開源硬件在電子實訓與創新實踐中的應用

摘 要：本文分析了開源硬件的特點，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，重點探討了以Arduino開源硬件平臺進行電子實訓與創新的教學模式。作者認為，在此模式下，可以在更多學科、更大群體的學生中間深入開展電子實訓教學，不僅有利于提高學生的動手實踐能力與理論水平，更有利于提高學生的創新能力，對于工科院校進行工程訓練教學改革具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：開源硬件；Arduino；電子實踐與創新

一、引言

2012年4月教育部在《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]在實際教學中，由于學生受限于知識結構，在進行教學實踐中往往需要花費大量時間用于底層技術的學習，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。尤其是在電子實踐方面，面對比較深奧的電子與電氣知識，學生很難有自覺深入學習的興趣和動力，所以這樣的情況就更明顯。[2][3][4][5]

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。[6]開源硬件設計者通常會公布詳細的硬件設計資料，如機械圖、電路圖、物料清單、PCB版圖、HDL源碼和IC版圖，以及驅動開源硬件的軟件開發工具包等。[7][8]開源硬件的出現，能在很大程度上有助于解決電子實踐方面的難題，并且對于改善現狀有著積極的影響。

Arduino開源硬件平臺作為開源硬件的一個典型，由于其價格低廉、應用方便、良好的跨平臺性、簡易的編程環境、可擴展性及應用范圍廣等特點，[9]所以在電子實訓與創新實踐方面有著明顯的優勢。

本文基于Arduino開源硬件，探討開源硬件在電子實訓方面的教學模式與學生的創新實踐。

二、Arduino開源硬件

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，共包含硬件Arduino控制板和軟件Arduino IDE。目前，控制板已經發展到了Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad、Arduino Mega2560、Arduino Ethernet、Arduino Due、Arduino Leonardo、Arduino Yun等眾多版本。

Arduino 控制板通過 USB 接口與電腦相連，采用類似 Processing的語言進行應用開發， Arduino 語法是建立在C/C++基礎上的，其實也就是基礎的C語法，因此具有易學易用的特點，使用起來非常方便。

對于Arduino開源平臺的優勢可以做如下總結。 [10][11]

（1）相對其他開發板，Arduino及周邊產品相對質廉價優，學習或創作成本低。

（2） Arduino的簡單易學開發環境。知道Arduino的端口作用或者自己定義端口作用，在此情況下就可以使用Arduino開源平臺；只要會基本的C語言，就可以編寫Arduino 程序。

（3）Arduino的可擴展性很強。由于其開源的理念，軟硬件完全對公眾開放。對于其I/O設備的Arduino編程，許多I/O設備都已經帶有庫文件。在此基礎上進行相應的修改就可以開發個性化的作品。

（4）Arduino資料容易獲取。從Arduino國內外相關網站、論壇里都可以得到大量的共享資源。通過了解這些資源信息有助于解決在使用Arduino進行設計時遇到的問題。

（5）良好的跨平臺性。Arduino對于Windows、Mac OS、Linux系統都有著相應版本的Arduino IDE 軟件。

綜上所述，Arduino平臺在使用上具有非常大的優勢，其安裝簡單，可以反復使用，像電子積木一樣可以隨意組合搭配，學生可以根據自己的設計任意搭配電路，編寫相應的控制程序，從而實現電路的運行。

通過以上對于Arduino開源硬件平臺的特色優勢分析，對于更多學科、更大群體的學生深入開展電子實訓教學中引入該平臺具有很強的可行性。

三、Arduino 在電子實訓與創新實踐的教學案例

1.實訓硬件、軟件及材料

如上圖所示，選取Arduino uno 作為核心控制板。設計軟件為Arduino IDE 1.6.5。硬件材料包括：LED、電阻、跳線、蜂鳴器、七段數碼管、按鍵、傾斜開關、光敏電阻、紅外接收三極管、溫度傳感器、紅外遙控器、紅外接收頭等。

2. 實訓內容

為了讓更多學科學生、更大群體的學生積極參與電子實訓與創新實踐，我們設計了如表1所示的基礎實訓教學內容。

實訓內容如下：首先，由指導老師為學生介紹所用電子元器件的理論知識；其次，由指導老師為學生演示及講解程序設計流程和注意事項；最后，學生按照實訓要求，根據老師的指導進行硬件電路的搭建，編寫控制程序、調試程序、將程序下載到Arduino控制板中；最后完成實訓內容。

3.教學效果

雖然學生來自不同學院、不同專業，在電子知識方面也有著不同的基礎，但是學生都有著很高的積極性。在整個實訓過程中，學生之間互學互教，完成整個實訓項目。由于簡單修改電路和程序，就能立刻實現個性化很強的效果，這極大地激起了學生的學習興趣，激發了學生的想象力和創新能力。

4.教學分析

在整個實訓過程中，學生完成電路的硬件搭建和程序設計，教師只是作為指導。實訓中每位學生必須完成一個電路的硬件搭建和程序設計，學生之間互學互教，培養了學生的團結協作能力，達到了教學效果。

由此得出以下結論：

（1）Arduino開源硬件平臺的電子實訓過程能夠很好進行以學生為主的教學實踐，成本又相對較低。

（2）Arduino開源硬件平臺的電子實訓極大激起學生的學習興趣，充分調動學生們的學習積極性和自主性，極大地激發了學生的想象力和創新能力，培養了他們的創新意識。

（3）Arduino開源硬件平臺的電子實訓由于 Arduino 硬件的易用性與豐富的可擴展性，使得對于更多學科、更大群體的學生進行電子實訓變得切實可行。

5.創新實踐

學生基于Arduino開源硬件平臺以及現有的外圍硬件完成了如表2所示的創新實踐項目。

四、結 語

本文分析了開源硬件的特點和優勢，具體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，初步給出了以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、更大群體的學生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，還激發了學生們的想象力和創新能力，培養了學生的創新意識。

在以后教學實踐中，我們將繼續探索其他典型開源硬件平臺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，以取得更好的教學效果，達到教學目標。

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[EB/OL].http：//www.gov. cn/zwgk/2012-04/20/content_ 2118168.htm，2014-04-20.

[2][9]趙廣元，王文慶，蔡秀梅.開源硬件在自動化專業教學中的應用模式初探[J].實驗室研究與探索，2013，（11）：355-357.

[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， 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]馮巧波，尹鐵路，沈坤全，等.激光加工在工程實訓中的應用[J].實驗室研究與探索，2015，34（4）：206-208.

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

[7]Wiki Pedia.History of free and open-source software[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/History_of_free_and_open-source_software，2014-11-14.

[8]Wiki Pedia.Open design[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Open_design，2014-12-29.

[10]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.

[11]蔡卓凡.基于Arduino和Android教室移動巡檢系統設計[J].電子科技，2014，27（5）：110-115.