基于Android、樹莓派、Arduino、機器人的創客技能教育探索與實踐

朱　軼, 曹清華, 單田華, 劉會霞, 潘天紅

(1. 江蘇大學 計算機科學與通信工程學院, 江蘇 鎮江　212013；2. 江蘇大學 工業中心,江蘇 鎮江　212013； 3. 江蘇大學 電氣信息工程學院, 江蘇 鎮江　212013)

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實驗教學研究

基于Android、樹莓派、Arduino、機器人的創客技能教育探索與實踐

朱軼1, 曹清華1, 單田華1, 劉會霞2, 潘天紅3

(1. 江蘇大學 計算機科學與通信工程學院, 江蘇 鎮江212013；2. 江蘇大學 工業中心,江蘇 鎮江212013； 3. 江蘇大學 電氣信息工程學院, 江蘇 鎮江212013)

培育各類青年創客人才和創新團隊,對于帶動擴大就業、打造經濟發展新的“發動機”,具有重要意義。該文提出一套基于Android、樹莓派、Arduino、機器人的創客技能培訓模式,并介紹了近年來圍繞該模式開展的國內外創新教學實踐與探索。教學實踐證明,該模式建設投入低,且具備良好的創新技能培訓效果。

創客； 創新技能教育； Android； 樹莓派； Arduino； 機器人

順應國內社會對于“創客”類創新人才需求的趨勢,高等教育與職業教育應當開展相應的創客基礎知識與技能教學,通過向學生傳授開發創新應用所必需的信息化技術、開源軟硬件知識,學生才可以發揮個人想象,結合觀察到的社會需求,根據個人興趣去開發創新作品,并逐步踏上創業之路[3-4]。知識是創新的基礎,如果沒有必需的知識,學生也無從創新,即使有些創意也不具備基本設計能力。對如何結合各類新興IT技術有效開展“創客”技能教育,當前已有部分高校教師開始積極探索與實踐[5-9]。我們自2012年開始,通過與日本山口大學以及韓國首爾市立大學、國立群山大學、國立全北大學開展的一系列國際創新教學合作,并結合江蘇大學通信工程系2012級、2013級本科生的校內實訓教育,逐步探索出一套基于Android、Raspberry Pi(樹莓派)、Arduino、機器人的創新技能培訓模式,該培訓內容包括了學生開展創新應用所必需的基礎軟、硬件知識,在此基礎上學生可以自主創新、自主選題設計作品，實現自我創意,近3年的教學實踐證明了該教育模式的有效性。

1　訓練模式與實踐環節設計

1.1訓練模式設計

本創新技能訓練模式如圖1所示,包括“基礎知識教學、實踐訓練、自主創新、自我擴展”4個環節。

圖1　創新技能訓練模式設計

(1) 基礎知識教學。該環節是進行創新設計必備的基礎,理論上一項創新產品通常表現為機械、電子、信息學科知識的融合,但考慮到信息技術是當前創新設計中最大的增長點,也最容易激發學生的創新活力,本訓練模式中的基礎教學以信息技術為主,包括Arduino(一款可快速開發的開源電子原型平臺,其硬件為增強型單片機)、樹莓派(一款信用卡大小的卡片式計算機,基于ARM架構,可運行Linux或者Win10操作系統)、Android以及跨平臺移動應用開發基礎教學。其中Arduino教學涉及如何利用單片機讀取各類傳感器數據,如何控制直流電機、舵機等輸出設備,以及如何與上位機通信,這些是感知環境、控制機械平臺所必需的知識。樹莓派教學涉及Linux使用,Linux系統下的應用服務部署(如apache等,這是發布Web services的基礎),Linux系統下的python語言開發,樹莓派對于Arduino的控制,以及利用python進行視頻識別,這些是上位機開發所必需的知識。Android與跨平臺移動開發教學涉及基于Eclipse與Java的Android傳統開發模式,以及結合PhoneGap/jQuery Mobile/HTML5的高級開發模式,這部分教學內容可以幫助學生掌握開發移動信息系統以及與服務器遠程交互技術。

(2) 實踐訓練。本環節通過教師預設的題目,讓學生在實踐中鞏固所學知識,并培養學生利用互聯網查找資料、自主學習的能力。計劃以Android智能手機作為遠程控制終端,以樹莓派作為上位機,以Arduino作為下位機,通過讀取各類傳感器數據,進而驅動繼電器或電機對類似智能車等機械平臺加以控制。教師布置課題內容無需固定,可根據該屆學生的知識掌握情況動態調整,如環境光強控制窗簾開閉(容易)、遠程Web頁面控制點亮LED燈(中等)、手機語音控制小車運動(較難)等。該實踐訓練環節強化訓練了學生服務部署、軟件編程、網絡通信等信息學科的動手能力,系統性地理解如何將創意轉化為實際產品,為學生進行后續的自主創新活動提供了必要的支撐。

