STEM教育与创客教育在戴姆勒星辉赛车制作中的应用

林夏武

【摘要】文章主要以星辉赛车基于Arduino开发的动力系统为例论述了STEM教育与创客教育在中职学校开展的可行性。赛车制作过程充分体现了科学、数学、技术、工程、艺术跨学科的交叉融合，学生在赛车的制作中起主导作用，学生的创新精神和实践能力得到了极大的锻炼。

【关键词】STEM教育；创客教育；星辉赛车

一、STEM教育理念与创客教育

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合。STEM 教育中四门学科的教学必须紧密相连，以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能灵活迁移应用解决真实世界的问题。融合的STEM教育具备的核心特征包括跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等。

创客用于指代利用网络、3D打印以及其他新兴科技，把创意转换成现实，勇于创新的一群人。创客精神是指勇于探索的创新精神，敢于接受失败的挫折和不屈不挠的精神，不近功利、协作交流的团队大智慧。李克强总理在2015年政府工作报告中指出，要推动大众创业、万众创新，并亲身探访深圳柴火创客空间，国务院办公厅随后印发《关于发展众创空间推进大众创新创业的指导意见》。随着“创客”风靡全国，开展创客教育也成为教育工作者热烈讨论的话题。创客教育强调创客的兴趣驱动、动手实践、创意创新的核心品质，培养其创新精神与实践能力，促进创新型、创业型人才的成长。

二、中职学校STEM教育与创客教育实施的优势与劣势

中等职业学校学生职业目标就是成为生产一线劳动者，动手能力是他们的强项。他们年轻，富有朝气，二十岁之前成为独当一面的师傅的中职毕业生比比皆是，同时他们对新生事物有极高的热情。学生接受STEM教育与创客教育宜早不宜迟，中职学生相比大学生更有优势。在中职学校，行动导向法教学模式已经非常普及，广大师生都已经习惯了“做中学、玩中学”的教学理念。学校建立了越来越多的一体化教学学习站、实验室，这些学习站稍加改造就可以成为STEM教育与创客教育的学习站。在中职学校开展STEM教育与创客教育具有极佳的客观条件。

然而，全国大部分城市的职业学校招收的学生整体素质普遍低于普通高中，学生分析问题、解决问题的能力较低，自我学习的能力也较差。STEM教育与创客教育对学生关键能力要求较高。STEM教育与创客教育的目标正是提高学生综合运用知识解决问题的能力。在中职学校开展STEM教育与创客教育，应循序渐进，建立易于入門的创客平台，设置难度较低的操作项目，在学生关键能力达到一定水平之后，再开展难度较高的项目。

三、戴姆勒星辉赛车制作

（一）赛事简介

戴姆勒星辉竞赛是戴姆勒奔驰公司在其合作职业院校中开展的一项赛事，这项竞赛类似大学生电动方程式赛车（FSEC），让老师指导学生构想、设计、开发、制造完成一辆小型电动赛车，是一项工程技术赛事而非纯粹的竞速赛。赛事举办的目标正是培养学生综合运用知识解决实际问题的能力，与STEM教育理念完美契合。第一届比赛是从2015年11月开始的，翌年11月在北京进行了现场展示及竞速赛，今年11月在长沙进行了第二届的竞速赛。我校在两届比赛中都出色完成了赛车制作并取得了优异的成绩，制作的赛车在工程技术上给赛事组织者留下了极佳的印象。

（二）参赛人员

在方案设计时，相比学生，教师只是比学生更有经验的课题参与者，师生共同讨论确定了设计方案。在参赛学生选择方面，赛事规定必须由戴姆勒铸星教育项目内汽车运用与维修专业的学生参加。每年每个合作学校奔驰班人数都是25人左右，是汽车运用与维修专业三年级学生，在二年级经过考试和面试进入奔驰班。他们在一二年级完成了汽车运用与维修专业课程，在校期间对项目教学法、行动导向法等都已经非常熟悉，具备较强的专业基础，在关键能力上较本校大部分学生都更强，具备开展难度较高的STEM项目的基础。理论上奔驰班所有的同学都应参加星辉竞赛项目，但因为项目是在课余时间和假期进行，所以最终会形成一个七八名主力成员的制作团队，主要指导老师是戴姆勒铸星教育项目教师，需要的时候，团队成员会寻求其他各专业教师的帮助，比如机械部的教师对车架设计及零件加工提供了关键的技术指导。

（三）场地选择及设备要求

赛车制作是从车架设计开始的，在车架方案出来以后，就需要用钢管焊接起来，因此场地要求有一块平整度要求很高的平台，且能安装固定钢管的支架。在车身制作的时候，需要进行大量的钣金操作，最后还需要进行喷漆。因此，制作团队选定了学校钣金喷漆实训室作为赛车制作主要场地。该实训室配备焊接设备、各种气动及电动设备、调漆室、喷漆烤漆房等，各种必需的设备及工具大都齐备，赛车制作的大部分操作都能在这块场地进行。

