開源硬件在電子工程訓(xùn)練課程中的應(yīng)用與探索

葉懋　許金　李?yuàn)?/p>

【摘 要】本文分析工程訓(xùn)練的現(xiàn)狀，闡述Arduino的特點(diǎn)與其在高校工程訓(xùn)練課程中應(yīng)用的可行性，探討了Arduino在電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程中的應(yīng)用模式，提出應(yīng)實(shí)施課內(nèi)實(shí)訓(xùn)與課外網(wǎng)絡(luò)課程、相關(guān)競(jìng)賽相結(jié)合的開設(shè)模式。

【關(guān)鍵詞】開源硬件 工程訓(xùn)練 創(chuàng)新意識(shí) Arduino

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）09C-0152-03

新形勢(shì)下大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育有新的需求，應(yīng)開展基于開源硬件的電子工程訓(xùn)練類課程的改革，以下從電子工程訓(xùn)練中心教育現(xiàn)狀、開源硬件可行性分析和課程改革與探索三個(gè)方面進(jìn)行介紹。

一、電子工程訓(xùn)練中心教育現(xiàn)狀

多年以來我校電子工程訓(xùn)練中心（以下簡(jiǎn)稱“中心”）所開設(shè)的電子工程訓(xùn)練類課程通過大量的實(shí)踐性操作與訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決現(xiàn)實(shí)工程問題的能力，在一定程度上滿足了現(xiàn)代化企業(yè)對(duì)工程技術(shù)人員素質(zhì)訓(xùn)練和培養(yǎng)的需求。從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段來看工程訓(xùn)練是一個(gè)極佳的培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和工程素質(zhì)人才的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是工科課程體系中不可或缺的環(huán)節(jié)。

中心在成立之初主要承擔(dān)學(xué)生的電子工程訓(xùn)練相關(guān)課程，主要開設(shè)課程是以黑白電視機(jī)的組裝和調(diào)試為主，在當(dāng)時(shí)技術(shù)背景下黑白電視機(jī)覆蓋了模擬電子電路課程中的大量理論知識(shí)和典型電路，這一選擇在當(dāng)時(shí)無疑是恰當(dāng)?shù)?。但是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的黑白電視機(jī)的裝配調(diào)試已經(jīng)不能反映業(yè)界技術(shù)發(fā)展，甚至隨著業(yè)界技術(shù)與相關(guān)理論的不斷發(fā)展，這種缺陷愈發(fā)嚴(yán)重。

從2006年開始中心作為我校國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心“機(jī)電綜合工程訓(xùn)練中心”的重要組成部分，參與了國家級(jí)實(shí)驗(yàn)示范中心申報(bào)、建設(shè)與驗(yàn)收工作，并以此為契機(jī)開展了一系列的教學(xué)改革。新增面向一年級(jí)新生的電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程，該課程以小型電子產(chǎn)品為載體，以元器件識(shí)別、測(cè)試、焊接為主體；自主研發(fā)了模塊化的液晶電視實(shí)習(xí)平臺(tái)，使電子工程訓(xùn)練課程的內(nèi)容從傳統(tǒng)的黑白電視機(jī)焊接、調(diào)試，擴(kuò)展為PCB設(shè)計(jì)、PCB小工業(yè)設(shè)備制作、元器件裝配、模塊調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試。實(shí)現(xiàn)了基于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)全周期的綜合訓(xùn)練，使學(xué)生感受了從單元電路的設(shè)計(jì)到電子系統(tǒng)構(gòu)成的過程，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際工程能力和綜合素質(zhì)。中心開設(shè)課程以及能力目標(biāo)如表1所示：

隨著近幾年教學(xué)改革的不斷深入與教學(xué)活動(dòng)的開展，電子工程訓(xùn)練中心在實(shí)踐教學(xué)上取得了一定的教學(xué)效果，但是一些問題也逐步暴露出來，這些問題主要表現(xiàn)為：

以小型電子產(chǎn)品裝配為主的電子認(rèn)知實(shí)習(xí)，由于經(jīng)費(fèi)限制，只能裝配一些技術(shù)相對(duì)“過時(shí)”的電子產(chǎn)品，難以激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

電子工程訓(xùn)練課程覆蓋電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試、測(cè)量等環(huán)節(jié)，由于缺乏培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的環(huán)節(jié)，導(dǎo)致在課程的開設(shè)過程中，大部分學(xué)生只能按部就班地完成規(guī)定的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，整個(gè)過程中處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，無法發(fā)揮主觀能動(dòng)性，更談不上培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

中心開設(shè)的兩門課程雖然在能力目標(biāo)上覆蓋了教學(xué)目標(biāo)，但是在內(nèi)容上由于課程載體不同，導(dǎo)致兩門課程從整體上缺乏連貫性與系統(tǒng)性。

