創客類系統實訓的自適應結構化模型

張洪杰　錢彭飛　方愷晴　耿丹

摘要：針對創客的創新創業教育研究主要集中于無教學計劃和學分的創客空間項目，缺少創業基礎選修課的問題，結合高等工程教育專業認證標準，提出高校夏季小學期創客類硬件實訓的自適應結構化模型，闡述該模型有效性驗證的方法和過程。

關鍵詞：創客教育；夏季學期；微處理器；自適應結構化；專業認證

0.引言

創客原指不以盈利為目的，從興趣愛好出發的創意實現者。2015年，全國兩會政府工作報告為創客注入了時代新活力——創業者，指出以“大眾創業、萬眾創新”為驅動，大力發展眾創空間，培育“草根”創業帶動就業，引領大學生創業。

創客教育廣泛存在于以“線上社區、創客聯盟和眾籌平臺”為例的虛擬平臺和以“創客空間、工坊、圖書館”為例的高校內外創客實體中。這些模式遵循開放性，以興趣立項自助創造，即使高校內部也無固定教學計劃和學分。2015年5月，國務院《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》明確健全創新創業教育課程體系，設置合理的創新創業學分。湖南大學虛擬創業學院整合優質慕課資源，面向本科生開放計入學分管理的“創業基礎”選修課。學院創客實驗室承擔核心課程實驗與實驗課教學、“創客”模式導向的第3夏季小學期系統設計的創新與服務職責。為保障高等工程教育質量，學院引入工程教育專業認證，給予高等工程教育定位、評價、質量保障與反饋。

1.創客類系統實訓

夏季小學期主要安排計劃內工程集中實踐、拓展類前沿選修課、專題講座等教學活動。計算機類專業培養具備扎實的科學與工程知識、良好的分析解決復雜工程能力和跨領域合作能力的人文與道德并存的復合型人才。為此，學院制訂3期小學期教學方案：①大一程序設計訓練1周，以掌握語言為目標。②大二算法與軟件設計2周，以通過CSF考試為目標；電子系統設計2周，掌握電子產品設計制作與編程。③大三系統與創客實訓4周，以復雜系統分析與設計能力訓練為目標。

創客實訓屬于跨專業必修課，是以“微處理器、操作系統、編譯系統、數據庫和網絡”為主的成熟通用系統設計，符合工程教育專業認證要求，利于信息安全、數字媒體、智能科學、物聯網等新興專業發展。

2.課程規劃

成功創客課題具備7點：切身性、復雜性、資源充足、互動合作、高強度、時間合理和分享教育。創客課程重在案例，教師不僅考慮有沒有，還要清楚預估結果及設定應急方案。創客課程教學是一次培訓，在一個相對封閉的環境中，學生自主學習，深度參與，在短時間內形成工程項目思維并能運用。

哈羅德的培訓結構化5步模型按邏輯依據、績效目標、學習活動、評價和反饋順序設計培訓。它更多地實踐在短期現場教學，難以引導課下自主學習。為了讓創客實訓全程覆蓋課上課下，我們對教師、助教和學生三方的持續自助規范培訓過程提出實訓自適應結構化模型，如圖1所示。

課程背景描述學習理由，包括一些事實趨勢或場合、矛盾沖突或特點、承上啟下的地位和知識模塊等。教學目標是使學生獲得與畢業要求對應的能力，即學會有能力做什么、鍛煉或提升什么能力及做得怎樣。學習活動鼓勵更多參與，原則為了解學生已會知識與技能；專注于長期目標并設定短期目標；項目要有趣且有一些挑戰，循序漸進增加難度?？己藱z查學生是否學會，以團隊與個人應達到的標準公正地評價學習表現。自適應檢查在學習活動間或整個課程建設中循環往復，滿足可持續性自主發展。

3.微處理器設計實訓

設計方法與創新理念開放的開源硬件興起促進了創客教育的普及。開源硬件對創客教育的正向影響主要為遞進成本投入、完整產業鏈生態圈和協作迭代產品更新。Arduino平臺是目前全球創客使用最多的低成本硬件平臺，配合Android智能手機可搭建真實的低成本教育機器人，堆疊自行開發的擴展板可完成可調低功耗智能儀表，匯入無線傳感網絡可長期實時監測海洋環境。Proteus虛擬平臺讓Arduino學習成本更低?？删幊踢壿嬈骷蠭P軟核技術的發展降低了硬件生產成本與設計時間，加快了硬件開源。