（四）项目执行

学生制作的过程也是学的过程，涉及的知识、技能都是跨学科、跨专业的，学生需完成赛车车架悬架设计，外观设计制作，零部件采购、加工、焊接、装配，动力系统编程，电路布置，调试等工作。为完成这些工作，学生需掌握ugNX、Solidworks、Arduino等多种开发平台的运用，同时在电商平台或原材料市场选购合适的原材料、零部件，为了控制成本，还需联系赞助商支持。

以第二代赛车动力系统设计为例。首先，制作团队确定动力方案。有了第一年参赛的经验，决定采用轮毂电机作为动力源，即两侧车轮各用一个三相交流电机驱动。相比第一代赛车单电机机械传动，这个方案效率更高，在总功率没有增加的前提下，最高车速、加速度和传动效率等方面的性能都有很大的提升，方案的确定体现了学生的创造性和技术增强性。

制作团队须解决的一个难题是驱动轮的差速问题，机械传动采用的是传统的差速器，而轮毂电机没有差速器，如何形成驱动轮的差速。这个问题对制作团队是一个不小的考验，师生们设想的解决方法是采用单片机编程控制两侧车轮的电机控制器，分别向两电机控制器发送不同的占空比信号，从而实现车辆在转向时的差速。学生并没有学过单片机，这是一个跨学科的挑战，他们向电子部的老师寻求帮助，电子部的老师推荐了Arduino。Arduino是全球创客群体中最热门的开源硬件之一，是一个开放的电子开发平台。它包含了硬件——电路板、软件——开发环境，还有许许多多开发者、使用者创造的代码、程序。学生利用该平台只需要通过简单的学习，了解各个引脚和函数的作用，便可以利用它开发出各种出色的项目。系统开发期间教师启发学生运用自己所学过的汽车发动机控制系统专业知识，找到了单片机控制与发动机控制的共同点，包括电子电工原理、传感器技术、信号的读取与发送等等。学生们花了数周时间从入门到掌握Arduino的编程，并尝试在小车模型上实验自己编写出来的程序，在小车实验基本可行之后，学生再把程序应用到赛车上。过程中充满了趣味性、探究性及创造性，团队成员之间不断交流，思维的火花不断迸发，同时还需要动手实施。经过数十次大大小小的修改，终于研制成功了安全、可靠、性能良好的赛车动力系统。

在竞速赛现场，学生对星辉赛车的设计制作特点进行了讲解，并驾驶赛车取得了排位赛最快圈速。戴姆勒奔驰铸星教育的专家评价我校赛车无论是底盘、动力还是在外观设计等各方面都是最优秀的。现场参加星辉竞赛是学生们难得的一次体验，看着或者驾驶自己亲手制作的赛车在赛道上奔驰，所获得的成就感是学生在求学阶段甚至终生难忘的一次体验。

星辉赛车制作是对STEM教育理念与创客教育的尝试，最大的成果是对学生能力的锻炼，教师在与学生共同完成赛车制作时能真切地看到学生每天取得的进步，参与该项目的同学进入工作岗位之后在企业都得到了很高的评价。

四、中职学校STEM教育与创客教育的建设设想

由于STEM教育与创客教育的实施对于环境、设备、教师素养等有一定要求，今后我们需积极探索深入推进创客教育，形成系统、成熟、具体、有全面推广价值的，符合中职学校教育特点的教学内容与方法體系。这些都离不开学校及上级部门的支持。首先，在师资队伍上需培养专门的项目教师，无论是技术上还是学生指导经验上， STEM教育与创客教育项目对教师能力提出了较高的要求，因此，教师的培养需要时间和有效的奖励机制。其次，参与项目的学生应尽早选拔，否则中职学生在校有限的时间内无法融入项目团队中，学生的参与热情和积极性也就很难建立。

在创客空间的建立上，美国最早创客空间的联合创始人Mitch Altman认为，创客空间并不需要物资上的奢华，最重要的是能够为每个参与者提供一个可以自由交流思想、一起探索未知的环境。笔者认为在现有实训场地基础上建立创客空间难度并不大，课程设置上也可以在现有课程基础上嵌套基于项目的STEM学习，例如在《汽车发动机控制系统检测》课程中就可以融入Arduino平台。利用Arduino平台，学生可以尝试编写一些小程序，搭建电路模拟控制系统的工作过程，完成对某些电器原件的检测。在这个过程中，学生会体验到以往从未体验过的学习乐趣，完成发明创造的成就感，与团队交流的归属感。

以上实践期望可以成为我们在开展学校STEM教育与创客教育的星星之火，也为我们自身思考教育的本质与未来教育改革提供了一些有益参考。

【参考文献】

[1]余胜泉，胡翔.STEM 教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（04）：13-22.

[2]吴俊杰.创客运动与STEM教育——专访“创客教父”Mitch Altman[J].中小学信息教育，2013（12）：39-42.