通過多年的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，我們發(fā)現(xiàn)如果忽略了課程內(nèi)涵建設(shè)和創(chuàng)新性建設(shè)，就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)流于表面、被動(dòng)接受，教學(xué)效果不佳，課程最后也就變相成為被動(dòng)式的“產(chǎn)業(yè)工人”上崗培訓(xùn)。

因此，在“后示范中心”時(shí)期，在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”大環(huán)境下，電子工程訓(xùn)練中心該如何進(jìn)一步挖掘?qū)嵺`教學(xué)的內(nèi)涵建設(shè)，繼續(xù)豐富工程訓(xùn)練課程內(nèi)容和優(yōu)化課程體系，將工程實(shí)訓(xùn)課程與學(xué)生課外創(chuàng)新活動(dòng)有機(jī)結(jié)合起來，為進(jìn)一步開展學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)搭建一個(gè)更加完備的電子工程訓(xùn)練平臺(tái)，更加切實(shí)有效地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育服務(wù)，成為電子工程訓(xùn)練中心亟待解決的問題。

二、開源硬件可行性分析

當(dāng)今社會(huì)中有一群人，他們通過互聯(lián)網(wǎng)和共同體活動(dòng)空間，整合資源與服務(wù)，將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化成為制品，從而實(shí)現(xiàn)價(jià)值，這群人就是創(chuàng)客。他們注重在實(shí)踐中學(xué)習(xí)新知識(shí)，并加以創(chuàng)造性地使用，是“知行合一”的忠實(shí)實(shí)踐者。他們的這些特質(zhì)與“在實(shí)踐中教學(xué)”的教育思想有很高的契合度。因此，近年來熱度越來越高的創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)，也引起教育界的思考與共鳴。

在創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)中，由Arduino構(gòu)建的創(chuàng)客生態(tài)系統(tǒng)已蔚然成風(fēng)，各類基于Arduino的軟硬件開發(fā)平臺(tái)、技術(shù)資料、配件等已經(jīng)非常完善，Arduino系列套件具有許多其他傳統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)無法比擬的優(yōu)勢(shì)：

Arduino 套件屏蔽了系統(tǒng)的底層硬件結(jié)構(gòu)和寄存器操作相關(guān)信息，即使沒有相關(guān)硬件基礎(chǔ)也可以熟練使用Arduino系列套件。

沒有編程基礎(chǔ)的人，僅需掌握幾個(gè)可讀性較強(qiáng)的Arduino指令，就可在很短時(shí)間內(nèi)輕松上手，快速應(yīng)用。

得益于CC協(xié)議，Arduino在網(wǎng)絡(luò)上有大量第三方共享軟硬件資源、用戶基數(shù)龐大的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)和各種各樣的學(xué)習(xí)資源。在這些共享資源輔助下，通過資源整合，能夠提升開發(fā)效率，加快作品的創(chuàng)作速度，甚至是加快“產(chǎn)品”優(yōu)化的迭代速度。

綜合各方面的因素，將Arduino UNO引入到電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程中是一個(gè)適宜選擇，理由如下：

相對(duì)于在課程中完成的“作品”在課程結(jié)束后就被束之高閣，中心更希望看到這些作品能夠在學(xué)生的創(chuàng)新活動(dòng)和后續(xù)課程中起到一定的積極作用。幸運(yùn)的是，我校各學(xué)院以及國內(nèi)很多高校的教師探索在C語言程序設(shè)計(jì)、機(jī)械控制、自動(dòng)控制等課程中引入開源硬件，所有這些為后續(xù)Arduino的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

大學(xué)新生具有靈活、開放、好奇的個(gè)性，他們對(duì)新事物有強(qiáng)烈興趣，創(chuàng)新意識(shí)相對(duì)較強(qiáng)；另一方面大學(xué)新生心理承受能力弱，遇到失敗容易受挫。因此，與收音機(jī)、充電器一類的小型電子產(chǎn)品相比，Arduino UNO易上手，且有種類繁多的外設(shè)模塊，可以最大限度地引起大學(xué)新生的興趣并不斷激發(fā)他們的創(chuàng)造性。endprint

三、電子工程訓(xùn)練中心課程改革與探索

（一）引入開源硬件，深化電子認(rèn)知課程改革

在將Arduino UNO引入到電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程的教學(xué)改革中，首先考慮的是大學(xué)新生作為手工焊接工藝的初學(xué)者，需要能使用普通電烙鐵對(duì)Arduino電路板進(jìn)行檢修。因此在保證與Arduino 系列開源硬件兼容的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了一定的修改，修改后的兼容板命名為GDuino UNO，如圖1所示：

