基于開源硬件的創新實踐能力培養模式研究與實踐

劉 威，謝耀濱，常 瑞

（戰略支援部隊信息工程大學，河南 鄭州 450002）

0 引言

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

硬件設計開發與系統分析能力是高素質工程人才創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的作用，而且擔負著培養創新實踐能力的使命[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勢，以創新實踐課程體系為依托、以學科競賽為驅動，形成新的創新實踐能力培養模式。該模式有助于本科低年級學生硬件系統思維的啟蒙、中高年級學生硬件動手能力的提高、高年級學生創新思維的鍛煉和協作精神的養成，在計算機類和電子信息類學科人才的培養工作中具有顯著成效。

1 創新能力培養面臨的困境

計算機硬件類課程包括計算機組成原理、微機原理與應用、匯編語言、計算機體系結構、操作系統、嵌入式系統等，覆蓋計算機科學與技術、軟件工程、信息安全等專業。硬件類課程的實踐教學環節是培養學生創新實踐能力的重要途徑，但目前大部分國內高校的計算機硬件類課程實踐教學現狀與創新能力培養需求之間還存在一定差距，主要表現在以下幾方面。

1）專用實驗設備不利于開展創新實踐活動。

計算機硬件類課程的專用實驗設備大多價格較高、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新實踐活動[4]。硬件類實踐與創新，專用實驗設備的目的性強、功能單一，基于專用實驗設備進行創新實踐需要大量的專業基礎知識和技術做鋪墊，學生無法在短時間內按照預定構想設計實現完整的硬件系統，創新思路無法落地，由此產生對創新實踐的畏難情緒。

2）眾多硬件課程未建立統一的實踐教學體系。

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

3）創新實踐活動缺乏有效的激勵機制。

現有的實踐能力培養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，而缺少對創新實踐的鼓勵。現有實踐教學的大部分實驗屬于演示驗證性實驗，對于數量有限的綜合性實驗，其內容設計也是固定的，缺乏創新性和可擴展性。學生即便完成了綜合性實驗，也無法享受到理想變成現實的快樂，很難形成有效的正反饋來激發創新熱情[5]。

基于開源硬件的創新能力培養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，在學生創新實踐能力培養方面展現出優勢效能。

2 開源硬件的優勢分析

開源硬件是指基于開源思想設計的計算機硬件和電子設備，開發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勢，成為計算機硬件類課程實驗教學和創新實踐能力培養的重要平臺。與傳統的實驗教學設備相比較，開源硬件平臺在創新實踐能力培養方面具有以下4個優勢。

（1）低成本。開源硬件的主體板卡價格基本在400元以內，加配常用的外設，價格也在800元以內，可以減少實驗室的建設費用。以微機原理與應用課程為例，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外加必要外設代替，功能上能夠實現各個教學環節，而價格將降低到實驗箱的1/10。在經費投入相等的情況下，原來3～4人共用實驗設備變為人手一套開源硬件平臺。

（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；而傳統實驗箱的尺寸約為55cm×36cm×20cm，基本不具備便攜性。設備體積決定了學生可以在課后帶回開源硬件平臺，根據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，促成學生實現主動學習。

（3）易用性。開源硬件平臺基于開源思想設計實現，全部資料都對外公開，國內外有大量的論壇資源可供使用和公開課程可供學習，學生很容易在網上找到所需的相關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基礎知識，依托于開源硬件的易用性，融入創意，就能快速搭建出系統原型。相比之下，由于涉及企業知識產權等問題，專用實驗箱的詳細設計資料通常不會向使用者提供，學生只能機械地按照生產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，更無法在此基礎上開展創新實踐活動。此外，專用實驗箱的受眾群體規模較小，幾乎沒有在線資源，學生缺乏學習交流的平臺。

（4）可擴展性。傳統的硬件實驗箱大多采用整塊電路板設計，使用時需要學生連接大量接線，可擴展區域相對較少，限制了學生的創新實踐空間。而開源硬件均采用模塊化設計，主板和擴展板及各外設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，便可以充分發揮自身的創造力，通過模塊間的組合將創新思路付諸實現，極易形成正反饋，進而激發學生主動學習的積極性。

3 基于開源硬件的創新實踐課程體系設計

針對硬件課程知識體系不連貫、實踐內容離散的問題，基于開源硬件設計了服務于硬件課程群的創新實踐課程體系；以開源硬件為鏈，連接所有硬件類課程的實踐環節，層層遞進，貫通整個硬件知識體系；根據計算機硬件類課程的教學目標和創新實踐能力培養需求，基于開源硬件平臺設計制訂全體系實驗課程教學規劃。該規劃囊括計算機硬件類的主要課程和密切相關的前修課程，包括數字電路基礎、單片機原理、計算機組成原理、微型機技術、計算機體系結構、操作系統、嵌入式系統等，基本涵蓋計算機硬件類課程的主要知識點，在從硬件系統設計、系統軟件移植、應用軟件開發3個層次上設計了多種可供選擇的對應實踐模塊。

