基于開源硬件的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式研究與實踐

劉 威，謝耀濱，常 瑞

（戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學，河南 鄭州 450002）

0 引言

在當前新工科建設(shè)如火如荼的大背景下，高素質(zhì)工程人才的能力培養(yǎng)被賦予了新的內(nèi)涵[1]。新工科建設(shè)行動路線明確提出：新工科教育要注重培養(yǎng)學生的設(shè)計思維、工程思維，提升其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和自主終身學習能力[2]。這對新工科人才的綜合素質(zhì)培養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力提升提出了更高的要求，創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)需求從教學中知識傳遞的副產(chǎn)品，逐步上升為融入教學本質(zhì)的根本基因。

硬件設(shè)計開發(fā)與系統(tǒng)分析能力是高素質(zhì)工程人才創(chuàng)新實踐能力的重要組成部分，計算機硬件類課程的實踐教學過程不僅起到奠定硬件知識體系基礎(chǔ)的作用，而且擔負著培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力的使命[3]。基于開源硬件平臺改革計算機硬件類課程的實踐教學體系，充分利用開源硬件的優(yōu)勢，以創(chuàng)新實踐課程體系為依托、以學科競賽為驅(qū)動，形成新的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式。該模式有助于本科低年級學生硬件系統(tǒng)思維的啟蒙、中高年級學生硬件動手能力的提高、高年級學生創(chuàng)新思維的鍛煉和協(xié)作精神的養(yǎng)成，在計算機類和電子信息類學科人才的培養(yǎng)工作中具有顯著成效。

1 創(chuàng)新能力培養(yǎng)面臨的困境

計算機硬件類課程包括計算機組成原理、微機原理與應(yīng)用、匯編語言、計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等，覆蓋計算機科學與技術(shù)、軟件工程、信息安全等專業(yè)。硬件類課程的實踐教學環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的重要途徑，但目前大部分國內(nèi)高校的計算機硬件類課程實踐教學現(xiàn)狀與創(chuàng)新能力培養(yǎng)需求之間還存在一定差距，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1）專用實驗設(shè)備不利于開展創(chuàng)新實踐活動。

計算機硬件類課程的專用實驗設(shè)備大多價格較高、體積偏大，適合在實驗室配備，學生只能在固定時間段、固定地點使用，從源頭上限制了學生主動學習的積極性和課余時間的創(chuàng)新實踐活動[4]。硬件類實踐與創(chuàng)新，專用實驗設(shè)備的目的性強、功能單一，基于專用實驗設(shè)備進行創(chuàng)新實踐需要大量的專業(yè)基礎(chǔ)知識和技術(shù)做鋪墊，學生無法在短時間內(nèi)按照預定構(gòu)想設(shè)計實現(xiàn)完整的硬件系統(tǒng)，創(chuàng)新思路無法落地，由此產(chǎn)生對創(chuàng)新實踐的畏難情緒。

2）眾多硬件課程未建立統(tǒng)一的實踐教學體系。

計算機硬件類課程的知識點關(guān)聯(lián)緊密，而課程的獨立規(guī)劃造成了理論講授和實踐環(huán)節(jié)均存在一定程度的知識冗余與內(nèi)容脫節(jié)；每門課程采用的專用實驗設(shè)備各不相同，學生需花費較多精力去學習各種相似設(shè)備的使用方法[5]；實驗課程內(nèi)容相對獨立，前后課程知識點的關(guān)聯(lián)性沒有被強化，容易導致學生“一葉障目，不見泰山”，即便完成了整個實踐環(huán)節(jié)，也沒能建立起硬件系統(tǒng)觀，無法形成系統(tǒng)能力，更無法依托課程實驗進一步開展創(chuàng)新實踐活動。由此可見，分散、不成體系的實踐課程設(shè)計給創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)帶來了很大的障礙。

3）創(chuàng)新實踐活動缺乏有效的激勵機制。

現(xiàn)有的實踐能力培養(yǎng)模式主要依托計算機硬件類課程的實踐教學，大多重視理論知識的重現(xiàn)，而缺少對創(chuàng)新實踐的鼓勵。現(xiàn)有實踐教學的大部分實驗屬于演示驗證性實驗，對于數(shù)量有限的綜合性實驗，其內(nèi)容設(shè)計也是固定的，缺乏創(chuàng)新性和可擴展性。學生即便完成了綜合性實驗，也無法享受到理想變成現(xiàn)實的快樂，很難形成有效的正反饋來激發(fā)創(chuàng)新熱情[5]。

