基于创客教育的职业院校教学实践探索

李晶

摘要：随着人工智能技术的不断发展，以DIY和3D打印技术为代表的“创客文化”在教育领域得到了广泛的应用。创客文化通过其特有的DIY、创新基因为构建全人发展的创客教育新生态奠定了基石。文章以石家庄理工职业学院创客教育为个案，通过分析其课程设置、教学经验等特点，分析创客教育在高职院校开办的可行性，并结合我国教育现状，对创客教育、人工智能教育的应用趋势进行展望。

關键词：人工智能;创客文化;3D打印;职业教育

一、引言

近年来，以大数据、深度学习等技术为代表的人工智能（AI）领域得到了快速的发展[1]。其中，以AlphaGo（阿尔法围棋）为代表的智能科技曾两度打败世界围棋冠军李世石、柯洁，掀起了全球人工智能发展的浪潮。随着人工智能技术的不断发展，对相应技术人员的需求越来越大，迫切需要相应的人才教育支持。而创客教育结合人工智能技术为传统的教育行业带来了全新的教学模式和显著的教学成绩[2]。创客教育是创客文化与传统教育模式的结合，基于学生兴趣，通过项目学习的方法，采用数字工具、倡导创作、鼓励分享和发展训练跨学科解决问题。同时在学习中锻炼培养团队协作能力和创新能力[3]。

创客起源于英国20世纪末的创意创业发展，其显著特征是精英创造并主导创客运动[4-5]。随着时间的推移，美国目前在创客教育方面处于世界领先地位，并具有一定的规模和影响力。2009年11月，美国总统奥巴马计划在未来十年内开展“教育创新”（Educate to Innovate）活动。这项全国性的教育创新改革将很大程度帮助美国学生提高其在数学、科技和其他领域的创新能力。2014年6月，“制汇节”成功举办，得到了全国上百所高校的支持，成为创客运动在美国发展兴盛的里程碑事件。如今，创客运动不仅是对教育形式的改革，也是对未来制造业、金融业等不同行业发展的变革原动力。在未来两到三年内，创客教育将引发传统的基础教育以及高等教育的重大变革。

在职业学校开展创客教育也具有非常重要的意义[6]。首先，在创客教育的帮助下，学生可以掌握科学和艺术知识，培养自己的创新精神与创新意识;其次，职业学校学生就业方向是企业，在职业学校开展创客教育，可以提升学生的就业能力。此外，开展创客教育将促进教学方法的转变，改变传统职业教育中以教师为中心的教育模式，提升学生的学习热情与自主性[7]。

与此同时，高职院校在开展创客教育方面具有独特的优势[8-9]。职业院校的办学理念即是就业，拥有大量先进的设备仪器，同时学生动手能力较强，具有很强的自主性。因此，高职院校应紧跟时代发展步伐，开展创客教育，拓宽学生的视野，培养创新素质。文章结合石家庄理工职业学院创客教育案例，通过分析在创客教育方面的课程设置、教师组合和办学理念，分析职业教育中创客教育的可行性。并结合我国教育现状，对创客教育、人工智能发展的发展趋势进行了展望。

二、创客教育发展现状

中国的创客教育始于2012年，与美国大学相比仍处于起步阶段。目前，中国的创客教育主要是通过建立创客空间、举办创客竞赛、成立创客俱乐部以及举办高校创新创业讲座论坛的形式来开展。

目前，国内多所大学都建立了校园创客空间。其中，清华大学通过构思创客讲座、工作坊等创客活动，在全校范围内营造出“动手造万物”的创客文化氛围;上海师范大学主要聚焦创新教育和文化创意两大方面，通过对校内外项目和团队的选拔，有选择地孵化了一大批创新创业团队;吉林大学构建了以学生创新为核心的团队，通过校内专业导师团队服务，为学生提供了创新创业的全方位指导;天津大学成立了校园创新创业基地，通过开展创客沙龙、创客项目推介会对校内创新创业活动进行支持;北京邮电大学还对传统的课程体系进行了改革，并将一部分大学三年级的课程提前安排，并取消了部分理论导论课程，使新生在初次入学时便能体验到实践学习的乐趣，为后续的创客教育打下良好的基础。这些国内高校的创客项目表明，创客教育在国内的发展如火如荼，并成为实践类教育热点的关注话题。