以不同硬件課程為縱坐標，以知識體系為橫坐標，基于開源硬件的創新實踐課程體系中的部分實驗內容見表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是在創客圈里最常見的Arduino平臺，對使用者的知識基礎需求相對較弱，是創客入門的首選。Arduino Uno有著豐富的在線教學視頻和開源項目開發資料，本科生幾乎不需要教師的額外指導就可以上手開發。Arduino Uno基于ATmega328 MCU微控制器開發，使用16MHz時鐘，對外有14根IO引腳、6路模擬輸入、USB 等外設接口，能夠支持數字電路基礎、單片機原理、微型機技術等課程的實驗模塊，如交通燈綜合實驗和環境監測系統就可以滿足觸發器與譯碼器、單片機應用系統和微型機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平臺之一，使用Broadcom BCM2836處理器，該處理器基于ARM Cortex-A7內核設計，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、網口、LCD接口等，帶Micro SD卡插槽，可運行全系列ARM GNU/Linux發行版、Snappy Ubuntu Core及Windows 10 IoT Core(物聯網版)等操作系統。結合labview創客版軟件，Raspberry Pi2B能運行數字電路基礎、計算機組成與結構課程的實驗模塊；配備不同外設，Raspberry Pi2B 可實現微型機技術、嵌入式系統課程的實驗模塊，如串口通信實驗可滿足微型機技術中的IO接口、串行通信和嵌入式系統中的GPIO、UART等實驗教學要求；移植嵌入式Linux系統后，平臺可支持操作系統、嵌入式系統等課程的實驗模塊，如文件系統實驗和啟動引導程序設計移植實驗等。

（3）Zybo（Zynq? Board）是一款資源豐富、兼具易用性的嵌入式開發平臺，使用Xilinx Zynq-7000系列的Z7010處理器，其中包含雙核Cortex-A9 ARM內核和Xilinx 7系列FPGA編程邏輯。Zybo平臺上集成有豐富的外設接口，能支持完整的系統設計。Zybo是3個開源硬件平臺中功能最全、價格最高的，支持的實驗模塊也最多，幾乎能夠涵蓋所有課程的實驗，特別是能夠支撐組成原理、系統結構的課程實踐模塊，學生可以借助FPGA完成處理器的內部邏輯實現和指令系統設計實驗，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計實現數字邏輯電路。

表1 基于開源硬件的創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層層遞進，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境的時間，使學生在課程伊始就進入狀態，與理論知識同步開展實驗操作，為后續開展創新實踐活動奠定堅實基礎；各平臺上運行的實驗模塊在不同課程的實踐教學中可以復用，后續課程實驗所需知識、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聯性，有利于培養形成學生的系統觀。

4 競賽驅動的創新實踐能力培養與檢驗

全國性的大學生學科競賽，以其規模大、導向性強等特點，受到學生廣泛關注，是培養計算思維和實踐能力的有效抓手[6]。在人才培養過程中充分發揮學科競賽的優勢引領，能有效激發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、養成團隊協作精神，最終達成培養創新實踐能力的目的。

全國性學科競賽參賽門檻往往較高，以往只有少數能力出眾的學生能夠把創新理念付諸實踐，獲得參賽資格，而大多數學生由于受知識體系和實踐能力的限制，空有好的創意，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，難以建立起萬眾創新的氛圍。這種現象很大程度上違背了學科競賽的初衷：并非只向優秀者提供展示平臺，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新理念、思路和方法都能夠落地變成現實。借助開源硬件的易用性，引入新培養模式后，學科競賽的參與度有了很大提高，基本上實現了全員參賽。在競賽組織過程中，遵循“以人為本”的個性化發展原則，由學生根據興趣點自主選題設計實現，建立起活躍的創新氣氛；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，針對不同層次的創新實踐應用需求，還增加聯發科的link-it-one、XILINX的ZC702、TI的Zigbee開發板等，學生在眾多平臺中選擇最合適的一款，融入創意快速搭建出原型系統，無論最終能否參賽獲獎，都能夠有效形成正反饋，加速了創新實踐能力培養的進程。

學科競賽不僅是培養學生創新實踐能力的平臺，還是檢驗創新實踐能力培養效果的有效方法。自2015年依托開源硬件開展創新實踐能力培養活動以來，先后組織學生參加了全國大學生智能互聯創新大賽、全國大學生物聯網設計競賽、全國大學生計算機體系結構創新設計競賽等多個賽事。其中，學生基于Arduino平臺設計的“個人穿戴防丟失系統”“智能交通系統”等獲得2016年物聯網設計競賽賽區一等獎，基于Raspberry Pi平臺和zigbee模塊的“移動存儲設備保護系統”和“家庭電力自主管理系統”分獲2017年物聯網設計競賽全國一等獎，基于XILINX的ZC702平臺設計的“通用密碼算法加速平臺”獲得計算機體系結構創新設計競賽全國三等獎，上述賽事均為首次參賽即獲獎。據不完全統計，學生在基于開源硬件的創新實踐能力培養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、賽區級獎項30余項，充分顯示了新模式在人才創新實踐能力培養方面的優勢。

5 結語

近年來，隨著基于開源硬件的創新實踐能力培養模式在教學中的逐步推進，已成功在微型機技術、嵌入式系統、計算機系統結構3門課程的17個班次進行了實踐。結果顯示，學生的硬件知識得以夯實，實踐能力有效提升，創新思維充分激發，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量逐年增加，充分展現了依托開源硬件培養創新實踐能力模式的顯著成效。

在新工科建設的大背景下，培養具有創新精神的高素質工程人才，是實現國家發展戰略目標的要求[7]。創新實踐能力培養模式也非一成不變，隨著新理念、新技術、新成果的不斷融入和應用，創新實踐能力培養模式必將得到進一步的發展和完善，在具備新工科素養的創新型人才培養領域發揮重要作用。