基于開源硬件的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式能在一定程度上解決上述問題，為硬件類教學與實踐提供了新思路和新方法，在學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)方面展現(xiàn)出優(yōu)勢效能。

2 開源硬件的優(yōu)勢分析

開源硬件是指基于開源思想設(shè)計的計算機硬件和電子設(shè)備，開發(fā)者將硬件平臺的全部資料，包括電路原理圖、PCB版圖、固件、元器件列表以及軟件等，都對外公開，允許任何人使用。具有代表意義的開源硬件有Arduino、樹莓派Raspberry Pi、BeagleBone、kiwiboard和訊為iTOP4412開發(fā)板等。這些開源硬件不但種類繁多、功能齊全，而且兼具價格低廉和資源豐富等優(yōu)勢，成為計算機硬件類課程實驗教學和創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的重要平臺。與傳統(tǒng)的實驗教學設(shè)備相比較，開源硬件平臺在創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)方面具有以下4個優(yōu)勢。

（1）低成本。開源硬件的主體板卡價格基本在400元以內(nèi)，加配常用的外設(shè)，價格也在800元以內(nèi)，可以減少實驗室的建設(shè)費用。以微機原理與應(yīng)用課程為例，專用的微機原理實驗箱價格約為6 000元，如果在實踐教學中以樹莓派2外加必要外設(shè)代替，功能上能夠?qū)崿F(xiàn)各個教學環(huán)節(jié)，而價格將降低到實驗箱的1/10。在經(jīng)費投入相等的情況下，原來3～4人共用實驗設(shè)備變?yōu)槿耸忠惶组_源硬件平臺。

（2）便攜性。開源硬件板卡體積小巧、方便攜帶。以樹莓派2為例，板卡尺寸是8.6cm×6cm×2cm，和一張卡片的體積差不多；而傳統(tǒng)實驗箱的尺寸約為55cm×36cm×20cm，基本不具備便攜性。設(shè)備體積決定了學生可以在課后帶回開源硬件平臺，根據(jù)自身時間安排學習實踐。這種方式充分利用了學生的自主學習時間，將課堂教學延伸到課外，促成學生實現(xiàn)主動學習。

（3）易用性。開源硬件平臺基于開源思想設(shè)計實現(xiàn)，全部資料都對外公開，國內(nèi)外有大量的論壇資源可供使用和公開課程可供學習，學生很容易在網(wǎng)上找到所需的相關(guān)資料解決自身的疑惑和遇到的困難。只要學生掌握簡單的硬件開發(fā)基礎(chǔ)知識，依托于開源硬件的易用性，融入創(chuàng)意，就能快速搭建出系統(tǒng)原型。相比之下，由于涉及企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)等問題，專用實驗箱的詳細設(shè)計資料通常不會向使用者提供，學生只能機械地按照生產(chǎn)商提供的實驗指導書模板進行實驗，不能深刻理解實驗平臺的工作原理，更無法在此基礎(chǔ)上開展創(chuàng)新實踐活動。此外，專用實驗箱的受眾群體規(guī)模較小，幾乎沒有在線資源，學生缺乏學習交流的平臺。

（4）可擴展性。傳統(tǒng)的硬件實驗箱大多采用整塊電路板設(shè)計，使用時需要學生連接大量接線，可擴展區(qū)域相對較少，限制了學生的創(chuàng)新實踐空間。而開源硬件均采用模塊化設(shè)計，主板和擴展板及各外設(shè)模塊之間均采用標準接口連接，學生只要對硬件接口有一定了解，便可以充分發(fā)揮自身的創(chuàng)造力，通過模塊間的組合將創(chuàng)新思路付諸實現(xiàn)，極易形成正反饋，進而激發(fā)學生主動學習的積極性。

3 基于開源硬件的創(chuàng)新實踐課程體系設(shè)計

針對硬件課程知識體系不連貫、實踐內(nèi)容離散的問題，基于開源硬件設(shè)計了服務(wù)于硬件課程群的創(chuàng)新實踐課程體系；以開源硬件為鏈，連接所有硬件類課程的實踐環(huán)節(jié)，層層遞進，貫通整個硬件知識體系；根據(jù)計算機硬件類課程的教學目標和創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)需求，基于開源硬件平臺設(shè)計制訂全體系實驗課程教學規(guī)劃。該規(guī)劃囊括計算機硬件類的主要課程和密切相關(guān)的前修課程，包括數(shù)字電路基礎(chǔ)、單片機原理、計算機組成原理、微型機技術(shù)、計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等，基本涵蓋計算機硬件類課程的主要知識點，在從硬件系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)軟件移植、應(yīng)用軟件開發(fā)3個層次上設(shè)計了多種可供選擇的對應(yīng)實踐模塊。