(3) 自主創新。通過前兩個階段的學習以及開發實踐,學生可以在教師引導下針對某一主題(如智能家居、智慧城市、智慧校園等領域為創新主題)開展創新思維訓練與頭腦風暴。學生團隊結合實際需求調研,按小組自行提出符合某一主題的創新設計課題,該課題設計內容可以是某一類設備、手機APP或者成套軟硬件系統。根據已掌握的開源軟硬件知識,學生團隊完成系統設計方案,通過若干次的匯報和教師評價,不斷完善課題設計方案,最終初步完成自主創新課題的開發工作。

(4) 自我擴展。對于有創意的設計方案,學生團隊課外自行繼續開發完善,并可以此作品參加各類創新設計競賽。如果設計成果有較大市場潛力,且也取得一定的知識產權,可以自行創辦企業、入駐孵化器、尋求創業投資,走上自主創業的道路。近年來,順應國家對創新創業人才的需求,國內涌現了一批針對不同層次的創新設計競賽,如團中央與全國學聯舉辦的“RoboMasters全國機器人大賽”[10]、教育部學位與研究生發展中心舉辦的“全國研究生創新實踐系列競賽”[11]等,同時也出現了若干有特色的國際創新設計競賽,如江蘇大學、山口大學、首爾市立大學、群山大學等協作舉辦的“創新工程設計競賽(Creative Engineering Design Competition,CEDC)”[12]等。這些競賽提供了一個“創客”的展示、交流舞臺,便于學生了解國內創新設計動態,為踏上“創客”之路提供學習與借鑒的機會。

1.2實踐環節技術方案設計

實踐訓練環節是本創新技能訓練模式中的第2個環節,也是讓學生系統性地掌握創新應用開發技術的環節,因此如何設計實踐訓練方案尤為重要。本模式中,教師以智能化應用為創新主題設置若干可選題目,引導學生掌握技術解決方案,進行技術實現。教學所采用的技術方案即由Android、樹莓派、Arduino、機器人構成,如圖2所示。

該技術方案以Android手機或PC作為遠程終端,以樹莓派作為上位機,以Arduino作為下位機,讀取各類傳感器數據,驅動繼電器、電機、舵機等輸出設備,對類似機器車的機械平臺加以控制(這里的機械平臺可采用任意的機械結構,如慧魚的機械部分)。該技術方案包括當前“創客”采用的主流開源技術,相比較國內高校創新實踐教學中較多采用的樂高機器人與慧魚機器人,編程擴展性好、與移動互聯網開發結合緊密、易于加入各類創意元素(如語音、視頻)，設計空間更為廣闊。

圖2　實踐訓練環節技術方案

圖2(a)為基礎技術方案,該解決方案可實現手機直接通過短距離無線通信方式,控制Arduino板,讀取各類傳感器數據,并向機器人機械平臺下達指令,控制機械平臺完成各類動作。由于Arduino屬于單片機,不能直接連接攝像頭,如有視頻或者圖象處理需求的應用場景,可通過手機攝像頭完成外部視頻獲取,該方案可滿足基礎型智能應用需求。

圖2(b)為高級技術方案,可滿足復雜場景應用。在該方案中,增加了樹莓派作為Arduino的上位機,由于樹莓派本身具備較強的處理能力,可實現復雜的控制邏輯。此時,攝像頭可以直接安裝在樹莓派上,獲取本地監控視頻,同時,該方案具備更強大的遠程控制能力。遠程控制端由于僅需控制樹莓派,所以各類遠距離、短距離無線通信網絡均可以使用,不受原先藍牙或者wifi的有限范圍約束。此外,控制端不僅可采用智能手機,也可以通過開發瀏覽器程序或者定制窗體程序來實現,這意味著軟件開發十分靈活,各種編程方法均可以使用。

以上實踐教學內容為創新應用解決方案的架構,具體實現內容可根據智能應用設計目標開展相應的研發,但引入智能手機、計算機后,控制對象與現有各類信息系統集成變得可行,這意味著更多創意都可通過該技術方案實現。

2　創新教學實踐

結合江蘇大學與日韓多所高校近年來形成的若干創新教育國際合作項目以及校內實訓類課程,我們已開展了近3年本訓練模式的教學實踐,并面向江蘇省內部分三本、專科院校進行了教學模式推廣。

