張洪杰　錢彭飛　方愷晴　耿丹

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

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育；夏季學期；微處理器；自適應結(jié)構(gòu)化；專業(yè)認證

0.引言

創(chuàng)客原指不以盈利為目的，從興趣愛好出發(fā)的創(chuàng)意實現(xiàn)者。2015年，全國兩會政府工作報告為創(chuàng)客注入了時代新活力——創(chuàng)業(yè)者，指出以“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”為驅(qū)動，大力發(fā)展眾創(chuàng)空間，培育“草根”創(chuàng)業(yè)帶動就業(yè)，引領大學生創(chuàng)業(yè)。

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

1.創(chuàng)客類系統(tǒng)實訓

夏季小學期主要安排計劃內(nèi)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(yè)培養(yǎng)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(tǒng)設計2周，掌握電子產(chǎn)品設計制作與編程。③大三系統(tǒng)與創(chuàng)客實訓4周，以復雜系統(tǒng)分析與設計能力訓練為目標。

創(chuàng)客實訓屬于跨專業(yè)必修課，是以“微處理器、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡”為主的成熟通用系統(tǒng)設計，符合工程教育專業(yè)認證要求，利于信息安全、數(shù)字媒體、智能科學、物聯(lián)網(wǎng)等新興專業(yè)發(fā)展。

2.課程規(guī)劃

成功創(chuàng)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(chuàng)客課程重在案例，教師不僅考慮有沒有，還要清楚預估結(jié)果及設定應急方案。創(chuàng)客課程教學是一次培訓，在一個相對封閉的環(huán)境中，學生自主學習，深度參與，在短時間內(nèi)形成工程項目思維并能運用。

哈羅德的培訓結(jié)構(gòu)化5步模型按邏輯依據(jù)、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(xiàn)場教學，難以引導課下自主學習。為了讓創(chuàng)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(xù)自助規(guī)范培訓過程提出實訓自適應結(jié)構(gòu)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(yè)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(zhàn)，循序漸進增加難度。考核檢查學生是否學會，以團隊與個人應達到的標準公正地評價學習表現(xiàn)。自適應檢查在學習活動間或整個課程建設中循環(huán)往復，滿足可持續(xù)性自主發(fā)展。

3.微處理器設計實訓

設計方法與創(chuàng)新理念開放的開源硬件興起促進了創(chuàng)客教育的普及。開源硬件對創(chuàng)客教育的正向影響主要為遞進成本投入、完整產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈和協(xié)作迭代產(chǎn)品更新。Arduino平臺是目前全球創(chuàng)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(fā)的擴展板可完成可調(diào)低功耗智能儀表，匯入無線傳感網(wǎng)絡可長期實時監(jiān)測海洋環(huán)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(shù)的發(fā)展降低了硬件生產(chǎn)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(gòu)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(xiàn)CPU和并口，能執(zhí)行C語言程序。處理器邏輯設計一般通過HDL編程實現(xiàn)指令子集，僅僅運行手工編譯程序來仿真驗證邏輯?？鐚I(yè)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(xiàn)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(yè)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(fā)。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(tǒng)虛擬平臺和智能硬件應用三大訓練模塊，涵蓋微計算系統(tǒng)的處理器層、芯片層和開發(fā)板層軟硬件開發(fā)。課程預期效果如下：①能設計和實現(xiàn)微處理器核、虛擬微控系統(tǒng)、智能硬件原型并演示；②提升開發(fā)FPGA的RTL建模、仿真驗證、優(yōu)化策略、時序分析，結(jié)合AVR的c編程、調(diào)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(xiàn)及設計后在檢測平臺上分析和測試的能力。

本創(chuàng)客實訓采用做中學，即先做會做的，再學不會的，具體內(nèi)容見表1，讓缺乏計算機系統(tǒng)知識的跨專業(yè)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(xù)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(xié)作與編程能力；③現(xiàn)場測試（30%）考查實物、復雜系統(tǒng)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(shù)手段設計系統(tǒng)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(gòu)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(yè)認證的課程達標前后均要持續(xù)性改進。教師設計創(chuàng)客學習環(huán)境需預先掌握多種開源硬件。助教除協(xié)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(yǎng)成終身學習習慣。

自適應學習的一些經(jīng)驗：①教學內(nèi)容“工程化”以真實產(chǎn)品為案例。教師向企業(yè)求實訓載體且反復調(diào)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(yè)認證下的培養(yǎng)方案和學習活動的課程提綱。③項目式、體驗式、創(chuàng)新教育理念為基礎的創(chuàng)客教育更加關(guān)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(diào)節(jié)，積極參與學習活動。策略上，產(chǎn)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(xù)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(yōu)點在于讓學生產(chǎn)生強代入感，只要自己完整重現(xiàn)，就能體驗到優(yōu)秀學生完成學習任務的成就感。先同時從數(shù)名優(yōu)秀學生工作中預分解出大概行為，甄別結(jié)果具體化的可信行為，去除個體特有的，習慣后持續(xù)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(xiàn)延時、跳轉(zhuǎn)和IO模塊相關(guān)指令，在FPGA開發(fā)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(jù)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(jié)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(fā)和安全加工，課程提綱見表3。

5.結(jié)語

創(chuàng)客類實訓能以低成本激發(fā)不同專業(yè)背景人群的興趣，使其樂在“做中學、學中做”。高校工程教育質(zhì)量提升只能走“工程教育專業(yè)論證”這條路，教育部也通知制訂創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學分管理辦法。

以自適應結(jié)構(gòu)化模型規(guī)劃“微處理器設計”，實施結(jié)果表明加快了教學團隊設計4周2個創(chuàng)新學分的創(chuàng)客課程進程，自適應檢查環(huán)節(jié)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(fā)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(fā)。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(zhí)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(tǒng)設計類實訓項目的補充。

創(chuàng)客實驗室建設應積極站在創(chuàng)客教育風口，以工程教育專業(yè)認證為契機，轉(zhuǎn)變角色，切實擴大創(chuàng)新服務，系統(tǒng)規(guī)劃，逐步投入，實現(xiàn)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新資源保護共享，完善創(chuàng)客教育學分培訓。