面向軟硬件融合的Arduino機(jī)械控制小車課程實(shí)踐研究

高洪皓，劉安康，鄒啟明，陳章進(jìn)

（1.上海大學(xué) 計(jì)算中心，上海 200444；2.上海大學(xué) 理學(xué)院，上海 200444 ）

0 引 言

科技創(chuàng)新不僅僅是科研能力的創(chuàng)新，而且還需要人才培養(yǎng)的創(chuàng)新。近年來，高校工科教學(xué)以專業(yè)培養(yǎng)形式獨(dú)立發(fā)展，或是計(jì)算機(jī)專業(yè)，或者通信專業(yè)，或是機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)，都在當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等熱門智能科學(xué)方向上優(yōu)化人才培養(yǎng)方案。但是在跨學(xué)科的創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐中，部分教師深感缺少跨專業(yè)或者跨學(xué)科融合的教學(xué)改革內(nèi)容[1-2]，部分學(xué)生對(duì)交叉知識(shí)缺乏系統(tǒng)學(xué)習(xí)致使項(xiàng)目無法順利開展。因此，如何進(jìn)行多學(xué)科跨專業(yè)的人才培養(yǎng)一直是我們教育改革的出發(fā)點(diǎn)和目的地。這一點(diǎn)正和教育部當(dāng)前大力推行的新工科建設(shè)目標(biāo)相吻合，重點(diǎn)關(guān)注跨學(xué)科融合以及創(chuàng)新能力的提升，促進(jìn)工程領(lǐng)域和專業(yè)人才培養(yǎng)[3]，為本科生打下良好的工科基礎(chǔ)知識(shí)。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)以培養(yǎng)本科生計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)軟件的能力為目標(biāo)，培養(yǎng)本科生掌握部分編程語言，具有較扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)理論和較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力，能用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理和解決現(xiàn)實(shí)問題。隨著硬件技術(shù)不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)核心技術(shù)越來越集中在硬件層面的程序設(shè)計(jì)上。大學(xué)生的計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)需要考慮軟硬件融合[4]問題。一方面，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革中考慮開設(shè)相關(guān)軟件課程，以軟件創(chuàng)新應(yīng)用和定制開發(fā)為切入點(diǎn)，結(jié)合硬件特點(diǎn)和機(jī)械特征，圍繞編程語言如何控制機(jī)械硬件這一問題開展教學(xué)和實(shí)驗(yàn)；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)創(chuàng)新項(xiàng)目的開展則是檢驗(yàn)大學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)質(zhì)量的重要手段，以項(xiàng)目制形式開展創(chuàng)新研究，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際編程和硬件控制指令協(xié)同開發(fā)的能力。

1 培養(yǎng)方案

1.1 課程目標(biāo)

軟硬件融合的教學(xué)改革目標(biāo)是教授基礎(chǔ)軟硬件理論知識(shí)和基本技能，培養(yǎng)能進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和開發(fā)的人才，通過編程語言編寫相關(guān)管理軟件，控制機(jī)械硬件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)既定任務(wù)。此外，還包括思維能力的培養(yǎng)，而其中又應(yīng)以思維訓(xùn)練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，即從課外創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求角度來實(shí)施，通過分組和團(tuán)隊(duì)合作形式完成相關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試等一系列流程。

在知識(shí)點(diǎn)層面上，教學(xué)改革將使學(xué)生掌握Android語言的基本語法，了解算法設(shè)計(jì)的概念以及掌握一些常用算法，會(huì)使用開發(fā)工具進(jìn)行Android語言編程并在Android硬件板上進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。通過將各種傳感器和Android結(jié)合的形式，了解傳感器數(shù)據(jù)傳輸模式和Android工作原理，能設(shè)計(jì)相關(guān)軟件硬件方案去解決實(shí)際問題。

在創(chuàng)新能力培養(yǎng)層面上，教學(xué)改革將開展課外創(chuàng)新項(xiàng)目，以項(xiàng)目制為導(dǎo)向開展團(tuán)隊(duì)合作和研發(fā)。就針對(duì)具體項(xiàng)目需求，要求學(xué)生能夠進(jìn)行問題分析，提出相關(guān)軟硬件結(jié)合的解決方案。在規(guī)定創(chuàng)新項(xiàng)目時(shí)間范圍內(nèi)，進(jìn)行軟硬件集成研發(fā)，編程相關(guān)控制軟件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。