GDuino UNO的具體修改內(nèi)容主要包括：

元器件選型本土化。在滿足相同功能的前提下，選用國產(chǎn)芯片，將部分元器件本土化。GDuino UNO選取封裝類型為SOP-16的CH340G來實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能，替代官方Arduino UNO中封裝為MLF32的ATmega8USB轉(zhuǎn)串口方案。一方面減少了外圍電路，簡(jiǎn)化了后期檢修的復(fù)雜度，降低了初學(xué)者自主維修的困難，另一方面節(jié)約了器件的成本。

元器件類型單一化。在官方Arduino UNO開發(fā)板中，兩個(gè)晶振采用不同封裝類型進(jìn)行安裝?？紤]到GDuino UNO的應(yīng)用環(huán)境，無需對(duì)晶振類型提出特殊要求，因此將兩個(gè)晶振統(tǒng)一采用封裝類型為SMD-5032的四腳無源晶振。統(tǒng)一晶振封裝類型減小了初學(xué)者識(shí)別元器件的難度?；谕瑯拥目紤]，在不影響整體性能的情況下，將Arduino UNO中的貼片鋁電解電容替換為封裝為1206的貼片陶瓷電容。Arduino UNO中貼片電阻都采用0603*4的排阻，為了讓初學(xué)者更好地識(shí)別、區(qū)分貼片電阻和電容，GDuino UNO中貼片電阻和貼片電容都使用了相同的0603封裝規(guī)格。

元器件封裝簡(jiǎn)單化。將官方原理圖中起電源選擇作用的LMV358運(yùn)算放大器的封裝類型更換為常見的SOP-8類型，以USB-A型USB母座替換Arduino UNO中USB-B型。如此更改的目的在于增加初學(xué)者手工焊接的成功率，降低初學(xué)者焊接GDuino UNO時(shí)的硬件故障率。

中心將電子認(rèn)知實(shí)習(xí)分為三個(gè)有機(jī)部分——GDuino SMT工藝實(shí)訓(xùn)、混合器件認(rèn)知貼裝、開源硬件編程。

參考原來裝配小型電子產(chǎn)品的成功率，按照每年2100人計(jì)算，約有400人的作品是不能正常工作的。為了保證學(xué)生制作的GDuino的品質(zhì)，為了讓每個(gè)同學(xué)的板子都能在后續(xù)的課程中發(fā)揮應(yīng)有作用，GDuino上的貼片器件統(tǒng)一使用SMT自動(dòng)生產(chǎn)線進(jìn)行裝配，引入SMT生產(chǎn)線后不僅提高了成功率，同時(shí)也能幫助學(xué)生建立初步的工程意識(shí)，形成對(duì)SMT技術(shù)的基本認(rèn)知。SMT工藝實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)通過現(xiàn)代電子產(chǎn)品先進(jìn)制造實(shí)踐訓(xùn)練，使學(xué)生獲得了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝過程的基本認(rèn)識(shí)。

為了彌補(bǔ)引入SMT全自動(dòng)生產(chǎn)線而削弱教學(xué)環(huán)節(jié)，增加混合器件認(rèn)知貼裝環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)的主要目的是完成教學(xué)大綱中的常見器件的識(shí)別與檢測(cè)，通孔和貼片器件的手工拆、焊，在本環(huán)節(jié)中特別對(duì)SOP封裝芯片的拆焊做了強(qiáng)化訓(xùn)練，目的是為了讓學(xué)生能夠手工維修SMT線上的瑕疵產(chǎn)品而做相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備。

針對(duì)開源硬件的特點(diǎn)，增加了4個(gè)難度遞增的課內(nèi)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要是為了完成初步軟件編程入門。完成4個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)后，最后要求綜合應(yīng)用這4個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成一個(gè)具有一定創(chuàng)意的項(xiàng)目。各實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)如表2所示：

在面向大學(xué)新生開設(shè)的電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程引入GDuino后，取得了一系列良好的教學(xué)效果。在最后的創(chuàng)意項(xiàng)目中，有同學(xué)實(shí)現(xiàn)了呼吸燈，了解了PWM原理，有同學(xué)利用隨機(jī)函數(shù)做了流水燈，也有利用紅外熱釋傳感器實(shí)現(xiàn)了LCD1602屏幕背光控制等自動(dòng)控制電路，而這些知識(shí)都是大二，甚至是大三才接觸到的。由此可見Arduino兼容板極大地發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

（二）利用網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)，營造多樣化實(shí)踐環(huán)境

開源硬件不需要使用者了解底層硬件知識(shí)，這對(duì)于需要快速實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的創(chuàng)客而言，或許是最佳選擇。但是這一特點(diǎn)，對(duì)于需要學(xué)習(xí)并掌握底層硬件知識(shí)的電子信息類專業(yè)學(xué)生，可能就不是一個(gè)最佳選擇。因此需要有針對(duì)性地引導(dǎo)、推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行底層硬件的學(xué)習(xí)。

