開源硬件電類專業大一新生綜合實驗設計

中南大學自動化學院 夏 鄂 劉旭明

設計基于開源硬件的大一專業新生綜合實驗，電類專業新生課上通過完成基于開源硬件巡邏機器人綜合實驗。分析了新生課中綜合實驗的平臺選擇、教學目標、教學過程與內容。大一新生通過完成自主綜合實驗，提高了新生工程實踐和創新能力以及專業了解和認可。

新生研討課為大一新生開設課程，課程由專業課教師、教育管理教師、大一新生共同互動交流，通過適應性、體驗式的教學模式，引導大一新生盡快適應大學學習生活，增加學生對專業了解和認同，激發學生專業學習興趣。

教學團隊結合高校教學改革和創新創業教育實際需求，在電類專業新生課中開設基于開源硬件的新生綜合實驗。

文章針對電類專業新生課開設基于開源硬件的綜合實驗進行了探索與實踐，從教學內容、教學模式、教學效果等方面進行探討和總結。

1 新生綜合實驗開設的目的

1.1 激發大一新生專業學習興趣

新生綜合實驗通過在大一新生課中基于項目的體驗式學習，通過動手、實踐解決有價值的工程問題，培養工程意識，學習專業基本的知識、訓練方法和技能，了解專業的發展方向、學習方法加強對專業和學科的認知認同，使學生專業學習之前就對專業課程初步的感性認識。

1.2 培養大一新生自主學習能力

新生綜合實驗內容采取分層設計，由教師引導學生逐步完成實驗任務，教師加強學生學習方法指導，教師和同學線上線下交流溝通措施，轉變中學包辦式學習依賴思維，由被動學習到自主探研究學習轉變，促使大學新生克服中學應試教育影響為大學甚至終身學習打下良好的害礎。

1.3 培養大一新生創新精神實踐能力

新生綜合實驗注重培養學生的創新意識，通過綜合性有挑戰度的實踐，無論學生最后結果、完成度創新性如何，實踐過程培養學生較強的動手實踐能力和創新能力，學生從而有信心和興趣完成更高難度的創新實踐。

2 實驗教學組織與實施

2.1 平臺選擇

大一新生僅學習高數、英語等基礎課程，理論知識薄弱，動手實踐能力差。因此實驗平臺選擇上手方便最具有代表性的開源硬件Arduino單片機。Arduino單片機是作為誕生意大利典型代表開源硬件平臺之一，價格低廉、方便攜節、擴展性強；與傳統51單片機不同，Arduino不需要了解單片機內部結構和寄存器原理，尤其是學生只需事握最簡單C語言即可Arduino，大一新生可以快速上手。

2.2 教學目標

電類專業涉及軟件硬件，知識涵蓋廣，動手實踐能力要求高，結合電類專業的特點和教學的要求綜合實驗教學目標為基于開源硬件設計一款實驗室巡檢機器人，實現24h不間斷自主巡檢，收集實驗室環境信息監控云平臺具體工作包括：①組裝機器人，實現自主尋跡巡檢運動；②實時采集環境參數：溫度、濕度、煙霧；③環境參數上傳存儲智能監控云平臺，分析高危數據智能提醒工作人員。

2.3 實施過程與內容

課程的課內教學活動在實驗室環境中開展，課后實踐可安排宿舍教室圖書館，總學時16學時，具體實施過程與內容教學內容如下：

2.3.1 基礎理論和實踐準備階段

準備階段：由教師主導，向學生講授基礎理論和和基礎實踐技能引導學生入門，學生完完成基礎實驗為課程完成打下基礎。

基礎理論：Arduino開源軟硬件平臺簡介、Arduino的基本語法、數字量和模擬量的輸入、電腦通訊、各種常用和器的用途和使用方法、航機控制、LED燈。

基礎電路：基于Arduino 的機器人項目的開發案例和實例分析、仿真、電路、調試、焊接等基本知識和技巧。

2.3.2 項目創新工程實踐階段

采取“口袋實驗室”實驗實踐教學模式。近年來“口袋實驗室”方便快捷捷、隨時隨地、自主實驗顯著優越性，較好地彌補了傳統實驗箱“四固定”實驗教學模式諸多限制，固定的場所、固定的時間、應用固定的實驗箱、進行固定的實驗驗證。Arduino單片機體功能豐富、體積較小、攜帶方便、功能齊全擴展性，可作為單片機口袋實驗室，通過"口袋實驗室”實驗實踐教學模式下，學生不受限于傳統實驗器材，隨葉隨地便捷的，根據項目任務提出想法、設計方案、完成實驗設計任務。

設置若干次“中期檢查”環節，學生實驗室上介紹項目的進度、遇到的問題和解決辦法。這樣即方便學生之間交流學習，也便于老師對學生過程性評價。

增加了“提高擴展”內容，鼓勵學生對實驗室巡檢機器人自由發揮的空間，鼓勵創新擴展，提課程的難度和挑戰性。

2.3.3 總結與驗收階段

教師現場驗收作品、驗收合格后，學生就本組設計通過PPT向教師和學生講解，并按照要求撰寫項目報告。教師根據作品完成度、創新性、難度、現場驗收情況、PPT匯報和項目報告文檔綜合評分。

電類專業大一新生完成基于開源硬件Arduino綜合實驗，有效激發了學生對電類專業課程學習興趣，培養了學生創新精神和實踐應用能力。基于開源硬件大一新生綜合實驗為后續電類專業課程打下了堅實的基礎。