基于STEM的高职创客教育实施探索——以机器人创客实践课程为例

邱小群 邓小瑜 李春云

（1.珠海城市职业技术学院；2.珠海市数理化学会，广东 珠海 519000）

1 背景与现状

2015年对中国教育界来说注定是不平凡的一年，李克强总理在国务院常务会议上发表了“顺应网络时代推动大众创业、万众创新的形势，构建面向人人的‘众创空间’等创业服务平台”，将“创客”一词写入政府工作报告中。该词也成为当年两会的热点。接着，国务院办公厅印发《关于发展众创空间推进大众创新创业的指导意见》。同年，教育部办公厅关于征求对《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中提出“探索STEAM教育”“创客教育”等新教育模式。随着几年的发展，高职院校基本建有创新创业学院并积累了较多教学经验，特别是在创新创业基础、企业运营管理、职业发展规划等创业通识内容已经形成课程体系。创新教育中，最难培养的是创新意识和创造思维并使其自觉形成创新和创造能力。这种能力是知识、经验与技能经过类化、概括后形成的，是在创新创业过程中表现出执行某种行动的技巧，协调理智解决问题的技能。目前，国内大数分高校较重视“面子工程”的建设，通过参加各种创新创业大赛，各类学科竞赛，通过取得奖项来证明创新教育的成功，创新教育的实施没有实现由精英化向普及化的转变。目前，创新创业学院开设的专业课程基本是从现有的电子或计算机学院代为开设编程课程，然后购买一些用于参观的无人机、3D打印机设备，学生进入创新创业学院后便忙于参赛和路演，教师忙于帮学生包装，领导忙于拉各种企业关系进行联合参赛，最后包装出来的是一个又一个华丽的项目。但这其中有多少是学生的原创作品，有多少是学生创新能力的体现。20世纪初80年代美国提出的STEM教育教学理念迅速被英、德、日等多个国家应用并取得许多创新性与有效性的应用案例和教学经验。“机器人创客实践”是珠海城市职业技术学院（以下简称“学院”）创新创业学院开设的一门创新平台课，选修的学生可能来自不同的专业，知识基础和学习背景不一样。为了保证教学实施的效果，本课程在平台选择、项目开展等方面必须具有易学性、趣味性、观赏性等特点，技术门槛不能太高，以学生为中心，让学生学会“折腾”，培养学生的DIY精神。笔者提出基于STEM理念和创客教育的培养模式，从课程设计、平台选择、项目开展等方面进行阐述并提供明确的实施策略，让创客精神在课程中培育并成长。

2 基于开源硬件课程设计

基于理实一体化的“机器人创客实践”平台课程将培养目标落在STEM素养上，引导学生把新奇创意变成现实，开始从研究有用的技术转向研究有趣的技术。传统编程学习一般是基于知识点进行，理论性较强，入门门槛也较高，如C语言、JAVA程序设计、单片机程序设计等课程，在项目展现上不够直观，许多学生望而却步。本课程在编程语言及平台的选择上，自由度较大。由于学生的专业知识背景不一样，电子类专业的学生底层编程语言掌握较好、动手能力强；计算机类专业学生所学软件知识较多，编程基础好；其他专业的学生很少有编程基础，但具有其他专业能力的优势，如策划、市场分析、财务分析等，这些能力对后续团队的建设起到重要的作用。在开源硬件平台的选择上，主要以micro：bit、Arduino、Raspberry Pi（树莓派）为主要平台。这些平台价格便宜，通用性强，软硬件资源相当丰富，不同平台之间还可以互相通联，可玩性相当高。表1为主流开源硬件对照表，学生可以根据自己的兴趣爱好、专业特长进行平台选择，开展课程的项目开发。

表1 主流开源硬件对照

课程活动开展一般以项目为单元，以团队为活动单位，从而可以提高学生项目管理能力、小组协作能力，提高组员的交流能力。在课程内容规划方面，首先制订“机器人创客实践”课程达标项目表（如表2）。这是“机器人创客实践”课程入门必须掌握的基础，每个任务的划分都有其知识能力要求。在项目实施过程中，与传统课程正向教学不同，学习过程是逆向开展的。学生对达到项目功能需要用到的必要理论知识进行学习，掌握基本的编程技巧，而不需要系统的学习所学知识内容。这是典型的项目驱动。当对项目有更多的功能要求时，学生便会查询相关的技术文档，实现更多的功能效果。项目的选取需要符合循序渐进的教学规律，设计的核心是富有吸引力的创意项目，项目内容需要根据模块及开发平台的更新进行维护，以持项目的实用性与创新性。

在课程资源选择方面，由于目前此类课程及教学法在高职院校开设较少，资源和平台相对陈旧，难以实现本课程的知识要求。因此，作者及其课程团队，通过查找资料和实践探索，将每个达标项目从原理图—流程图—程序—硬件搭建等进行设计，供学生辅助参考，并提出各种项目变换要求，让学生灵活调试，避免死记硬背。值得欣喜的是：一些新兴的创客类公司为开源硬件平台开发了很多软硬件模块，如小喵科技、i创学院、矽递科技等。他们设计了一些便捷的传感器模块、驱动模块、网络模块等，使开源平台更具魅力。学生通过简单的函数调用就可以实现原来要花很多专业知识才能实现的效果，趣味性大大提高。在国际上，开源硬件平台的DIY精神早已如火如荼地进行。学生可以进入micro：bit社区、Arduino社区、pyhon论坛进行学习。里面有许多已经制作成型的开源创客作品，这些作品能极大地开阔学生的思维。在完成一系列的基本达标项目后，学生相当于“出关”，也正是他们大展身手的时候。学生团队们可以通过搭配不同的基本项目，实现较为复杂的功能，特别是基于生活、工作现实场景的实际项目，能使学生体会到DIY的乐趣。当然，由于大部分学生没有开发项目的经验，学生的项目思维需要教师正确引导并通过具体项目进行打磨。本课程要求学生对每个项目按完整的项目实施过程进行落实，以形成性考核方式达到课程的综合评价效果。图1为实践项目实施过程。

