開源硬件在電氣專業(yè)教學(xué)中的實(shí)踐與思考

劉福祥

摘 要：本文針對(duì)技工院校電氣專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合專業(yè)要求和學(xué)生的認(rèn)知能力，將開源硬件引入電氣專業(yè)電子部分的一體化教學(xué)中，并探討了開源硬件平臺(tái)在不同教學(xué)層次的應(yīng)用模式。認(rèn)為開源硬件屏蔽了相關(guān)硬件和軟件的復(fù)雜性，有利于提高技工院校電氣專業(yè)尤其電子部分理論與實(shí)訓(xùn)的教學(xué)效率，有助于技能型人才實(shí)踐能力與理論水平的全面提升。

關(guān)鍵詞：arduino 開源硬件 一體化 教學(xué)模式

目前，用人單位對(duì)學(xué)生的技能水平十分看重，也同樣表現(xiàn)出對(duì)人才創(chuàng)新能力的渴求。技工院校的學(xué)生動(dòng)手能力較強(qiáng)，但受限于知識(shí)結(jié)構(gòu)，往往理論基礎(chǔ)和創(chuàng)新能力不足。若在有限的實(shí)踐（實(shí)訓(xùn)）中，花費(fèi)長時(shí)間用于底層技術(shù)的學(xué)習(xí)和重復(fù)性工作，會(huì)更加制約學(xué)生理論學(xué)習(xí)興趣和實(shí)訓(xùn)效率，更不必說創(chuàng)新能力。利用易上手、可拓展的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，快速引導(dǎo)學(xué)生投入到項(xiàng)目實(shí)踐中，進(jìn)而在實(shí)踐中提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，并促使學(xué)生自發(fā)地進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，是一條思路。開源硬件就是這樣一種平臺(tái)，但該平臺(tái)在職業(yè)院校的教學(xué)實(shí)踐并不多見。筆者探討開源硬件在技工院校電氣專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用模式。

一、開源硬件的特點(diǎn)

開源硬件，顧名思義，是指與開放原始碼軟件相同方式設(shè)計(jì)的控制核心和電子硬件。開源硬件有多種，如樂高機(jī)器人、arduino、樹莓派等，均具有可拓展、易上手、外設(shè)豐富的優(yōu)點(diǎn)。其中，Arduino比較適合電氣專業(yè)的應(yīng)用，其主要特點(diǎn)如下。

1.硬件成本低

arduino實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成本可以控制在幾百元之內(nèi)，且可得到低成本的技術(shù)支持。

2.外設(shè)豐富

arduino官方提供了極為豐富的外設(shè)，包括外部開關(guān)、傳感器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、觸摸屏控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等等，而用戶也可以開發(fā)自己的外設(shè)模塊。

3.軟件跨平臺(tái)，且容易操作

arduino編程軟件均免費(fèi)適用于Windows、OS X和Linux等系統(tǒng)，編程界面友好，有中英文對(duì)照，且可直接用USB完成下載。

4.開發(fā)語言簡單

arduino開發(fā)語言可以被初學(xué)者輕松掌握，對(duì)于高級(jí)用戶也足夠靈活。

5.開放硬件結(jié)構(gòu)，開放源碼

arduino從硬件結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)軟件到應(yīng)用編程完全開源，這點(diǎn)尤其重要。

二、開源硬件在電氣專業(yè)教學(xué)的應(yīng)用

電氣專業(yè)課程內(nèi)容廣泛，針對(duì)技工院校學(xué)生的特點(diǎn)，我系提倡圍繞專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，以就業(yè)為導(dǎo)向，借助技師研修、技能大賽等平臺(tái)，強(qiáng)化課堂教學(xué)內(nèi)容，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融為一體。而開源硬件平臺(tái)恰可以成為電氣專業(yè)電子部分理論教學(xué)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)一體化過程中的契合點(diǎn)。以下分別探討開源硬件在基礎(chǔ)理論教學(xué)、電工實(shí)訓(xùn)和技師研修等不同層次的應(yīng)用模式。

1.專業(yè)基礎(chǔ)課的應(yīng)用

基礎(chǔ)課應(yīng)用開源硬件平臺(tái)的實(shí)例（見下表）。

表 基礎(chǔ)課應(yīng)用開源硬件平臺(tái)的實(shí)例

課程科目 項(xiàng)目 內(nèi)容與要求

C程序設(shè)計(jì) 變量基本運(yùn)算 在數(shù)碼管上顯示結(jié)果

密碼的設(shè)定（分支程序練習(xí)） 讀取鍵盤輸入的密碼，在數(shù)碼管上顯示密碼是否正確

單片機(jī)與接口技術(shù) 認(rèn)識(shí)最小系統(tǒng) 與課本原理圖對(duì)照，觀察、分析arduino硬件構(gòu)成，識(shí)別元器件