1.2 課程內(nèi)容

Arduino課程的先修課程包括C和C++的基礎(chǔ)知識(shí)，而Arduino板卡能夠讀取來自不同傳感器的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為輸出，同時(shí)通過Arduino IDE向Arduino板上的微控制器發(fā)送一組指令來控制板功能。在教學(xué)過程中，可以 考 慮 Arduino Uno R3、Arduino Leonardo5V、Arduino Mega 2560 R3等型號(hào)。Arduino課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度見表1。

Arduino課程教學(xué)內(nèi)容主要分為基礎(chǔ)階段教學(xué)、進(jìn)階階段教學(xué)和創(chuàng)新階段教學(xué)3個(gè)不同層次的教學(xué)水平。在基礎(chǔ)教學(xué)階段主要任務(wù)是回顧編程語言特性，結(jié)合Arduino語言介紹程序結(jié)構(gòu)、控制語句、函數(shù)、字符串、數(shù)組、函數(shù)庫等方面內(nèi)容，通過這些知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)使得學(xué)生初步掌握Arduino語言編程。在進(jìn)階教學(xué)階段，主要是結(jié)合Android硬件特點(diǎn)，介紹脈沖寬度調(diào)制、中斷、通信、串行外設(shè)接口，以及LED燈的設(shè)計(jì)和控制等方面知識(shí)點(diǎn)，通過這些知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)使得學(xué)生能編程指令程序并在Arduino硬件上進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。在創(chuàng)新教學(xué)階段，主要介紹傳感器、電機(jī)控制和通信方面的知識(shí)，重點(diǎn)在講授這些知識(shí)點(diǎn)后，通過實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)這些硬件的認(rèn)識(shí)并培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用開發(fā)創(chuàng)新的思維。

1.3 改革手段

圖1所示為課程教學(xué)過程，采用語法教學(xué)和硬件調(diào)試相結(jié)合方式進(jìn)行授課，開設(shè)實(shí)驗(yàn)室課程并以小組形式開展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。此外，以項(xiàng)目制形式布置相關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)需求，要求學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐。

圖1 課程教學(xué)過程

表1 Arduino課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度

課堂教學(xué)方面，以編程案例為重點(diǎn)，運(yùn)用Arduino IDE編程工具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程并調(diào)試硬件，分以下幾種類型：① 語法方面教學(xué)，通過改錯(cuò)題方式進(jìn)行比較分析和說明，對(duì)難點(diǎn)語法和容易出錯(cuò)語法進(jìn)行重點(diǎn)講解，并提問學(xué)生，以學(xué)生思考為主；②算法類編程，以實(shí)際現(xiàn)象或題目為問題點(diǎn)，拋出想法，引導(dǎo)學(xué)生從多個(gè)不同角度來完成程序編寫。

實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫妫灶A(yù)先設(shè)定應(yīng)用開發(fā)類編程為主，以模塊化為指導(dǎo)，讓學(xué)生分組完成模塊并理解模塊的調(diào)用關(guān)系，掌握模塊化程序設(shè)計(jì)的技巧。此外，在實(shí)驗(yàn)開展過程中，組織研究生助教團(tuán)隊(duì)參與，一方面助教參與討論解決軟硬件問題，提高學(xué)生參與項(xiàng)目的信心；另一方面監(jiān)督學(xué)生分組完成實(shí)驗(yàn)，避免學(xué)生在分組中出現(xiàn)任務(wù)分工不均衡的現(xiàn)象。

課外項(xiàng)目制方面，包括發(fā)布地理定位與地圖展示、基于藍(lán)牙的文件傳輸、移動(dòng)點(diǎn)餐系統(tǒng)，課堂測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)等創(chuàng)新項(xiàng)目需求，以小班研討形式組織團(tuán)隊(duì)就需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和程序編寫。通過每周匯報(bào)一次，每次匯報(bào)以公開展示形式進(jìn)行，其他小組成員均可對(duì)其進(jìn)行技術(shù)提問和創(chuàng)新點(diǎn)提問。同樣，組織研究生助教參與課外項(xiàng)目實(shí)施過程，使用智能觸控白板進(jìn)行互動(dòng)研討，保留研討痕跡以及研討結(jié)果。

在成果驗(yàn)收方面，針對(duì)項(xiàng)目制開展的團(tuán)隊(duì)大作業(yè)，要求驗(yàn)收考評(píng)演示。演示時(shí)采用答辯形式，由各小組同學(xué)邊演示邊講解編程思路。邀請(qǐng)教學(xué)專家組成答辯委員會(huì)，根據(jù)專家打分給定成績。