受工程訓(xùn)練的課程特點(diǎn)以及課時(shí)的限制，不可能在課內(nèi)對(duì)開源硬件底層硬件知識(shí)進(jìn)行深入細(xì)致的講解。因此中心依托我校的漓江學(xué)堂網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，專門建立一整套講解Arduino UNO硬件相關(guān)知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)課程，作為電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程中硬件底層知識(shí)不足的有益補(bǔ)充。利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)改善和拓寬了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的條件和實(shí)踐創(chuàng)新的途徑，為學(xué)生營造了自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、師生互動(dòng)的多樣化實(shí)踐環(huán)境。

（三）探索開展多彩競(jìng)賽，助力創(chuàng)新教育

積極組織課外開源硬件競(jìng)賽，擴(kuò)大學(xué)生受益面，推動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)。為克服全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽門檻較高、覆蓋面相對(duì)較窄的缺點(diǎn)，面向全校不定期開展兩種方式的競(jìng)賽。一種是創(chuàng)意競(jìng)賽，創(chuàng)意競(jìng)賽利用學(xué)生手中的Arduino UNO兼容板、學(xué)生自制模塊以及第三方模塊，實(shí)現(xiàn)自己團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)意。另一種是特定題目的競(jìng)賽，競(jìng)賽要求學(xué)生使用統(tǒng)一的開源硬件主控板和其他相關(guān)的硬件模塊完成特定項(xiàng)目。創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽可以促進(jìn)學(xué)生自由組隊(duì)，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，為學(xué)生提供學(xué)科發(fā)展、交叉、融合的平臺(tái)，進(jìn)而擴(kuò)大創(chuàng)新教育的覆蓋面。特定題目競(jìng)賽能促使學(xué)生團(tuán)隊(duì)去鉆研開源硬件，兩種競(jìng)賽互為動(dòng)力，在學(xué)生覆蓋面和學(xué)習(xí)深度方面實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。

四、后續(xù)改革方向

經(jīng)過近兩年的建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)效果上看，將開源硬件引入電子認(rèn)知課程中對(duì)學(xué)生提升學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)新性具有良好效果，未來電子工程訓(xùn)練中心將在以下方面作改革探索：探索以開源硬件為基礎(chǔ)、以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為手段、注重學(xué)生個(gè)性化發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性為導(dǎo)向的電子工程訓(xùn)練課程開設(shè)方式，從而形成以電子認(rèn)知實(shí)習(xí)為基礎(chǔ)訓(xùn)練層，普及開源硬件知識(shí)，激發(fā)學(xué)生興趣；以網(wǎng)絡(luò)課程和多樣化競(jìng)賽為提高綜合設(shè)計(jì)層；以改革后電子工程訓(xùn)練課程為自主創(chuàng)新層；由原來的“師傅帶徒弟”式的傳授向以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體的師生互動(dòng)型傳授方式轉(zhuǎn)變。鼓勵(lì)學(xué)生以項(xiàng)目為切入點(diǎn)，通過實(shí)踐過程培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新能力，從而完善電子工程訓(xùn)練中心基于開源硬件的三層次、多模塊的工程訓(xùn)練體系。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬鵬舉，邱玉婷，張興華.探討實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建成后工程訓(xùn)練亟待解決的問題[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015（12）

[2]克里斯·安德森.創(chuàng)客：新工業(yè)革命[M].北京：中信出版社，2012

[3]王德宇，徐思彥，李正風(fēng).創(chuàng)客模式：工程教育與產(chǎn)業(yè)實(shí)踐融合的驅(qū)動(dòng)力[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2016（3）

[4]賈杰.創(chuàng)客教育與高等院校工程訓(xùn)練的融合[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015（12）

[5]鄧欣，王進(jìn)，于洪，等.開源硬件在“智能機(jī)器人”實(shí)踐課程中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育，2015（18）

[6]趙廣元，王文慶，蔡秀梅.開源硬件在自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用模式初探[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（11）

[7]劉福祥.開源硬件在電氣專業(yè)教學(xué)中的實(shí)踐與思考[J].職業(yè)，2015（30）

【基金項(xiàng)目】2016年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程一般項(xiàng)目B類（2016JGB227）；2017年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程重點(diǎn)項(xiàng)目（2017JGZ126）；桂林電子科技大學(xué)教學(xué)改革資助項(xiàng)目（JGB201430）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（201510595050）

【作者簡(jiǎn)介】葉 懋（1979— ），男，貴州赫章人，碩士，桂林電子科技大學(xué)講師，研究方向：工程實(shí)踐教學(xué)。

（責(zé)編 丁 夢(mèng)）endprint