電子元器件可以重復使用。杜邦線用于面包板的引腳擴展，可牢靠地和插針連接，耐用性高。在電子電路的組裝、調(diào)試中，通過面包板和杜邦線的連接，可節(jié)省電路的組裝時間，有利于電子電路項目的開展。

結合項目要求，學生首先對測距報警系統(tǒng)制作流程圖，如圖3。根據(jù)流程圖，使用Arduino IDE編寫程序并通過連接硬件進行調(diào)試，直到完成項目目標。

4.結束語

工程訓練的目標是培養(yǎng)創(chuàng)新應用型和技術技能型人才，創(chuàng)客項目是達到此目標的有效舉措。Arduino的學習是一種基于項目的學習模式，既體現(xiàn)了創(chuàng)客教育，也融合了STEM理念。將Arduino創(chuàng)客項目引入工程訓練的教學方法不僅能激發(fā)學生的創(chuàng)新性思維和創(chuàng)造熱情，也有利于學生交叉學科的學習。在“新工科”建設的大背景下，高校應依托工程訓練中心搭建Arduino創(chuàng)客項目平臺，通過不斷改革、探索，培養(yǎng)更多高質(zhì)量人才。

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