以不同硬件課程為縱坐標，以知識體系為橫坐標，基于開源硬件的創(chuàng)新實踐課程體系中的部分實驗內(nèi)容見表1。

為了覆蓋課程群的實踐教學需求，我們在諸多開源硬件平臺中選取Arduino Uno和Raspberry Pi 2B和Zybo 3款常用平臺。

（1）Arduino Uno是在創(chuàng)客圈里最常見的Arduino平臺，對使用者的知識基礎(chǔ)需求相對較弱，是創(chuàng)客入門的首選。Arduino Uno有著豐富的在線教學視頻和開源項目開發(fā)資料，本科生幾乎不需要教師的額外指導就可以上手開發(fā)。Arduino Uno基于ATmega328 MCU微控制器開發(fā)，使用16MHz時鐘，對外有14根IO引腳、6路模擬輸入、USB 等外設(shè)接口，能夠支持數(shù)字電路基礎(chǔ)、單片機原理、微型機技術(shù)等課程的實驗?zāi)K，如交通燈綜合實驗和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)就可以滿足觸發(fā)器與譯碼器、單片機應(yīng)用系統(tǒng)和微型機IO接口等實驗需求。

（2）Raspberry Pi2B（樹莓派二代）是當前流行的嵌入式開發(fā)平臺之一，使用Broadcom BCM2836處理器，該處理器基于ARM Cortex-A7內(nèi)核設(shè)計，配備VideoCore IV雙核GPU，支持OpenGL,OpenVG硬件加速和H.264高清解碼，時鐘頻率為900MHz。處理器配備1GB SRAM,對外有HDMI、USB、網(wǎng)口、LCD接口等，帶Micro SD卡插槽，可運行全系列ARM GNU/Linux發(fā)行版、Snappy Ubuntu Core及Windows 10 IoT Core(物聯(lián)網(wǎng)版)等操作系統(tǒng)。結(jié)合labview創(chuàng)客版軟件，Raspberry Pi2B能運行數(shù)字電路基礎(chǔ)、計算機組成與結(jié)構(gòu)課程的實驗?zāi)K；配備不同外設(shè)，Raspberry Pi2B 可實現(xiàn)微型機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)課程的實驗?zāi)K，如串口通信實驗可滿足微型機技術(shù)中的IO接口、串行通信和嵌入式系統(tǒng)中的GPIO、UART等實驗教學要求；移植嵌入式Linux系統(tǒng)后，平臺可支持操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等課程的實驗?zāi)K，如文件系統(tǒng)實驗和啟動引導程序設(shè)計移植實驗等。

（3）Zybo（Zynq? Board）是一款資源豐富、兼具易用性的嵌入式開發(fā)平臺，使用Xilinx Zynq-7000系列的Z7010處理器，其中包含雙核Cortex-A9 ARM內(nèi)核和Xilinx 7系列FPGA編程邏輯。Zybo平臺上集成有豐富的外設(shè)接口，能支持完整的系統(tǒng)設(shè)計。Zybo是3個開源硬件平臺中功能最全、價格最高的，支持的實驗?zāi)K也最多，幾乎能夠涵蓋所有課程的實驗，特別是能夠支撐組成原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的課程實踐模塊，學生可以借助FPGA完成處理器的內(nèi)部邏輯實現(xiàn)和指令系統(tǒng)設(shè)計實驗，但是這些實驗對學生的要求也隨之“水漲船高”，需要學生掌握VHDL/Verilog硬件描述語言，能熟練使用硬件描述語言設(shè)計實現(xiàn)數(shù)字邏輯電路。

表1 基于開源硬件的創(chuàng)新實踐課程體系的典型實驗安排示例

3個平臺按照從易到難的順序?qū)訉舆f進，每個平臺都能夠完整支持3門以上課程的實踐教學，從而將多門課程的知識要素和實踐技能有效鏈接在一起；外設(shè)模塊在平臺間使用幾乎完全兼容，可有效縮短學生熟悉實驗環(huán)境的時間，使學生在課程伊始就進入狀態(tài)，與理論知識同步開展實驗操作，為后續(xù)開展創(chuàng)新實踐活動奠定堅實基礎(chǔ)；各平臺上運行的實驗?zāi)K在不同課程的實踐教學中可以復用，后續(xù)課程實驗所需知識、方法和技能是對前修課程實踐的深化與綜合，既保證學習進度的無縫銜接，又能強化各門課程知識點之間的關(guān)聯(lián)性，有利于培養(yǎng)形成學生的系統(tǒng)觀。