在高职院校中，阳江职业技术学院以工匠精神为核心，进行创客教育的内涵建设;江苏联合职业技术学院宿迁经贸分院，通过建立兴趣小组，成立创意发明社团等方式，对创客组织的建立进行了探索;深圳高级技工学校通过在校内建立“创客空间”，培养创客文化，提高创客们的实践能力。目前，在教育、文化与商业的广泛背景下，一个完整的创客教育研究系统和实施体系正在逐步实现。但是，这一体系在实际运行过程中仍然面临众多问题，一是创客教育如何实现与专业基础教育之间的融合，并实现跨专业的知识流动;二是专业教师如何保持与时俱进的学习创新能力，实现真正的素质教育，这对专业教师提出了更高的要求。

三、创客教育经验分析

石家庄理工职业学院通过整合校内各类资源，完善了创客教育的框架，并加以实施。目前，主要方式有以下三种。

（一）建立创客空间，培育创客文化

石家庄理工职业学院通过整合校内资源，面向大学生创业创客团队创立青创空间。青创空间的成立，一是可以为后续的创客实践活动的开展提供平台，二是可以为学生提供自主创新创业的机会，三是可以基于统筹的资金和政策为学生的创业创客项目保驾护航。

经过近一年的发展，目前青创空间已成功入驻38家公司，并为近30家创新和创业团队提供支持。在创业培训和活动方面，青创空间曾组织大小创新创业活动百余场，其中涉及入驻企业项目的路演、大学生兼职培训、创业项目讲座、“请给我结果”主题演讲、电子商务成功案例经验分享会、商业联盟项目说明会、县域电商走进栾城专场、数字财富与思维、思维新时代、微首付购房购车等各式各样的活动。

另外，在创客空间中举办创业沙龙等活动，促进创客之间的交流，鼓励本校在校生能够在创客空间多多交流，结合所学的专业知识，将好的创意与产品转化成具有商业价值的创客项目。鼓励教师与学生共同参与竞赛，鼓励校企合作。平台也会将具有市场潜力的项目推荐到各类创客竞赛中，与专业企业人士、其他高校同学交流，并最终完成项目的企业上线。依托于创客空间，石家庄理工职业学院将学生、学校和企业互相联系起来，构成了一个创新创业的生态系统，不断进行良性生态循环，统筹社会资源。目前以大学生创业、就业指导为重点开展工作，引导大学生一步步转向专业化、技术性复合人才，为创新创业团队输送新鲜血液。

（二）开展创客教育，改革教学模式

目前，职业院校开展创客教育已经取得了一定的进步与发展，但随着课程内容的不断改革以及对实践内容要求的不断增加，传统的教学模式也呈现出一些弊端，诸如教学方法过于单一、教学设计缺少趣味性、教育与实践内容脱节等。这些问题都需要在后续的创客教育中，不断摸索改革。

首先，制定科学、有效的教学模式。传统的教学模式“填鸭式教学”效果明显，只知道“是什么”，不知道“为什么”，教育模式的单一使得学生无法掌握所学的知识，更难以在生活中加以实践应用。因此，应制定科学有效的教学方法，转变教学理念。第一，在课堂教学环节要明确学生的主体地位，要以发挥学生的主体性作为核心，让学生能够在课堂活动中实现自主探究，用每堂课学到的知识去解决实践中的问题。第二，为了保证课堂教学模式的丰富性，教师可以将合作学习、知识竞答等方式有效结合起来，充分调动学生学习的积极性。在班级的设计方面，采取灵活的自主选择方式，学生在可选择的范围内，想选什么就选什么，由兴趣决定。

其次，基于创客特点，创新教学设计。在教学设计方面，重点培养学生的自主学习能力，采取情景式教学模式来引导学生在具体问题场景中解决问题。教学班级可容纳不同专业的学生，吸引多学科知识在课堂中融合，并通过三维创意设计软件将创意转化为数字模型，并最终解决问题。例如在思维导引课中，机器人手臂的关节有问题，需要完善修补。然后引发学生自主思考修补的目的以及相对位置，通过测量尺寸、分析结构设计出相应零件，并通过小组合作的形式，利用3D打印技术制作出来;在计算机编程课程中，可以引进Scratch创作互动游戏来实现教学内容的可视化，让学生在游戏过程中学会编程、获取知识。

最后，应结合实际进行教学。一方面鼓励学生将课堂所学知识融会贯通，以老师带队，组队参加动手实践比赛以及创业类比赛，诸如“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛、创青春全国大学生创业大赛等比赛，在竞赛中与企业管理人員、专家广泛合作交流，多专业融合培养，在实践项目中强化技能培训;另一方面开设创业课程，通过将企业员工与校内研究人员的合作，把创客文化教育融入到课程教育中，培养学生的创客思维，并鼓励学生将好项目、好想法通过创客沙龙、创客项目推介会等形式与企业进行沟通，推动创业项目的落地。

