摘 要：分析典型開源硬件特點，探討將其引入電子實訓與創新實踐的教學。筆者根據已開展的Arduino開源硬件進行電子實訓與創新的教學情況，認為將開源硬件引入電子實訓與創新實踐可以使更多學科、更大群體學生深入開展電子實訓，有利于激發和提高學生的創新能力，對于高校進行電子實訓與創新實踐教學改革具有借鑒意義。

關鍵詞：開源硬件；Arduino；BeagleBoard；Raspberry Pi；電子實踐與創新

中圖分類號：G420 文獻標識碼：B 收稿日期：2015-11-27

教育部在《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》中指出了在創新人才培養模式與強化實踐育人環節方面的相關意見。[1]在電子實訓中，學生們普遍認為電子與電氣知識比較深奧，所以很難有自覺深入學習的興趣和動力，使得學生無法積極主動地進行實踐，抑制了學生創新的潛力。 [2][3][4]

開源硬件（Open Source Hardware）是指用與自由及開源軟件相同的方式設計的計算機和電子硬件。[5]開源硬件的出現，能在很大程度上解決了電子實踐方面的難題，并且對于改善現狀有著積極的影響。

目前常見的開源硬件有50余種，[6]從功能、價格、難度、擴展支持等角度進行考察，筆者認為在電子實訓與創新實踐教學中采用Arduino和Beagle Board開源硬件較為可行。

一、常見的開源硬件

1.Arduino開源硬件

Arduino開源硬件主要包含硬件Arduino控制板和軟件Arduino IDE。目前，控制板已經發展到Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad、Arduino Mega2560、Arduino Ethernet、Arduino Due、Arduino Leonardo、Arduino Yun等。

Arduino開源硬件具有如下優點[7]： ①Arduino及周邊產品相對質廉價優；②簡單易學的開發環境；③Arduino的可擴展性很強；④Arduino資料容易獲取；⑤良好的跨平臺性。

2.BeagleBoard開源硬件

Beagle Board是基于德州儀器OMAP3530芯片的低能耗開源硬件。2011年10月發布BeagleBoard初版，其CPU主頻為720MHz，RAM為256MB。2013年4月發布BeagleBoard Black升級版，其CPU主頻增至1GHz，RAM 增至512MB，還增加了HDMI輸出和2GB的eMMC閃存。[8]

BeagleBoard具有如下優點：①CPU處理能力強，內存大；②擴展性強，包含了HDMI接口、USB接口等通用接口，可兼容普通PC輸入輸出設備；③可運行Linux系統，作為準系統、微型桌面機運行。

3.Raspberry Pi開源硬件

Raspberry Pi即樹莓派開源硬件。它包含博通ARM11架構的BCM2835 CPU，主頻700MHz。可安裝Linux系統，支持1080P視頻硬解碼。[9]

樹莓派具有如下優點：①價格適中，功能性價比高；②兼容性強，接口豐富，兼容PC外接設備；③與Arduino類似，擁有龐大的網絡社區用戶、大量的示例項目和教程。[10]

作者通過對以上常見的開源硬件平臺的特色優勢分析認為，對于更多學科、更大的學生群體深入開展電子實訓教學而言，引入該平臺具有很強的可行性。

二、基于開源硬件的教學案例

1.電子實訓教學案例

采用Arduino開源硬件進行如下實訓內容：①用LED實現閃爍、廣告燈效果；②用蜂鳴器模擬救護車、警笛等聲音；③用按鍵、傾斜開關控制LED燈；④實現火焰報警、煙霧報警、溫度報警功能；⑤實現搶答器功能；⑥實現紅外遙控器功能。

2. 創新實踐教學案例

學生基于Arduino完成的創新實踐項目。

（1）智能防盜門：用傳感器收集數據，滿足觸發警報條件時，系統進入倒計時。以計算機串口輸入密碼，密碼正確則關閉系統，當超時或者密碼錯誤時將觸發蜂鳴器警報。

（2）倉庫溫濕度監測：探測溫濕度變化，定時將溫濕度數據通過藍牙發送給手機。

3.教學效果與分析

根據教學情況，可以得出以下結論：①基于開源硬件的電子實訓是以學生為主的教學實踐；②基于開源硬件的創新實踐能充分調動學生的學習積極性和自主性，激發學生的想象力和創新能力，培養他們的創新意識；③基于開源硬件的電子實訓與創新實踐由于硬件的易用性與可擴展性，使得對于更多學科、更大的學生群體進行電子實訓與創新實踐變得切實可行。

三、結 語

本文分析了幾種典型開源硬件的特點，介紹了在學校工程訓練教育中引入開源硬件進行電子實訓與創新實踐的應用可行性，初步形成了以Arduino開源硬件平臺進行電子實訓與創新的教學模式。

實踐表明，在此模式下實現了對于更多學科、更大的學生群體開展電子實訓的教學，這不僅極大地激起了學生的學習興趣，調動了學生的積極性，提高了學生的實踐能力與理論水平，也激發了學生的想象力和創新能力，培養了學生的創新意識。

在以后的教學實踐中，我們將繼續探索其他典型開源硬件平臺如BeagleBoard、Raspberry Pi等在電子實訓與創新實踐方面的應用，不斷完善和改進具體實施措施，取得更好的教學改革效果。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見[DB/oL].http：//www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s 6342/201301/xxgk_146673.html.

[2]趙廣元，王文慶，蔡秀梅.創客教育視野下“計算機網絡”課程實驗設計[J].現代教育技術，2015，25（9）：116-121.

[3]秦 健，閆 超，董長智.Arduino機器人在推進素質教育方面的應用淺析[C].計算機與教育（實踐·創新·未來——全國計算機輔助教育學會學術年會），2014.225-232.

[4]袁 麗.基于開源硬件的電子實習教改初探[J].教育教學論壇， 2013，（22）：39-42.

[5]Wikipedia.Open-source hardware[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Opensource_hardware，2014-12-18.

[6]Wikipedia.Comparison of single-board computers[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_single-board_computers，2014-12-30.

[7]戈惠梅，徐曉慧，顧志華，等.基于Arduino的智能小車避障系統的設計[J].現代電子技術，2014， （11）：118-120.

[8]Beagle board.Beagle Bone Black Specifications[EB/OL].http：//circuitco.com/support/index.php？title=BeagleBoneBlack，2014-11-30.

[9]Wikipedia.Raspberry Pi[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi，2014-11-30.

[10]雒亮，祝智庭. 開源硬件：撬動創客教育實踐的杠桿[J].中國電化教育，2015，（4）：7-14.