2.1國際教學實踐

中日韓暑期創新工程設計項目(The Summer Program on Innovative Engineering Design,SPIED)由江蘇大學和日本山口大學共同發起,為暑期2周時間的創新實踐教學類國際化項目,目前參加高校包括江蘇大學、重慶理工大學、大連理工大學、西華大學、山口大學、首爾市立大學、群山大學、全北大學等。 2011年與2012年,中日韓3國教師與部分學生先后在日本北九州與臺北開展了暑期創新工程設計訓練的教學探索,首屆SPIED項目于2013年8月在日本山口大學舉辦,參加學生48名(中19名、日18名、韓11名)；第二屆SPIED項目于2014年8月在江蘇大學舉辦,參加學生74名(中32名、日22名、韓20名)；2015年的SPIED項目于2015年8月在韓國群山大學舉辦,參加學生73名(中15名、日15名、韓43名)。

SPIED項目的實施過程基本符合本訓練模式的前3個環節,分為4天的基礎知識教學(白天)與實踐(晚上)、4天的自主創新課題實踐,具體教學內容見圖3(按照參加學生屬于本科生、研究生,劃分初級班和高級班)。4天的教學內容覆蓋機械、電子、計算機的基礎創新設計知識以及頭腦風暴,在頭腦風暴完成后即要求學生分組自行提出創意,構思創新設計題目(每組3～5人,包括至少中日韓各一名學生,機械、電子、計算機專業各一名學生)。學生小組所提出的創新設計題目,經過中日韓教師團隊評估通過后,用3～4天時間獨立完成,最終作品需要向全體參加師生演示效果并做口頭匯報。

圖3　SPIED 主要教學內容

作為SPIED項目的主要組織與參與者,自SPIED 2013開始,我們就開始在第一周的教學中逐步引入本文所設計的實踐訓練技術方案。SPIED 2013在日本舉辦,由于山口大學提供的開發平臺主要是樂高機器人,因此2013年僅引入了Android開發教學,引導學生利用手機編程控制樂高機器人；SPIED 2014在江蘇大學舉辦,開發平臺即為Android、Arduino、機器人平臺(主要采用了慧魚的機械部分),2014年的教學內容包括Android編程、Arduino開發、慧魚機器人設計。考慮到教學時間有限,2014年未引入樹莓派教學與實踐,但依托Android、Arduino、機器人平臺,學生設計出多組優秀的創意作品，如圖4所示。圖4(a)為自動抓藥機器人,通過Android手機輸入中藥藥方,由程序無線控制Arduino板,驅動機械手臂自動完成中藥的抓取；圖4(b)為智能戶外長椅,該長椅設計為根據戶外環境自動加載或收起遮雨、遮陽頂棚,也可由控制塔或者手機手動控制頂棚的收降。雖然這些作品還略顯簡單,但經過4天的創新設計鍛煉,學生已初步進入了“創客”行列。在SPIED 2015中,教學團隊進一步加入樹莓派與3D打印的相關教學。關于SPIED 2015的更多設計作品,正在陸續整理并通過網絡發布,讀者可以訪問http://ire-asia.org/ire/spied[12]。

圖4　SPIED 2014部分設計作品

目前,國內除了上述參與高校外,已有武漢理工大學、湖南科技大學、煙臺大學、汕頭大學等多所高校關注并計劃參與SPIED項目,韓國和日本政府也開始關注并大力支持SPIED項目。該項目已經成為東亞地區具有一定影響力的國際化教育合作活動。

2.2國內教學實踐

“通信校內實訓”是江蘇大學通信工程專業2012版教學計劃中新增的一個實訓環節,該課程設置為大二下學期60學時的學期內實踐,即由任課教師在1～15周之內任選15個半天，每個半天計為4 h,可選擇不與其他課程沖突的時間,在實驗室中指導學生開展創新設計。在2012、2013兩級本科生教學中,我們的教學安排如下:

(1) 基礎知識教學及實踐訓練40學時(10次),含2次Arduino教學及實踐、4次樹莓派教學及實踐、4次Android教學及實踐。每次包括1～1.5 h的教師PPT講解(學生同步跟著做),2.5～3 h的學生根據參考資料自我實踐(2～3名研究生現場輔導以及分發/管理實驗器材)。

(2) 分組創新設計20學時(5次)，學生自行選擇伙伴,2名學生一組,自行提出創新課題,并利用Android/樹莓派/Arduino/機器人平臺加以實現,最終完成一個創新作品。在設計過程中,教師全程在實驗室,學生可隨時跟教師談論設計方案并進行調整。

