张洪杰　钱彭飞　方恺晴　耿丹

摘要：针对创客的创新创业教育研究主要集中于无教学计划和学分的创客空间项目，缺少创业基础选修课的问题，结合高等工程教育专业认证标准，提出高校夏季小学期创客类硬件实训的自适应结构化模型，阐述该模型有效性验证的方法和过程。

关键词：创客教育；夏季学期；微处理器；自适应结构化；专业认证

0.引言

创客原指不以盈利为目的，从兴趣爱好出发的创意实现者。2015年，全国两会政府工作报告为创客注入了时代新活力——创业者，指出以“大众创业、万众创新”为驱动，大力发展众创空间，培育“草根”创业带动就业，引领大学生创业。

创客教育广泛存在于以“线上社区、创客联盟和众筹平台”为例的虚拟平台和以“创客空间、工坊、图书馆”为例的高校内外创客实体中。这些模式遵循开放性，以兴趣立项自助创造，即使高校内部也无固定教学计划和学分。2015年5月，国务院《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》明确健全创新创业教育课程体系，设置合理的创新创业学分。湖南大学虚拟创业学院整合优质慕课资源，面向本科生开放计入学分管理的“创业基础”选修课。学院创客实验室承担核心课程实验与实验课教学、“创客”模式导向的第3夏季小学期系统设计的创新与服务职责。为保障高等工程教育质量，学院引入工程教育专业认证，给予高等工程教育定位、评价、质量保障与反馈。

1.创客类系统实训

夏季小学期主要安排计划内工程集中实践、拓展类前沿选修课、专题讲座等教学活动。计算机类专业培养具备扎实的科学与工程知识、良好的分析解决复杂工程能力和跨领域合作能力的人文与道德并存的复合型人才。为此，学院制订3期小学期教学方案：①大一程序设计训练1周，以掌握语言为目标。②大二算法与软件设计2周，以通过CSF考试为目标；电子系统设计2周，掌握电子产品设计制作与编程。③大三系统与创客实训4周，以复杂系统分析与设计能力训练为目标。

创客实训属于跨专业必修课，是以“微处理器、操作系统、编译系统、数据库和网络”为主的成熟通用系统设计，符合工程教育专业认证要求，利于信息安全、数字媒体、智能科学、物联网等新兴专业发展。

2.课程规划

成功创客课题具备7点：切身性、复杂性、资源充足、互动合作、高强度、时间合理和分享教育。创客课程重在案例，教师不仅考虑有没有，还要清楚预估结果及设定应急方案。创客课程教学是一次培训，在一个相对封闭的环境中，学生自主学习，深度参与，在短时间内形成工程项目思维并能运用。

哈罗德的培训结构化5步模型按逻辑依据、绩效目标、学习活动、评价和反馈顺序设计培训。它更多地实践在短期现场教学，难以引导课下自主学习。为了让创客实训全程覆盖课上课下，我们对教师、助教和学生三方的持续自助规范培训过程提出实训自适应结构化模型，如图1所示。

课程背景描述学习理由，包括一些事实趋势或场合、矛盾冲突或特点、承上启下的地位和知识模块等。教学目标是使学生获得与毕业要求对应的能力，即学会有能力做什么、锻炼或提升什么能力及做得怎样。学习活动鼓励更多参与，原则为了解学生已会知识与技能；专注于长期目标并设定短期目标；项目要有趣且有一些挑战，循序渐进增加难度。考核检查学生是否学会，以团队与个人应达到的标准公正地评价学习表现。自适应检查在学习活动间或整个课程建设中循环往复，满足可持续性自主发展。

3.微处理器设计实训

设计方法与创新理念开放的开源硬件兴起促进了创客教育的普及。开源硬件对创客教育的正向影响主要为递进成本投入、完整产业链生态圈和协作迭代产品更新。Arduino平台是目前全球创客使用最多的低成本硬件平台，配合Android智能手机可搭建真实的低成本教育机器人，堆叠自行开发的扩展板可完成可调低功耗智能仪表，汇入无线传感网络可长期实时监测海洋环境。Proteus虚拟平台让Arduino学习成本更低。可编程逻辑器件中IP软核技术的发展降低了硬件生产成本与设计时间，加快了硬件开源。