表2 机器人创客实践课程达标项目

图1 实践项目实施过程

课程的开展并不基于传统的知识点开展，而是以基本达标项目+综合项目+创新拓展项目为考核标准开展，以项目实施引导知识内容学习。学生操作过程中，能很深刻地掌握到一些项目知识，例如：如何绘制流程图、如何编写顺序结构、选择结构和循环结构程序等。课程以学生为中心，以引导的方式带领学生解决问题。整个教学流程是灵活的。学生的学习过程就如打闯关游戏一样，过了基本达标项目关，才能进行综合项目关，是一种递进式学习流程。学生也会感受到一种闯关的满足感。如图2为闯关游戏流程与课程学习流程对照。我们发现，这种将学习与游戏结合起来的教学方法会让学生更加专注和更具学习热情。学生难以在课程中滥竽充数。如果课程项目一直没有进展，学生也无法获得课程的学分。这能很好地避免学生混学分不努力学习的现状。

单纯由技术员组成的团队不叫项目团队，只能是研发队伍。项目团队的角色设计及团队协作也是本课程的评价内容。根据创新创业学院前期的创业项目参赛经验，本课程引导学生将课程团队按角色进行分配（如图3所示），达到分工明确、合理搭配的效果，保持团队的持续学习力与合作凝聚状态。由于项目团队建设不是本文的重点，在此不详细展开。

图2 闯关游戏流程与课程学习流程对照

图3 项目团队角色分配

3 创客课程实训空间的建设

本课程采用的开源硬件平台不断更新换代，建设之初，首先要满足“动起来”的基本要求，不能一味追求外表、参观等表面工作，也不要追求以竞赛开展为主的实训设备。其实，目前大部分的竞赛，无论是教育部还是行业协会组织的竞赛，在比赛内容或规则上太依赖于硬件的投入，只要买了设备，就基本能获奖。但问题是这些设备为了保证自身知识产权，关键技术都是不开源的，可玩性不高，而且设备几乎每年都需要更新，设备的使用率不高。综合企业开发实验室的设计灵感和开源硬件平台的课程特点，在实训空间的布置上，建议参照开发部的样品间进行设计。常规零件如电阻、电容、LED灯、电源、面包板等以元件柜的形式设计，配套采购超声波、声音、电机、显示等模块，以便快速构建开发硬件平台。开源硬件以Arduino、micro：bit、树莓派（Raspberry Pi）三大平台的开发板为主，可以采购基本型号作为主体教学使用。为了拓展部分较复杂项目，可以采购相关开源芯片方案的升级板，如Arduino Leonardo、Arduino Due等。这样采购的设备不会花太多的钱，但能起到很好的项目效果。在创客实训空间，学生可以接触到各种开源硬件平台，组建的团队根据自身的专业背景选择不同的开发工具，充分发挥学生的特长。对部分项目团队如果有需要，可以在课程投入经费上支持PCB打板、3D打印模型等，以使作品更具有观赏性和实用性。无开源，不创客。创客的最大特点就是开源、可复制。目前，国内一些知名的创客论坛如DFRobot、MakeBlock、ARDUINO中文社区都有相关的开源项目，甚至还众筹一些DIY产品或模块，其创新性和开拓性时常让人意想不到。将这些创客项目引入课程并加以启发，能引起学生强烈的兴趣和创新想法。

4 以创客项目服务创客市场的创新理念

基于STEM理念的课程设计，可以大大满足学生对创新想法的实施激情，但如果仅停留于此，还不足以发挥课程的创新效果。笔者担任本市的科协科普讲师团成员及数理化学会科普创客类课程讲师职务，常年在社区或者中小学进行科普类课程的讲座。为了让讲座的课题更有吸引力，将“机器人创客实践”课程中学生制作的作品引入并转化为讲座内容，同时带领学生参与到科普讲座的实施环节，让团队学生演示并讲解作品的功能及知识内容。团队可以在讲座开展过程中不断发现和完善作品的一些问题。学生参与科普讲座，既磨练了自己的胆量和演讲水平，也感受到“实践是检验真理唯一标准”的道理。通过高职学生的创意实践项目，以科普讲座的形式引入到中小学，在项目磨合和创新过程中，真正体现产品的价值。在项目实施的两年多时间里，本地许多中小学和社区已将本课程中的部分趣味项目引入到他们的创新教育讲座中去。

5 结束语

基于STEAM教学理念，围绕创客教育新方式+开源硬件的新优势，合理设计课程，提高理实一体化创意项目的观赏性、实用性和创新性。从而激发学生的发散性思维思维、工程素养、实践能力和创新精神，为解决高职教育体制中创新能力培养不足的问题，探索一种开放性、实践性、创造性、综合性的新型教学模式。创客运动的本质就是教育，是面向所有人的教育，创客和教育者之间有着密不可分的关系。创客关注造物，崇尚造物，这正是当前教育的最大短板。我们希望更多人能关注创客教育。面对目前我国创新教育中存在的种种问题，我们不要抱怨，大家尝试着去摸索和改变这一现状创客教育是一个很好的切入点。