開源硬件在電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用

唐敏++金一鳴

摘 要：本文分析了開源硬件的特點(diǎn)，介紹了在學(xué)校工程訓(xùn)練教育中引入開源硬件進(jìn)行電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐的應(yīng)用可行性，重點(diǎn)探討了以Arduino開源硬件平臺進(jìn)行電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新的教學(xué)模式。作者認(rèn)為，在此模式下，可以在更多學(xué)科、更大群體的學(xué)生中間深入開展電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)，不僅有利于提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力與理論水平，更有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，對于工科院校進(jìn)行工程訓(xùn)練教學(xué)改革具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：開源硬件；Arduino；電子實(shí)踐與創(chuàng)新

一、引言

2012年4月教育部在《全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中指出了在創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式與強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)方面的相關(guān)意見。[1]在實(shí)際教學(xué)中，由于學(xué)生受限于知識結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐中往往需要花費(fèi)大量時間用于底層技術(shù)的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生無法積極主動地進(jìn)行實(shí)踐，抑制了學(xué)生創(chuàng)新的潛力。尤其是在電子實(shí)踐方面，面對比較深奧的電子與電氣知識，學(xué)生很難有自覺深入學(xué)習(xí)的興趣和動力，所以這樣的情況就更明顯。[2][3][4][5]

開源硬件（Open Source Hardware）是指用與自由及開源軟件相同的方式設(shè)計的計算機(jī)和電子硬件。[6]開源硬件設(shè)計者通常會公布詳細(xì)的硬件設(shè)計資料，如機(jī)械圖、電路圖、物料清單、PCB版圖、HDL源碼和IC版圖，以及驅(qū)動開源硬件的軟件開發(fā)工具包等。[7][8]開源硬件的出現(xiàn)，能在很大程度上有助于解決電子實(shí)踐方面的難題，并且對于改善現(xiàn)狀有著積極的影響。

Arduino開源硬件平臺作為開源硬件的一個典型，由于其價格低廉、應(yīng)用方便、良好的跨平臺性、簡易的編程環(huán)境、可擴(kuò)展性及應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，[9]所以在電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐方面有著明顯的優(yōu)勢。

本文基于Arduino開源硬件，探討開源硬件在電子實(shí)訓(xùn)方面的教學(xué)模式與學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐。

二、Arduino開源硬件

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，共包含硬件Arduino控制板和軟件Arduino IDE。目前，控制板已經(jīng)發(fā)展到了Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad、Arduino Mega2560、Arduino Ethernet、Arduino Due、Arduino Leonardo、Arduino Yun等眾多版本。

Arduino 控制板通過 USB 接口與電腦相連，采用類似 Processing的語言進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)， Arduino 語法是建立在C/C++基礎(chǔ)上的，其實(shí)也就是基礎(chǔ)的C語法，因此具有易學(xué)易用的特點(diǎn)，使用起來非常方便。

對于Arduino開源平臺的優(yōu)勢可以做如下總結(jié)。 [10][11]

（1）相對其他開發(fā)板，Arduino及周邊產(chǎn)品相對質(zhì)廉價優(yōu)，學(xué)習(xí)或創(chuàng)作成本低。

（2） Arduino的簡單易學(xué)開發(fā)環(huán)境。知道Arduino的端口作用或者自己定義端口作用，在此情況下就可以使用Arduino開源平臺；只要會基本的C語言，就可以編寫Arduino 程序。

（3）Arduino的可擴(kuò)展性很強(qiáng)。由于其開源的理念，軟硬件完全對公眾開放。對于其I/O設(shè)備的Arduino編程，許多I/O設(shè)備都已經(jīng)帶有庫文件。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的修改就可以開發(fā)個性化的作品。

（4）Arduino資料容易獲取。從Arduino國內(nèi)外相關(guān)網(wǎng)站、論壇里都可以得到大量的共享資源。通過了解這些資源信息有助于解決在使用Arduino進(jìn)行設(shè)計時遇到的問題。

（5）良好的跨平臺性。Arduino對于Windows、Mac OS、Linux系統(tǒng)都有著相應(yīng)版本的Arduino IDE 軟件。

綜上所述，Arduino平臺在使用上具有非常大的優(yōu)勢，其安裝簡單，可以反復(fù)使用，像電子積木一樣可以隨意組合搭配，學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計任意搭配電路，編寫相應(yīng)的控制程序，從而實(shí)現(xiàn)電路的運(yùn)行。