4 競賽驅(qū)動的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)與檢驗

全國性的大學生學科競賽，以其規(guī)模大、導向性強等特點，受到學生廣泛關(guān)注，是培養(yǎng)計算思維和實踐能力的有效抓手[6]。在人才培養(yǎng)過程中充分發(fā)揮學科競賽的優(yōu)勢引領(lǐng)，能有效激發(fā)學生自主學習的熱情，使學生在參賽過程中逐步完善分析解決問題的能力、養(yǎng)成團隊協(xié)作精神，最終達成培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力的目的。

全國性學科競賽參賽門檻往往較高，以往只有少數(shù)能力出眾的學生能夠把創(chuàng)新理念付諸實踐，獲得參賽資格，而大多數(shù)學生由于受知識體系和實踐能力的限制，空有好的創(chuàng)意，卻無法外化。因此無論教學雙方如何重視，學生參賽愿望有多強，都很難擴大學科競賽的參與范圍，難以建立起萬眾創(chuàng)新的氛圍。這種現(xiàn)象很大程度上違背了學科競賽的初衷：并非只向優(yōu)秀者提供展示平臺，而是讓更多的學生通過參與競賽提高自身的創(chuàng)新實踐能力。

開源硬件平臺的引入降低了競賽的參與門檻，使不同層次學生的創(chuàng)新理念、思路和方法都能夠落地變成現(xiàn)實。借助開源硬件的易用性，引入新培養(yǎng)模式后，學科競賽的參與度有了很大提高，基本上實現(xiàn)了全員參賽。在競賽組織過程中，遵循“以人為本”的個性化發(fā)展原則，由學生根據(jù)興趣點自主選題設(shè)計實現(xiàn)，建立起活躍的創(chuàng)新氣氛；同時，面向競賽提供的開源硬件也并不局限于教學中使用的3款，針對不同層次的創(chuàng)新實踐應(yīng)用需求，還增加聯(lián)發(fā)科的link-it-one、XILINX的ZC702、TI的Zigbee開發(fā)板等，學生在眾多平臺中選擇最合適的一款，融入創(chuàng)意快速搭建出原型系統(tǒng)，無論最終能否參賽獲獎，都能夠有效形成正反饋，加速了創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的進程。

學科競賽不僅是培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的平臺，還是檢驗創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)效果的有效方法。自2015年依托開源硬件開展創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)活動以來，先后組織學生參加了全國大學生智能互聯(lián)創(chuàng)新大賽、全國大學生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽、全國大學生計算機體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計競賽等多個賽事。其中，學生基于Arduino平臺設(shè)計的“個人穿戴防丟失系統(tǒng)”“智能交通系統(tǒng)”等獲得2016年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽賽區(qū)一等獎，基于Raspberry Pi平臺和zigbee模塊的“移動存儲設(shè)備保護系統(tǒng)”和“家庭電力自主管理系統(tǒng)”分獲2017年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽全國一等獎，基于XILINX的ZC702平臺設(shè)計的“通用密碼算法加速平臺”獲得計算機體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計競賽全國三等獎，上述賽事均為首次參賽即獲獎。據(jù)不完全統(tǒng)計，學生在基于開源硬件的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式直接支持下參與各類學科競賽的活動中，共獲得國家級獎項10余項、賽區(qū)級獎項30余項，充分顯示了新模式在人才創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)方面的優(yōu)勢。

5 結(jié)語

近年來，隨著基于開源硬件的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式在教學中的逐步推進，已成功在微型機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3門課程的17個班次進行了實踐。結(jié)果顯示，學生的硬件知識得以夯實，實踐能力有效提升，創(chuàng)新思維充分激發(fā)，團隊精神日趨完善，完全達到了預期效果。此外，依托新模式組織的各類學科競賽活動，參賽獲獎隊伍人員數(shù)量逐年增加，充分展現(xiàn)了依托開源硬件培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力模式的顯著成效。

在新工科建設(shè)的大背景下，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)工程人才，是實現(xiàn)國家發(fā)展戰(zhàn)略目標的要求[7]。創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式也非一成不變，隨著新理念、新技術(shù)、新成果的不斷融入和應(yīng)用，創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式必將得到進一步的發(fā)展和完善，在具備新工科素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。