“鲁班工坊”教学模式在电脑鼠实践教学中的应用

周蘩雨 邓蓓

（1.天津机电职业技术学院，天津 300350；2.天津中德应用技术大学，天津 300350）

电脑鼠是集多学科、多技术的融合体，主要涉及电子信息、程序设计、机械工程、自动控制、人工智能、传感与测试技术等多项技术知识。电脑鼠研发设计制作过程充分锻炼了学生“创新、创意、创造”的能力。电脑鼠走迷宫竞赛已经成为集“职业性、综合性、先进性、趣味性”为一体的创新实践型教育平台，在推动课程改革，提高教学质量，培养学生工程实践创新能力等方面发挥了重要作用。通过对电脑鼠实践教学层次结构的构建，采取“鲁班工坊”教学模式和学习方式，以“教学做”一体化教学法在电脑鼠实践教学硬件实践、软件实践和创新性实践三个模块的具体应用，验证“鲁班工坊”教学模式在电脑鼠实践教学中所取得的成效。

一、“鲁班工坊”教学模式

在中国教育部和天津市教育委员会的推动下，“鲁班工坊”作为天津市国家现代职业教育创新改革的重要成果，至今已在亚、欧、非、北美四大洲留下了足迹，并深刻影响着近十个国家的职业教育教学模式。

（一）“鲁班工坊”

“鲁班工坊”不仅传承了中国古代智慧的精华，而且开拓了具有中国特色的现代职业教育教学模式。

1.“鲁班工坊”的含义。鲁班是中国古代著名发明家。鲁班意指实践、传承、发明、创造，是古代劳动人民智慧的象征。工坊的本意是指工作场合，富含精致、文化意味。“鲁班工坊”即为发明工场，它是集中国传统文化与现代职业教育为一体，培养学生实践能力与创新能力的现代学徒制职业教育模式。

2.“鲁班工坊”的特征。发明创造性与实践性是“鲁班工坊”的重要特征。“鲁班工坊”教学模式主要以培训师资为核心。创立“鲁班工坊”的内涵，旨在通过校际合作、校企间合作为平台建立良好的职业教育教学模式，为中外共同培养高技术技能人才。“鲁班工坊”通过“教学做”一体化的培养模式，提高学生实践能力和创新能力。

（二）“教学做”一体化模式

“教学做”一体化是“鲁班工坊”教学模式的本质内涵，是电脑鼠实践教学能力培养的重要方式。

1.“教学做”一体化的含义。“教学做”一体化是一种教学方式，本质即在“做中学”，在“做中教”，“教学做”合一。“做”是“教”和“学”的载体。“教学做”合一主要强调的是“怎样做便怎样学，怎样学便怎样教”。

2.“教学做”一体化的特征。“教学做”一体化的显著特点就是实践性。“教学做”是一个不可分的整体，其实质就是要把教学过程和实践紧密结合起来，培养学生创新精神和实践能力。可操作性是“教学做”一体化的另一重要特征。电脑鼠实践教学能力培养特别强调可操作性，最终学生的能力也是体现在可操作性上的。

“鲁班工坊”教学模式是中国职业教育教学模式理论与实践的统一，在高技能人才培养中体现了学历教育与技能培训形式合一。将“鲁班工坊”教学模式运用到中国职业教育上，能够更好地解决学生实践能力培养中产生的各类问题。

二、电脑鼠实践教学能力培养体系

电脑鼠具有多学科知识融合的特点，能够培养学生的综合技术能力。由于电脑鼠装置具有嵌入式控制器、传感器和机电运动部件等部分，集多项工程学科知识于一体，因而电脑鼠实践教学项目已成为电子信息类专业独具特色的实践类教学项目之一。

依据电脑鼠功能特点和需要，可将电脑鼠实践教学项目分为硬件实践、软件实践和创新性实践三部分，通过三个不同层次的实践教学内容，构成所需要的实践能力培养体系。

（一）电脑鼠硬件实践能力模块

电脑鼠实践教学主要目标是针对学生的软硬件设计能力、系统规划能力、创新能力进行培养。电脑鼠硬件实践能力模块是电脑鼠设计的基础。认识电脑鼠的基本硬件结构，学习和掌握电脑鼠硬件之间是如何工作的，以电脑鼠实训系统为教学载体，激发学生的学习兴趣，培养学生工程素养和科技创新能力。

1.主要教学内容。电脑鼠硬件实践能力模块涉及较多的基础性学科知识理论，需要学生在对电路分析、模拟电子线路、高频电子线路等理论课程有较深的理解后，依据理论设计出硬件系统规划所需要的模块。主要涉及电路和机械两部分内容，熟悉电脑鼠硬件系统的结构和功能，是电脑鼠电路制作系统设计和机械结构的设计的基础。