通過以上對于Arduino開源硬件平臺的特色優(yōu)勢分析，對于更多學(xué)科、更大群體的學(xué)生深入開展電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)中引入該平臺具有很強(qiáng)的可行性。

三、Arduino 在電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐的教學(xué)案例

1.實(shí)訓(xùn)硬件、軟件及材料

如上圖所示，選取Arduino uno 作為核心控制板。設(shè)計軟件為Arduino IDE 1.6.5。硬件材料包括：LED、電阻、跳線、蜂鳴器、七段數(shù)碼管、按鍵、傾斜開關(guān)、光敏電阻、紅外接收三極管、溫度傳感器、紅外遙控器、紅外接收頭等。

2. 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

為了讓更多學(xué)科學(xué)生、更大群體的學(xué)生積極參與電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐，我們設(shè)計了如表1所示的基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容。

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容如下：首先，由指導(dǎo)老師為學(xué)生介紹所用電子元器件的理論知識；其次，由指導(dǎo)老師為學(xué)生演示及講解程序設(shè)計流程和注意事項；最后，學(xué)生按照實(shí)訓(xùn)要求，根據(jù)老師的指導(dǎo)進(jìn)行硬件電路的搭建，編寫控制程序、調(diào)試程序、將程序下載到Arduino控制板中；最后完成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。

3.教學(xué)效果

雖然學(xué)生來自不同學(xué)院、不同專業(yè)，在電子知識方面也有著不同的基礎(chǔ)，但是學(xué)生都有著很高的積極性。在整個實(shí)訓(xùn)過程中，學(xué)生之間互學(xué)互教，完成整個實(shí)訓(xùn)項目。由于簡單修改電路和程序，就能立刻實(shí)現(xiàn)個性化很強(qiáng)的效果，這極大地激起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的想象力和創(chuàng)新能力。

4.教學(xué)分析

在整個實(shí)訓(xùn)過程中，學(xué)生完成電路的硬件搭建和程序設(shè)計，教師只是作為指導(dǎo)。實(shí)訓(xùn)中每位學(xué)生必須完成一個電路的硬件搭建和程序設(shè)計，學(xué)生之間互學(xué)互教，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，達(dá)到了教學(xué)效果。

由此得出以下結(jié)論：

（1）Arduino開源硬件平臺的電子實(shí)訓(xùn)過程能夠很好進(jìn)行以學(xué)生為主的教學(xué)實(shí)踐，成本又相對較低。

（2）Arduino開源硬件平臺的電子實(shí)訓(xùn)極大激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性和自主性，極大地激發(fā)了學(xué)生的想象力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新意識。

（3）Arduino開源硬件平臺的電子實(shí)訓(xùn)由于 Arduino 硬件的易用性與豐富的可擴(kuò)展性，使得對于更多學(xué)科、更大群體的學(xué)生進(jìn)行電子實(shí)訓(xùn)變得切實(shí)可行。

5.創(chuàng)新實(shí)踐

學(xué)生基于Arduino開源硬件平臺以及現(xiàn)有的外圍硬件完成了如表2所示的創(chuàng)新實(shí)踐項目。

四、結(jié) 語

本文分析了開源硬件的特點(diǎn)和優(yōu)勢，具體介紹了在學(xué)校工程訓(xùn)練教育中引入開源硬件進(jìn)行電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐的應(yīng)用可行性，初步給出了以Arduino開源硬件平臺進(jìn)行電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新的教學(xué)模式。

實(shí)踐表明，在此模式下實(shí)現(xiàn)了對于更多學(xué)科、更大群體的學(xué)生開展電子實(shí)訓(xùn)的教學(xué)，這不僅極大地激起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)生的積極性，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力與理論水平，還激發(fā)了學(xué)生們的想象力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

在以后教學(xué)實(shí)踐中，我們將繼續(xù)探索其他典型開源硬件平臺在電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐方面的應(yīng)用，不斷完善和改進(jìn)具體實(shí)施措施，以取得更好的教學(xué)效果，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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[11]蔡卓凡.基于Arduino和Android教室移動巡檢系統(tǒng)設(shè)計[J].電子科技，2014，27（5）：110-115.