以一款低功耗8位AVR增强型RISC架构微控芯片ATmega328p（Arduino UNO主芯片）的CPU核为实训载体，在cycloneII 2C5芯片上自己动手实现CPU和并口，能执行C语言程序。处理器逻辑设计一般通过HDL编程实现指令子集，仅仅运行手工编译程序来仿真验证逻辑。跨专业选修学生更需要c语言编写应用且自动编译。兼容CPU常见C编程实现方法：移植嵌入式OS，如配置uCOS到MIPS32软核；借助真实芯片IDE，如Keil支持ARM9与8051软核、Atmel studio支持AVR软核。前者不可避免地抬高了专业门槛，会涉及较多Linux虚拟机下GNU工具链编译配置和uCOS应用开发。自制处理器考虑FPGA板载存储资源限制由32位降为8位，并采用后一方案编写单片机c程序，能在FPGA板上真实运行且与单片机板运行效果一致。

课程涵盖微处理器核、片上系统虚拟平台和智能硬件应用三大训练模块，涵盖微计算系统的处理器层、芯片层和开发板层软硬件开发。课程预期效果如下：①能设计和实现微处理器核、虚拟微控系统、智能硬件原型并演示；②提升开发FPGA的RTL建模、仿真验证、优化策略、时序分析，结合AVR的c编程、调试观察和硬件验证能力；③锻炼电路设计前期资料手册阅读、电路图识图与虚拟平台设计能力以及自下而上实现及设计后在检测平台上分析和测试的能力。

本创客实训采用做中学，即先做会做的，再学不会的，具体内容见表1，让缺乏计算机系统知识的跨专业学生或爱好者充分利用基本实验（BE）为自己加分，进一步思考自主实验（AE）或后续BE。

总成绩由4部分组成：①教师（30%）考查出勤、实物、研讨；②助教（10%）考查学生积极性、团队协作与编程能力；③现场测试（30%）考查实物、复杂系统设计与分析能力；④答辩与文档（30%）考查综合运用理论和技术手段设计系统和流程的能力、表达能力和文档撰写能力。各实验项目个人平时成绩由团队任务得分与个人日志报告等级构成。A等生组织团队全部完成，B等生加入团队参与全部，c等生在团队中完成部分，D等生以个人形式部分完成。

4.自适应检查

工程教育专业认证的课程达标前后均要持续性改进。教师设计创客学习环境需预先掌握多种开源硬件。助教除协助了管理资源外，还需跟踪学习。学生不断实践自主学习以养成终身学习习惯。

自适应学习的一些经验：①教学内容“工程化”以真实产品为案例。教师向企业求实训载体且反复调研与论证。②评估不是批判，而是研讨。教师团队与社会化评估长期合作，探讨专业认证下的培养方案和学习活动的课程提纲。③项目式、体验式、创新教育理念为基础的创客教育更加关注学生自主学习。学生想学但缺少学习策略，教师要引导学生进行自主趣味实验，促进自主学习。④学生乐于通过观察行为后果来反复调节，积极参与学习活动。策略上，产出为导向的期望能使学生潜移默化；具体行为上，学生可以比照行为检查表，持续强化已教行为。

4.1案例：综合实践1的行为检查表

行为检查表的优点在于让学生产生强代入感，只要自己完整重现，就能体验到优秀学生完成学习任务的成就感。先同时从数名优秀学生工作中预分解出大概行为，甄别结果具体化的可信行为，去除个体特有的，习惯后持续进行更详细的分解以完善。

综合实践1的主题旨在让学生能从AVR的简单c应用程序人手，在最小SOPC模型上改进CPU核实现延时、跳转和IO模块相关指令，在FPGA开发板上获取c应用功能，见表2。

4.2案例：综合实践2的课程提纲

课堂活动依据剧本式提纲，教师与助教引导学生全浸入场景，赋予任务，鼓励按顺序行动，预估结果并解决问题。综合实践2目标是以Arduino智能小车为原型深入微处理器、外设应用开发和安全加工，课程提纲见表3。

5.结语

创客类实训能以低成本激发不同专业背景人群的兴趣，使其乐在“做中学、学中做”。高校工程教育质量提升只能走“工程教育专业论证”这条路，教育部也通知制订创新创业学分管理办法。

以自适应结构化模型规划“微处理器设计”，实施结果表明加快了教学团队设计4周2个创新学分的创客课程进程，自适应检查环节有利于教学共同体合力短期完成迭代改进。实训中FPGA与Arduino快速原型开发板的引入，使得自行设计的微处理器在满足应用c编程FPGA之余，低障碍过渡至Arduino丰富的开源外设开发。学生团队以行为检查表为鉴随时获取反馈，能积极引导自主执行，体验全程沉浸式学习；课程提纲研讨与应用确保团队教学水平不断提高，并可作为基础实验综合项目或系统设计类实训项目的补充。

创客实验室建设应积极站在创客教育风口，以工程教育专业认证为契机，转变角色，切实扩大创新服务，系统规划，逐步投入，实现创业创新资源保护共享，完善创客教育学分培训。