2.主要教学目标。电脑鼠硬件实践能力模块的主要目标是培养学生分析电路和设计电路的能力，机械结构设计、分析和优化的能力。通过对电机驱动、微处理器主控、传感器、电脑鼠机械结构等设计与分析，加深对所学理论课程的理解，并将理论知识转化为设计能力，解决电脑鼠各个模块之间的数据传输。

（二）电脑鼠软件设计能力模块

电脑鼠在迷宫中搜索是对未知环境的探索，而在冲刺阶段是对已知路径的规划，因此电脑鼠在未知环境和已知环境下对控制能力的要求极其重要。在硬件电路差距越来越小的情况下，软件设计便成为了核心要素。

1.主要教学内容。嵌入式系统类课程的实践能力主要体现于软件设计能力，以完成电脑鼠一系列动作的指令编程。主要课程为单片机原理、嵌入式系统设计、EDA、微机原理与接口、路径搜索算法等理论课程。软件设计能力是电脑鼠设计的核心。电脑鼠基本框架结构大致可以划分为传感器部分、控制器部分、执行器部分。

2.主要教学目标。电脑鼠软件设计能力模块的主要目标是培养学生系统规划、嵌入式软件设计、驱动设计等能力。具体软件设计能力包括：电机驱动软件、中断模块、红外线检测软件、转弯模块、方向修正模块等的设计，是电脑鼠完成任务的关键。

（三）电脑鼠创新实践能力模块

电脑鼠技术涉及电子、机械、运动控制、人工智能和软件工程等多门学科，模拟了生物学中肢体、感官和大脑的协调工作，对学生综合能力和创新实践能力的培养赋予极大空间，学生可以自主设计，开阔思路，大胆实践，挑战自我。电脑鼠创新实践能力模块主要是围绕智能迷宫搜索算法为电脑鼠选择合适的运行路径展开，从而提高电脑鼠的运行效率。

1.主要教学内容。迷宫搜索算法是创新实践部分的核心内容，需要学生结合迷宫实际情况进行算法融合，将不同算法进行取长补短。路径规划是电脑鼠导航技术的重要部分，具有培养学生拥有更加突出的创造性和创新性能力。探索迷宫通常有两种策略方式：一是尽快到达目标地；二是搜索整个迷宫。编写电脑鼠搜索迷宫的基本方法所用程序，主要是左手法则算法和右手法则算法。

2.主要教学目标。电脑鼠优化算法，掌握电脑鼠竞赛的规范，可以最快的速度完成迷宫搜索和最优路径选择，学习以往电脑鼠竞赛迷宫案例要点分析，为参加IEEE 国际标准电脑鼠走迷宫大赛作好准备。电脑鼠走迷宫大赛规则完成迷宫搜索和最优路径选择，是考查一个系统对一个未知环境的探测、分析及决策能力的一种比赛。学习电脑鼠是如何智能选择路径的，设计出最优路径选择程序。

三、“鲁班工坊”教学模式对电脑鼠实践教学能力培养的运用

电脑鼠涉及传感器检测、人工智能、自动控制和机电运动部件应用等技能和综合职业素养，电脑鼠实践教学对学生设计能力、分析能力、创造性和创新性能力的培养，提高电子信息类高素质、高技能应用型人才的培养质量具有重要意义。如何实现学生这些能力的培养目标，一直是实践教学研究的课题。

（一）学生学习为主体，在做中教

“鲁班工坊”“教学做”一体化教学模式的显著特点就是实践性。教学过程和实践有机融合为一体，培养学生实践能力和创新精神，促进学生的理论知识、实践能力和综合素质的提升。电脑鼠实践教学项目的过程就是“教学做”一体化的过程，培养学生专业能力的过程。整个实践教学以学生为主体，以教学目标为导向，以任务驱动为手段，以能力培养为目标，进行实际操作训练，提高学生实践技能，促进学生全面发展。

1.做中教的目的。将理论教学与实践教学相结合，形成学生主体模式。以硬件设计中的电路设计为例，学生在掌握理论知识后进行实践，用理论指导实践，将知识转化为技能。做中教的目的：要求学生掌握对传感器与嵌入式的关联，能灵活安装及调试不同的传感器，具有一定的编写程序能力。要求学生独立分析问题和解决问题，自主选择知识，结合理论知识进行实践操作。通过研究分析，可以用各种方式去设计作品，发挥个人潜能，培训学生的设计能力，从而提升学生的创新能力。

2.做中教的内容。通过声控传感器、红外传感器，编写程序使电脑鼠随着音乐跳舞，电脑鼠按规定路径及要求完成系列动作。电脑鼠结合嵌入式系统、传感器、控制等多方面技术，配以优良程序的设计，可在不同的迷宫搜索中自动记忆和选择路径，快速到达指定目的地。