2 項(xiàng)目制實(shí)踐

為了實(shí)現(xiàn)一款面向智慧校園的機(jī)械控制小車，使其能夠滿足夜間無人巡查，并通過傳感器收集實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息，將涉及地理位置定位、環(huán)境數(shù)據(jù)感知等問題。研究內(nèi)容包括：①組裝機(jī)械小車。在小車上部署相關(guān)傳感器和攝像頭，通過Wifi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻傳輸，將智能小車所經(jīng)過線路上的環(huán)境信息及時(shí)上傳服務(wù)器。②實(shí)時(shí)處理溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骰貍鞯臄?shù)據(jù)。③對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控并對(duì)可疑的、高危的數(shù)據(jù)進(jìn)行警報(bào)以提示管理員。

圖2所示為項(xiàng)目制實(shí)踐開展的流程，將項(xiàng)目開展過程分為項(xiàng)目前、項(xiàng)目中和項(xiàng)目后3個(gè)階段。其中項(xiàng)目前主要包括選課宣傳讓學(xué)生有興趣選擇軟硬件融合的相關(guān)課程，在教學(xué)過程中選擇能力拔尖或自愿參加項(xiàng)目的學(xué)生組成相關(guān)小組，同時(shí)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴式討論、專題討論會(huì)、座談小組等形式開展面向智慧校園的機(jī)械控制小車項(xiàng)目的討論活動(dòng)，充分體現(xiàn)學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施中的主體性、能動(dòng)性。這一階段解決做什么的問題，明確項(xiàng)目需求以便后續(xù)項(xiàng)目實(shí)施。項(xiàng)目中則是融合教學(xué)和課外項(xiàng)目兩個(gè)內(nèi)容，一方面通過課程講解讓學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)理論和開展課程實(shí)驗(yàn)，一方面需要項(xiàng)目小組進(jìn)行項(xiàng)目架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)針對(duì)項(xiàng)目需求綜合考慮并選擇相關(guān)硬件。在技術(shù)實(shí)踐過程中，組織研究生助教參與項(xiàng)目指導(dǎo)，溝通技術(shù)難點(diǎn)。這一階段解決怎么做的問題，使得項(xiàng)目能順利實(shí)施和開展。項(xiàng)目后則是對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行演示和公開答辯，這一方面要求學(xué)生在全面完成項(xiàng)目需求的基礎(chǔ)上能表達(dá)出項(xiàng)目實(shí)施過程中的核心點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，另一方面也幫助學(xué)生意識(shí)到軟硬件融合課程不僅僅包括軟件和硬件開發(fā)而且相關(guān)文檔資料也是項(xiàng)目的重要內(nèi)容。

圖2 項(xiàng)目制實(shí)踐開展流程

學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述需求，考慮到IPv6支撐環(huán)境，在綜合思考和討論后設(shè)計(jì)并給出了相關(guān)方案：提出集成Arduino與CC2530的開發(fā)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，采用通過6LoWPAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，包括控制端向Arduino發(fā)送控制指令，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)以控制小車的運(yùn)動(dòng)。通過Wifi協(xié)議將攝像頭采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂贫恕?/p>

在軟硬件協(xié)同開發(fā)階段，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)從機(jī)械小車組裝到控制軟件開發(fā)，從控制指令到指令雙向回傳，從測(cè)試數(shù)據(jù)到真實(shí)環(huán)境等一系列過程中得到了鍛煉。最后，實(shí)現(xiàn)了無線遠(yuǎn)程控制小車以及實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)的目的。加載在Arduino板子上的ZigBee模塊CC2530，負(fù)責(zé)將傳感器獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)，同時(shí)將監(jiān)控主機(jī)的動(dòng)作指令信號(hào)發(fā)送至控制馬達(dá)電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)小車方向控制。圖3所示是面向智慧校園的機(jī)械控制小車的小車原型。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)生參加2017年國家和上海市各級(jí)別的計(jì)算機(jī)課外比賽，并在2017年第四屆海峽兩岸大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得亞軍的優(yōu)異成績。

圖3 Arduino機(jī)械控制小車原型

3 結(jié) 語

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)是本科教育階段人才培養(yǎng)重要的課題。上海大學(xué)計(jì)算中心在2012年開展了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革[5-6]，開設(shè)相關(guān)軟硬件編程類課程、互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用軟件課程等。同時(shí)，積極推行大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)，一方面致力通過項(xiàng)目制形式招收有興趣的學(xué)生，另一方面通過項(xiàng)目的開展促進(jìn)學(xué)生參加上海大學(xué)/上海市/全國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽。面向軟硬件融合的課程改革將是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的重要方向，也是新工科建設(shè)的一次重要探索。雖然改革目標(biāo)相同，但是各高校需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案和實(shí)施項(xiàng)目計(jì)劃。