溫度監(jiān)測(cè)儀 利用arduino搭建硬件，快速實(shí)現(xiàn)將溫度傳感器的值處理并顯示

如上表所示為部分科目利用開源硬件平臺(tái)的樣例，對(duì)電氣專業(yè)的學(xué)生而言，將運(yùn)算結(jié)果顯示在數(shù)碼管或者觸摸屏上，顯然更具專業(yè)性，更有吸引力。教學(xué)實(shí)踐證明，在理論課程的教學(xué)中引入arduino可使授課過程更加生動(dòng)，使得具有不同接受能力的學(xué)生都積極努力學(xué)習(xí)。同樣傳感檢測(cè)技術(shù)、工控網(wǎng)絡(luò)等課程也可以利用該平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.電工實(shí)訓(xùn)的應(yīng)用

在電工實(shí)訓(xùn)中，開源硬件平臺(tái)主要可以在高級(jí)工電子實(shí)訓(xùn)和單片機(jī)實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用。

在電子實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生可以按照自己的思路充分發(fā)揮，而不必?fù)?dān)心重復(fù)底層電路設(shè)計(jì)。電路搭建完成后，學(xué)生可以使用已有的程序或編寫簡單的程序用以控制整個(gè)電路運(yùn)行過程。當(dāng)然，編程部分可以由教師提供，如果能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣則更優(yōu)。

圖1 簡易電子琴的設(shè)計(jì)

單片機(jī)實(shí)訓(xùn)是最具綜合性的電子實(shí)訓(xùn)，它一般以項(xiàng)目為載體，涉及程序編寫、電路設(shè)計(jì)、電子焊接、傳感器應(yīng)用等多項(xiàng)技能。在實(shí)訓(xùn)中，可提供輸出接口相同的arduino開發(fā)板與常規(guī)51單片機(jī)開發(fā)板。這樣學(xué)生既可以使用arduino完成項(xiàng)目，亦可以使用51開發(fā)板完成項(xiàng)目。圖1所示的簡易電子琴即為項(xiàng)目之一。可以看出，黑色部分的控制板配合學(xué)生設(shè)計(jì)、焊接的電路板共同構(gòu)成了項(xiàng)目硬件。對(duì)于基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生，利用開源硬件可以迅速完成學(xué)習(xí)任務(wù)，而不會(huì)因電路和程序的復(fù)雜而放棄學(xué)習(xí);對(duì)于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，在完成規(guī)定的任務(wù)后，仍然可以嘗試使用常規(guī)51開發(fā)板，對(duì)照性的完成項(xiàng)目。

3.技師研修的應(yīng)用

利用開源硬件平臺(tái)開展技師研修，可迅速搭建控制核心平臺(tái)，節(jié)省時(shí)間，防止重復(fù)性工作，這樣就可節(jié)省大量時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)外形、架構(gòu)、上位機(jī)等設(shè)計(jì)，有利于學(xué)生實(shí)踐能力的進(jìn)一步提高，更有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。3D打印機(jī)與激光雕刻機(jī)就是近年典型的利用開源硬件平臺(tái)完成的技師研修作品（見圖2）。

圖2 基于開源硬件的3D打印機(jī)及作品

三、小結(jié)

通過以上分析，將開源硬件平臺(tái)應(yīng)用于電氣專業(yè)教學(xué)中，可以使理論教學(xué)更直觀，亦可以使實(shí)訓(xùn)教學(xué)更具拓展性，這樣理論與實(shí)踐相互滲透，對(duì)開展一體化教學(xué)有著積極的意義。但筆者仍有如下三方面思考。

1.務(wù)必重視基礎(chǔ)技能

開源硬件優(yōu)點(diǎn)很多，但并不能放松如焊接、布線、裝接等基本技能的學(xué)習(xí)，否則就等于放棄了技工院校的優(yōu)勢(shì)。

2.開源硬件的使用需要適度

它可以快速實(shí)現(xiàn)功能，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意，但絕大多數(shù)大規(guī)模生產(chǎn)的電子產(chǎn)品仍不可接受arduino的成本。因此專業(yè)課程就一定要配有專門的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備。

3.開源硬件可推廣至非電專業(yè)

如機(jī)電專業(yè)、汽車專業(yè)均可以利用開源硬件的易實(shí)現(xiàn)性，與現(xiàn)有資源進(jìn)行配套，靈活創(chuàng)新。

在后續(xù)工作中，筆者將繼續(xù)開展開源硬件平臺(tái)在電氣專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐，以期取得更好的教學(xué)效果。

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（作者單位：寧波技師學(xué)院）