2屆的教學實踐表明,這一教學模式極大地激發了學生的學習興趣與學習動力,很多學生課后主動自我擴展學習,動手能力有了顯著提高,同時一組一題也避免了傳統課設中的抄襲現象。學生提出的創新設計大多貼近生活,不少小組展示了很有創意的作品,初現“創客”端倪,也有若干組以此為主題申報了省、校兩級的大學生實踐創新訓練計劃項目。

3　結語

大眾創業、萬眾創新,既可以擴大就業、增加居民收入,又有利于促進社會縱向流動和公平正義,是當前中國社會經濟結構調整中的迫切需求。而創新驅動實質上是人才驅動,國家急需一支規模宏大、富有創新精神、敢于承擔風險的“創客”人才隊伍,對于當今中國,“創客”人才教育迫在眉睫。

本文所提出“Arduino、樹莓派、Android、機器人”創新技能訓練模式,可為國內高等院校開展創新型人才培養提供一定的理論與實踐參考。該創新技能訓練模式,是一種低成本建設且有效的教育方案。Arduino Leonardo板購置成本為200元,樹莓派套件購置成本約500元,普通機器人小車購置成本約1 000元左右,再加上傳感器套件、攝像頭及鋰電池等配件,一個學生所需要的實驗設備不超過3 000元,對于高校實驗室建設而言,建設投入不大,即使學生自購設備，學生也可承受。同時,該訓練模式所采用的軟硬件技術均為當前主流開發技術,與社會需求接軌緊密,成體系的開發技能教學提供了學生實現自我創意的知識基礎,為學生開啟了“創客”之門。近3年的國內外教學實踐也證明了該模式對學生創新實踐能力培養的有效性。

References)

[1] DFRobot. DFRobot Website: History[EB/OL].http://www.dfrobot.cn/about-us.

[2] 李克強.2015年政府工作報告[EB/OL]. http://lianghui.people.com.cn/2015npc/n/2015/0305/c394298-26642056.html.

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[4] 祝智庭,孫妍妍.創客教育: 信息技術使能的創新教育實踐場[J].中國電化教育,2015(1):14-21.

[5] 韓晨光,曲紹衛,紀效琿.能力基點:理工科大學生創業創客教育課程設計及實踐:基于兩岸理工科大學生創業能力調查數據[J].現代教育技術,2015,25(2):114-119.

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[7] 祝智庭,雒亮.從創客運動到創客教育:培植眾創文化[J].電化教育研究,2015(7):5-13.

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[9] 賈杰.創客教育與高等院校工程訓練的融合[J].實驗技術與管理,2015,32(12):30-35.

[10] 團中央,全國學聯.RoboMasters全國機器人大賽[EB/OL].http://www.cnrobocon.org/.

[11] 教育部學位與研究生發展中心.全國研究生創 新實踐系列競賽[EB/OL].http://zycx.chinadegrees.cn/.

[12] Innovative Research & Education of Asia. SPIED Website[EB/OL].http://ire-asia.org/ire/spied.

Exploration and practice of Maker skills training based on Android/Raspberry Pi/Arduino/robot

Zhu Yi1, Cao Qinghua1, Shan Tianhua1, Liu Huixia2, Pan Tianhong3

(1. School of Computer Science and Communication Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China;2. Engineering Training Center,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China;3. School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China)

In current China,training young Makers and innovative group is significant for expanding employment and developing economy. This paper proposes a new Maker skills training mode based on Android/Raspberry Pi/Arduino/Robot,and then introduces our innovative teaching practice and exploration surrounding this mode both at home and abroad. The teaching practical results show that this mode can obtain the favorable effect in innovative skills training,and its investment is quiet low.

Maker; innovative skills training; Android; Raspberry Pi; Arduino; robot

2015-12-26

2015中國學位與研究生教育學會面上課題(B1-2015Y0507-024)；2014江蘇省研究生教育教學改革研究與實踐課題(JGZZ14-80)；教育部機械基礎教指委教學研究項目(JJ-GX-jy201409)；2015江蘇大學高等教育教改課題(2015JGZD 012)；2014江蘇大學來華留學生教育研究項目(1221170043)； 2015江蘇大學在線精品課程“移動互聯網開發”

朱軼(1977—),男,江蘇鎮江,碩士，副教授,碩士生導師,主要從事未來網絡與無人機技術研究.

E-mail：zhuyi@ujs.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2016)6-0172-05