3.做中教的方法。设计不同级别难度并对应不同得分，学生两人一组，可自行选择不同难易级别，充分发挥学生的创新能力，教师启发指导。学生有了创新改进的想法，教师就要引导学生动手实践，解决制作过程中遇到的问题，不要让学生仅停留在思考层面，而要把学生的思维引向实践研究，培养学生的创新能力。

（二）竞赛目标为导向，在做中学

在电脑鼠竞赛中，要使电脑鼠在千变万化的迷宫中发挥优越性就需要在机械结构、电路设计、运动控制、控制算法等方面提高优化设计能力。整个实践过程是以学生为主体，围绕教学内容设置任务，让学生自己动手，做中学既能提高教学效果，又能提高学习效果。

1.做中学的目的。电脑鼠是一个复杂嵌入式系统，以竞赛为目标，明确电脑鼠设计与控制技术难点，激励学生学习。用理论指导实践，用实践验证理论，鼓励学生将理论知识转化为实践动手能力。做中学的目的：熟悉给定电脑鼠结构组成及原理，熟练操控电脑鼠，根据比赛要求，以最短时间走出迷宫，能够参加各级别电脑鼠走迷宫比赛。

2.做中学的内容。熟悉给定电脑鼠结构组成及原理，掌握电脑鼠传感器调试及程序代码编写，根据比赛要求熟练操控电脑鼠。

3.做中学的方法。以竞赛目标为导向，在做中学。教学方法：学生分组，每组两人。熟练掌握电脑鼠结构原理、传感器功能及调试、程序代码的编写；在迷宫上反复练习，能够根据不同的迷宫调试传感器、编写修改程序；完成不同迷宫的训练，教师全程指导。

（三）设计制作为手段，在做中悟

电脑鼠实践教学能力培养是将多个学科的知识综合在一起，训练学生各种综合性的实践能力，提高学生在电子线路设计、嵌入式软件编程和调试等方面的综合能力。学生自主设计电脑鼠系统，培养了学生的工程设计能力。

1.做中悟的目的。在前面对电脑鼠软硬件性能熟练掌握的基础上，引导学生自主设计并制作电脑鼠，可先改进现有电脑鼠，在此基础上提出各自的创新设计。通过对电脑鼠研发设计制作过程，培养学生“创新、创意、创造”能力。以学生的自主探究和动手制造为核心，培养学生科学探究能力和问题解决能力，强调学生在掌握基础上，培养其设计能力、合作能力、动手实践能力、问题解决能力和创新能力。鼓励学生有创造性思维、批判性思维和实践精神，激发创新的热情。培养学生终身学习的意识与能力，才能适应未来的变化，不断丰富自己的能力结构，以形成系统解决问题的能力。

2.做中悟的内容。启发学生针对现有电脑鼠性能及结构存在的问题可分步骤进行改进，完善电脑鼠机械结构，改进硬件电路，选择传感器器件及相关器件，开发编写底层代码等。例如：电脑鼠在迷宫中的行走，可以简化为直行和转弯两部分。学习智能鼠作直线的原理，学会控制智能鼠精确转弯。电脑鼠动起来是靠电机驱动，通过一系列操作来实现电脑鼠直行，需要使用已经调试好发射强度的红外线传感器。实现电脑鼠左右转弯需要左右电机配合，电脑鼠转弯角度是由两个参数控制的，电机速度和转弯时间。

3.做中悟的方法。以设计制作为手段在做中悟，通过不同专业学生自由结合成组（建议由机械、电子、软件相配合）。电脑鼠已经结合了嵌入式系统、传感器、控制等多方面技术，配以优良程序的设计，使电脑鼠可在不同的迷宫搜索中自动记忆和选择路径，快速到达指定目的地。对现有电脑鼠分析存在问题提出改进方案并进行实施，对已完成现有改进的小组可提出创新设计电脑鼠方案，教师给予技术指导。

学生在学习过程中手脑并用，将理论知识与实践操作贯穿于整个教学过程中，做到学以致用。电脑鼠每个实践教学阶段都有设计制作内容，学生在设计制作调试的过程中，深刻理解理论原理，掌握制作技能，并针对复杂的实际情况优化设计，解决实际应用问题。在整个学习过程中，不但提高了学生的技能，而且拓展了创新思维。

总之，电脑鼠的研究为未来人工智能的发展奠定了基础，电脑鼠实践教学能力训练，为培养人工智能人才作出贡献。运用“鲁班工坊”“教学做”一体化的教学模式，将多个学科相结合，引导学生逐步完成各类实践教学项目，引领学生在国际赛事上脱颖而出，是中国职业教育领域上的突破。“鲁班工坊”教学模式不仅在电脑鼠实践教学项目中起到积极推动作用，而且为中国职业教育“走出去”打下坚实的基础。