應(yīng)用型本科軟件類專業(yè)硬件基礎(chǔ)課程的研究

摘 要：隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等新型網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用型本科將面臨新的挑戰(zhàn)與機遇，也迎來了新的學(xué)科生長點，我院在軟件類專業(yè)開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)課程，而面向非硬件類專業(yè)的同類課程資源較少，本文闡述了基于開源硬件的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)課程資源的開發(fā)，對課程目標、課程內(nèi)容、課程實施及實驗教學(xué)等方面的問題。

關(guān)鍵詞：Arduino 物聯(lián)網(wǎng) 實驗教學(xué)

目前非硬件專業(yè)受專業(yè)和學(xué)科背景限制，且缺乏電子信息類基礎(chǔ)課程的支撐，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)普遍停留在對于基礎(chǔ)理論的介紹上，而承擔課程教學(xué)的師資也缺乏硬件基礎(chǔ)，所以很多此類課程的開出多流于形式，沒有達到課程開設(shè)的目的。隨著硬件技術(shù)向高度集成化、開源化和易用化的方向發(fā)展，越來越多的優(yōu)秀的硬件平臺出現(xiàn)在科研、教育與工程領(lǐng)域，極大的降低了硬件學(xué)習與開發(fā)的門檻，縮短了產(chǎn)生品原型設(shè)計時間，Arduino作為一個面向大眾開源硬件平臺已廣泛的應(yīng)用于科研、生產(chǎn)和教學(xué)中[1]，因此，本課程的教學(xué)資源均以Arduino進行開發(fā)與實現(xiàn)。

一、Arduino 簡介

Arduino是一種開源的單片機控制器，使用AtmelAVR單片機，采用基于開源代碼的硬件平臺，構(gòu)建開源代碼simple I/O接口板，并且具有使用類似Java，C語言的開發(fā)環(huán)境，與傳統(tǒng)的單片機平臺相比具有以下幾個優(yōu)點：

1.開放性

具備硬件與軟件的雙重開源機制，除官方團隊推出的十多個版本外，在全球的同時衍生出多個兼容版本，平臺的生態(tài)圈健康有活力；

2.廉價

與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺動輒上萬的價格相比，以Arduino平臺搭建的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺只需求千元以下，價格優(yōu)勢明顯；

3.易用性

在零電子基礎(chǔ)的情況下，只需要有一定的編程基礎(chǔ)就可以寫出相應(yīng)的硬件控制程序，實現(xiàn)了“硬件即軟件”的設(shè)計思想；

4.資源豐富

秉承了開源社區(qū)一貫的開放性和分享性，開發(fā)者可以在Arduino社區(qū)輕松找到自己想要使用的一些基本功能模塊，特別一些模塊供應(yīng)商也開始越來越重視Arduino社區(qū)，為自己的產(chǎn)品提供了Arduino下的使用庫，極大的方便了Arduino開發(fā)者，使開發(fā)者可以不必拘泥于一些基本功能的編寫，而可以把自己的精力更多的放在自己想要的功能設(shè)計中去。

二、課程資源開發(fā)

1.課程性質(zhì)與理念

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)作為一門物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及課程在網(wǎng)絡(luò)工程本科專業(yè)的三年級開出，課程理念遵循STEM科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四位一體的理念[2]，希望通過此課程提高學(xué)生將多學(xué)科知識融會貫通和綜合應(yīng)用的能力。

2.課程目標

課程目標旨在讓學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基本開發(fā)方法，具備一定的參與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的能力，在進行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)實踐的過程中讓學(xué)生對硬件的開發(fā)有所了解，并建立學(xué)習興趣，從而在學(xué)習過程中鍛煉他們的創(chuàng)新能力、合作能力、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生動手動腦獨立思考的學(xué)習習慣，為以后的個人職業(yè)發(fā)展開闊一定的視野。

3.課程內(nèi)容

課程內(nèi)容的設(shè)置遵循基礎(chǔ)、應(yīng)用和綜合三個階段?；A(chǔ)階段涉及arduino控制器的基本操作方法，數(shù)字與模擬信號的輸入輸出方法、編程語法，必要的電子、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識；應(yīng)用階段通過驗證性實驗來開展教學(xué)，涉及傳感器與數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行器控制（直流電機 、舵機）、無線通信、網(wǎng)絡(luò)通信；綜合階段通過綜合性（設(shè)計性）實驗對前兩個階段掌握的知識與技能進行融會貫通，并鼓勵學(xué)生在此階段進行創(chuàng)新性的設(shè)計。以36個課時為標準的一體化教學(xué)方式為例，其執(zhí)行計劃如表1所示：

4. 課程實施建議

（1）教學(xué)開展前進行詳細的學(xué)情分析

在第一個階段教學(xué)中進行細致的學(xué)情分析，掌握學(xué)生對于硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的掌握情況，采取靈活多樣的基礎(chǔ)階段教學(xué)，力求在此階段克服大多數(shù)學(xué)生對于硬件的恐懼，樹立進行硬件開發(fā)的自信心。

（2）將實踐項目融入到課程中

在第二個階段，引入實際的生活與生產(chǎn)項目，如：室內(nèi)溫度監(jiān)測、紅外控制空調(diào)等實踐項目來開展教學(xué)。對前一個階段掌握的基礎(chǔ)理論與技術(shù)進行應(yīng)用層面的訓(xùn)練。

（3）開展以學(xué)生為主導(dǎo)的探索式教學(xué)

在第三個階段進行綜合設(shè)計的訓(xùn)練，主要內(nèi)容為軟硬件協(xié)同設(shè)計及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用原型開發(fā)，這一階段采取以學(xué)生為主導(dǎo)的探索式教學(xué)，通過參閱硬件的DataSheet，進行論壇討論，網(wǎng)絡(luò)搜索等手段來解決項目開發(fā)過程的的關(guān)鍵性技術(shù)問題，對學(xué)生進行創(chuàng)新層面的鍛煉。激發(fā)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)造的熱情，并為各類學(xué)科競賽的項目進行初期的培育。

（4）教學(xué)器材

Arduino控制器建議選擇標準版uno，uno版的arduino的外硬件硬件資源和學(xué)習資源最為豐富；傳感器按數(shù)字與模擬采集兩個類別來進行配置，每個類別至少3個；執(zhí)行器按數(shù)字與模擬控制兩個類別進行配置，每個類別至少2個；無線模塊按近距離通信與近場通信來進行配置，包括zigBee、藍牙、紅外、NFC、RFID等；有線模塊以標準的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模塊來進行配置。

結(jié)語

本文從課程的目標、內(nèi)容、課程實施以及教學(xué)器材等方面，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程為例對Arduino開源硬件課程教學(xué)進行了介紹。目前，該課程已在我系網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)開出2年，并孵化出大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)省級項目2項、全國大學(xué)生科技學(xué)術(shù)競賽項目3項，在后續(xù)的課程實施中會進行調(diào)整與優(yōu)化，我們將繼續(xù)在實踐中探索與完善該課程體系。

參考文獻

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作者簡介

王健（1981-），男，湖北人，講師，碩士，主要研究方向為普適計算、機器學(xué)習。