（三）结合“我的洛克”，升级教学课程

课程方面，与“我的洛克”开展合作。我的洛克素质教育王国是一家为青少年提供教育服务的综合素质教育中心，在创客课程设计方面具有较为广泛的经验。在合作课程中，融合了职业体验、动手实践等多元元素，目前开设了人工智能编程、机器人、无人机、3D打印、积木构建以及力学电学等课程，从计算机与机械两大领域，在无人机、机器人以及编程等方面为学生提供较为完善的课程，提升了学生的创客品质。

1.无人机教育。无人机作为创客教育的一个重要环节，通过无人机科普知识、无人机实验、无人机组装以及无人机竞赛等方面，能在很大程度上培养学生的动手实践能力和分析问题能力。课程设置如图1所示。

课程的设置具有年龄性。针对低年级同学，从理论、应用两方面着手，分为三个层面：从飞机的发展历程、空气动力学原理入手，通过对飞机发展史的普及，培养学生的好奇心与探索欲;其次通过简单的模型飞机的制作与调整，初步锻炼学生的动手能力。期间展开纸飞机比赛，定期开展真机拆装竞赛，为后期的DIY创造奠定基础;针对高年级同学，组成学习小组，由指导老师一对一教授无人机基本原理以及无人机相应传感器，诸如GPS定位、陀螺仪以及加速度计等模块。在技术理论学习之后，学生可根据自己对知识的理解，在老师的指导下，灵活搭配各个模块，亲自参与无人机项目制作传感器、发动机、螺旋桨、控制器等组装，切割无人机样板，选择固定翼或四旋翼飞机，设计组装独属的无人机。经过模拟飞行培训后，开展实施真机飞行教育，让学生看到自己设计的飞机翱翔于蓝天之上。在培训之余，开展内部竞赛：低年级同学之中，开展纸飞机竞赛，自主折叠纸飞机，靠空气动力学完成比赛目标;高年级同学，开展模拟器飞行大赛，由老师设定飞行难度以及飞行环境，按时完成者取得优胜，还可以组队参加国内外无人机大赛。

通过无人机的组装，学生可以了解各种材料与元器件的相关知识，并锻炼设计与思考能力;通过实操飞机验证科学原理，能开阔学生的思维，帮助其形成严谨的科学态度。此外，在竞赛方面，长期操控无人机，可以锻炼学生的手、眼以及大脑的协调能力，提高学生在思维以及协调方面的灵活性;此外，无人机竞赛实操飞行中会遇到各种意外、困难，无人机竞赛可以培养他们冷静、沉着的判断能力以及处理紧急问题的习惯能力，提升学生们的综合素质。

2.机器人教育。在机器人结构教学方面，采用理论与实践相结合的方式，开展了力学教学、积木搭建、3D打印以及机器人等相应课程，并配套开展大量匹配竞赛，相应课程思路如图2所示。

在机器人教学方面，分为以下两个阶段。

初级力学结构学习。从生活中常见的力学现象讲起，逐步渗透课程所需的力学相关知识。并采用积木搭建的方法，在实践方面进行教学，让学生利用所学力学知识搭建出各种生活中常见的模型，如小路、房子、多米诺骨牌、跷跷板等等，培养其动手能力。并加强机器人基本操作技能的培训，比如常见工具的使用，如螺丝刀、签字、美工刀等;简单结构的搭建，如齿轮、皮带传动、轮式结构等;常见电气设备，如万用表、电池及充电装置等。另一方面，加强机器人各关节部位、动力结构的相关知识普及，比如力学原理、简单电学原理（电流、电压等）、简单机械原理，还有常用电子元器件的认知培训。最后在机器人相关专业术语的认识与理解、机器人工作原理及基本组成等方面，开展知识普及。

此外，课程中采用3D打印技术，引导学生利用所学3D建模打印技术，设计、规划、打印简单机器人的外壳以及机械传动设备，并运用形体相融的思路，将多个简单模块混合组成复杂的机器人的外壳，逐步提升学生的设计动手以及创新能力。在此部分，采用“学习+项目”的方式进行教学。设计相关应用场景，比如运动机器人、搬运车，学生在教师的指导下，自行设计机器人外壳、搬运车框架，并结合3D建模打印技术深入思考，通过团队协作的方式设计出相应场景下具有动力学结构的机器人框架。

高级机器人操控学习。在掌握了相应的力学知识、3D打印技术以及机器人设计的相关知识后，继续教授学生图形化编程思路，通过图形化编程的方式，能提升学生的逻辑思维能力以及设计能力。在该部分中，课程使用Scratch2和ROS进行儿童图形化编程的培训工具。该部分包括一个图形化设计的界面和Python语言编程界面，分别对应软件开发的设计与编码阶段。学生只需在接线正确后，在窗口拖动相应图形化程序，即可实现机器人的操控，而教师可利用Python语言编程界面调试相关程序，确保图形化程序的正确。