以一款低功耗8位AVR增強型RISC架構微控芯片ATmega328p（Arduino UNO主芯片）的CPU核為實訓載體，在cycloneII 2C5芯片上自己動手實現CPU和并口，能執行C語言程序。處理器邏輯設計一般通過HDL編程實現指令子集，僅僅運行手工編譯程序來仿真驗證邏輯?？鐚I選修學生更需要c語言編寫應用且自動編譯。兼容CPU常見C編程實現方法：移植嵌入式OS，如配置uCOS到MIPS32軟核；借助真實芯片IDE，如Keil支持ARM9與8051軟核、Atmel studio支持AVR軟核。前者不可避免地抬高了專業門檻，會涉及較多Linux虛擬機下GNU工具鏈編譯配置和uCOS應用開發。自制處理器考慮FPGA板載存儲資源限制由32位降為8位，并采用后一方案編寫單片機c程序，能在FPGA板上真實運行且與單片機板運行效果一致。

課程涵蓋微處理器核、片上系統虛擬平臺和智能硬件應用三大訓練模塊，涵蓋微計算系統的處理器層、芯片層和開發板層軟硬件開發。課程預期效果如下：①能設計和實現微處理器核、虛擬微控系統、智能硬件原型并演示；②提升開發FPGA的RTL建模、仿真驗證、優化策略、時序分析，結合AVR的c編程、調試觀察和硬件驗證能力；③鍛煉電路設計前期資料手冊閱讀、電路圖識圖與虛擬平臺設計能力以及自下而上實現及設計后在檢測平臺上分析和測試的能力。

本創客實訓采用做中學，即先做會做的，再學不會的，具體內容見表1，讓缺乏計算機系統知識的跨專業學生或愛好者充分利用基本實驗（BE）為自己加分，進一步思考自主實驗（AE）或后續BE。

總成績由4部分組成：①教師（30%）考查出勤、實物、研討；②助教（10%）考查學生積極性、團隊協作與編程能力；③現場測試（30%）考查實物、復雜系統設計與分析能力；④答辯與文檔（30%）考查綜合運用理論和技術手段設計系統和流程的能力、表達能力和文檔撰寫能力。各實驗項目個人平時成績由團隊任務得分與個人日志報告等級構成。A等生組織團隊全部完成，B等生加入團隊參與全部，c等生在團隊中完成部分，D等生以個人形式部分完成。

4.自適應檢查

工程教育專業認證的課程達標前后均要持續性改進。教師設計創客學習環境需預先掌握多種開源硬件。助教除協助了管理資源外，還需跟蹤學習。學生不斷實踐自主學習以養成終身學習習慣。

自適應學習的一些經驗：①教學內容“工程化”以真實產品為案例。教師向企業求實訓載體且反復調研與論證。②評估不是批判，而是研討。教師團隊與社會化評估長期合作，探討專業認證下的培養方案和學習活動的課程提綱。③項目式、體驗式、創新教育理念為基礎的創客教育更加關注學生自主學習。學生想學但缺少學習策略，教師要引導學生進行自主趣味實驗，促進自主學習。④學生樂于通過觀察行為后果來反復調節，積極參與學習活動。策略上，產出為導向的期望能使學生潛移默化；具體行為上，學生可以比照行為檢查表，持續強化已教行為。

4.1案例：綜合實踐1的行為檢查表

行為檢查表的優點在于讓學生產生強代入感，只要自己完整重現，就能體驗到優秀學生完成學習任務的成就感。先同時從數名優秀學生工作中預分解出大概行為，甄別結果具體化的可信行為，去除個體特有的，習慣后持續進行更詳細的分解以完善。

綜合實踐1的主題旨在讓學生能從AVR的簡單c應用程序人手，在最小SOPC模型上改進CPU核實現延時、跳轉和IO模塊相關指令，在FPGA開發板上獲取c應用功能，見表2。

4.2案例：綜合實踐2的課程提綱

課堂活動依據劇本式提綱，教師與助教引導學生全浸入場景，賦予任務，鼓勵按順序行動，預估結果并解決問題。綜合實踐2目標是以Arduino智能小車為原型深入微處理器、外設應用開發和安全加工，課程提綱見表3。

5.結語

創客類實訓能以低成本激發不同專業背景人群的興趣，使其樂在“做中學、學中做”。高校工程教育質量提升只能走“工程教育專業論證”這條路，教育部也通知制訂創新創業學分管理辦法。

以自適應結構化模型規劃“微處理器設計”，實施結果表明加快了教學團隊設計4周2個創新學分的創客課程進程，自適應檢查環節有利于教學共同體合力短期完成迭代改進。實訓中FPGA與Arduino快速原型開發板的引入，使得自行設計的微處理器在滿足應用c編程FPGA之余，低障礙過渡至Arduino豐富的開源外設開發。學生團隊以行為檢查表為鑒隨時獲取反饋，能積極引導自主執行，體驗全程沉浸式學習；課程提綱研討與應用確保團隊教學水平不斷提高，并可作為基礎實驗綜合項目或系統設計類實訓項目的補充。

創客實驗室建設應積極站在創客教育風口，以工程教育專業認證為契機，轉變角色，切實擴大創新服務，系統規劃，逐步投入，實現創業創新資源保護共享，完善創客教育學分培訓。