在图形化编程方面，设计了10个编程项目。通过完成上述编程项目，学生可以了解之前学习到机械运作、机器人控制等原理，诸如皮带传动、运动机器人工作以及搬运车的工作机制。比如上述搬运车项目，学生可以通过图形化编程，控制搬运车的搬运结构，了解联杆系统的运动传动方式。在学习过图形化编程后，可以结合相应硬件结构，通过软硬结合，可以学习各模块、传感器的设计，实现机器人的操控。

（四）编程教育

在职业编程体系方面，开设了Scratch、Arduino、Python与C++课程教育，从启蒙、提升到精英，分为三个层次教学，并开展大量匹配竞赛。启蒙班开设Scratch图形编程培训，通过动画和游戏，结合智能硬件，让学生在大量项目中提升能力;提升班开设Arduino硬件编程，结合Arduino与各种传感器，在老师的启发下，设计各种有趣实用的创客作品;精英班教授Python课程与算法编程，教授学生制作有趣的小游戏、开发网站，并掌握提升各种核心算法知识，真正培养程序员。具体思路如图3所示。

1.初级思维培训班。课程的设置，首先从Scratch动画入门，为同学们介绍Scratch的界面以及相应编程的意义，之后随着课程的进展，通过一个个小项目，引导学生学习掌握编程的基本知识，诸如：循环、判断等基本知识。随着知识的层层深入，为学生讲授函数、列表等高级应用，并在老师的指导下，引导学生学会创作动画、音乐、游戏等高级应用。在教授完相应课程后，可穿插教授学生多学科知识，最后在结项時，要求学生自行结组，设计独属的动画或者电影，锻炼了学生的想像思维和严谨的编程逻辑。

2.中级能力提升班。中级提升班采用Arduino编程语言。Auduino是一款基于开源电子平台的程序语言，结合Auduino编程器，学生可以将程序与硬件相结合，利用一个个传感器模块、设计一个个智能家居小产品。现有的平台兼容Scratch图形化编程以及Auduino编程，学生在初级班培训后，可以直接到中级提升班学习，无需过度。

中级提升班采用理论与实践相结合的方式教学。入门时采用照片与文字相结合的方式，诱导学生学习简单的电子电路知识、数码管以及各种传感器，并辅以相关考试进行考核。进一步教授相关编程知识，如循环、条件等相关知识。最后在教师的指导下结成小组，利用所学到的编程与硬件知识，参与项目的协同合作，诸如十字路口的红绿灯控制、传感器温度控制的小风扇等等。

3.高级思维养成班。高级思维养成班采用Python语言进行教学，重点培养学生的算法逻辑观念。目前Python语言因其移植性高、库资源广泛等特点，在互联网、人工智能领域得到了广泛的应用。高级班采用Python语言进行教学，有助于学生快速提升编程能力，为参加国内外编程竞赛、留学出国等奠定基础。

在学习完初级培训与中级提升训练后，对相关程序编程、应用已经有所了解。在基础培训方面，从类与对象、Python自带函数讲起，主要区分Python语言与其他语言的区别，该模块的结题报告即设计开发简单的游戏。之后结合音视频处理、网页制作、数据分析等模块，讲授Python高级编程思路，培养学生人工智能思维基础。最后学生结组，在具有一定水平的教师指导下，参与大数据分析与人工智能算法设计。定期带领学生到互联网企业学习参观并组织学生参加大数据相关竞赛，开展竞赛的辅导工作。

四、总结

石家庄理工职业学院通过构建创客空间与创客教育，大力提升了校园的创客文化氛围。创客空间的发展，不仅可以为创客实践活动的发展提供平台，还可以将学生的自主创新创意付诸实践;创客教育的发展，不仅改革了教学模式，还将无人机、机器人与编程教育纳入到创客课程范围，鼓励倡导学生运用所学编程技术、硬件知识以及3D打印技术进行创新、创造，极大提升了学生们的逻辑思辨能力以及创新能力。

目前而言，在职业学院中开设创客教育仍处于发展的初始阶段，有众多问题需要进一步的讨论和研究。培养创客不是最终目标，职业创客教育的最终目标，是使得一批具有动手实践能力的学生在未来三到五年内成为真正的创业者。职业院校应以此为契机，改革教学模式，培养学生的动手实践能力，并为大学生的创新创业提供新的平台。

参考文献：

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