基于開源平臺Arduino的創業實踐課程創新研究

張沖杰，林玉梅，郭 俊

（泉州信息工程學院 軟件學院，福建 泉州 362000）

0 引 言

從2019年開始，在借鑒國內兄弟院校 Arduino 程序設計課程教學改革和創新創業實踐課程教學改革的基礎上[1-3]，我們利用開源平臺Arduino的經濟性和適用性，在物聯網工程專業和軟件工程專業的創新創業實務課程教學中，融入了Arduino的先進適用技術，開展了課程教學創新改革研究。經過三年多的研究實踐，已經取得了一定的成效。

1 課題的核心概念及其界定

（1）Arduino中文可譯為阿對諾，是近年來國外流行的開源電子產品創作平臺系統，包含硬件和軟件兩個子系統。硬件子系統包括各種型號的Arduino主板和擴展板卡；軟件子系統主要為Arduino IDE，使用類似Java和C語言開發環境。Arduino平臺系統的特點一是跨平臺，Arduino IDE可以在Windows、Linux等主流操作系統上運行；二是簡易性，Arduino IDE編程語言簡單；三是開放性，Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件（第三方控件）均開源，多數能夠從網上免費下載[4-5]。

Arduino不同于樹莓派（Raspberry Pi）。樹莓派是只有信用卡大小的袖珍型電腦，基于Linux操作系統，工程項目設計需要借助專業板卡、專業軟件和第三方控件。Arduino也不同于單片機（Micro Controllers），單片機只是一種小微集成電路芯片，具有集成技術等級比較低的CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O和中斷系統等，適用于比較簡單的實驗和工程項目設計，復雜項目需要借助專業軟件和第三方控件。

（2）開源平臺。開源是指開放源代碼（Open Source Code），是當今世界流行的軟件發布模式。開源平臺是指Arduino平臺，它涉及的配套軟件可從其專屬網站免費下載，涉及的硬件則采用Creative Commons許可；這種許可允許任何使用者復制、改進和銷售Arduino主板及其軟件，無需繳納費用，只是改進和銷售者都必須聲明其改進源于原始Arduino，并承諾新版Arduino系統也開源。

（3）創業實踐課程。Arduino平臺可以有機融合計算機類各專業涉及實驗實訓與創業實踐的課程。例如，物聯網工程、軟件工程等專業的《創新創意實務專題制作》，物聯網工程專業的《RFID原理與與應用》《傳感器原理及應用》等，網絡工程專業的《電子與電路基礎》《路由與交換技術》等[6-8]。

2 研究系統設計

2.1 研究的目標、內容與重點

（1）研究目標。在準確把握“新工科”教學特點的基礎上，針對計算機類工作崗位對相應專業人才工程能力的要求，充分利用Arduino的先進性和適用性，融合并改進現有計算機類本科教育相關課程教學內容，以盡可能有效的教學手段、盡可能低的實驗成本和時間成本，提升專業教學質量和人才培養質量。計劃在一個研究周期內（2年），有2個以上專業3門以上創業實踐課程參與教學內容融合實驗，有1門以上課程形成新的課程標準。

（2）內容與重點。研究內容包括計算機類各專業涉及的實驗實訓與創業實踐課程的界定，課程可以融入Arduino平臺技術；創業實踐課程融入Arduino平臺技術的教學模式和教學方法研究，采用云平臺+移動終端的方式融合輔助教學方法研究；創業實踐課程融入Arduino平臺技術內容的新課程標準制定，融入Arduino平臺技術的新課程教學效果評價研究。課題重點是創業實踐課程融入Arduino平臺技術的教學內容優化及其有效性研究。

2.2 研究的思路、過程與方法

（1）研究思路。根據國務院《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》，“新工科”要培養具有歷史使命感和社會責任心、富有創新精神和實踐能力的創新型、應用型、復合型人才；針對民辦應用型本科高校現有工科教育基礎偏弱，師資力量和實驗實踐資源有限等實際情況，可充分利用Arduino平臺開源、簡易和跨平臺等特性，讓學習者能夠以輕松的學習方式和較低的學習成本較好地完成學習任務和項目開發任務。

（2）研究過程和方法。①參考借鑒Arduino開源平臺應用先進性和適用性研究成果，國外主要參考Arduino之家https：//www.arduino.cc/，國內主要參考Arduino中文社區https：//www.arduino.cn/，采用文獻法和比較研究分析法。②計算機類各專業涉及實驗實訓與創業實踐課程的界定，以及課程融入Arduino平臺技術，對接工程認證標準和行業崗位規范，采用頭腦風暴法和辨證歸納法。③融入Arduino項目的課程體系優化及其有效性研究，采用戴明環循環和系統架構優化方法[9]。

3 研究過程和取得的成果

3.1 研究過程

（1）研究準備階段。計劃期為2020年12月至2021年3月，主要工作是組織研究團隊，編制研究工作計劃，搜集研究資料。在這一階段，課題組成員收集了大量國內外Arduino開源電子創作平臺系統研究資料，包括硬件和軟件兩個子系統的應用研究資料。硬件子系統包括各種型號的Arduino主板和擴展板卡，軟件子系統主要是Arduino IDE，以及核心庫文件（第三方控件）。還搜集了大量的國內Arduino開源平臺應用案例。

（2）研究實驗階段。計劃期為2021年3月至2022年2月，主要工作是開展計算機類各專業課程融入Arduino平臺技術，創業實踐課程融入Arduino平臺技術的教學模式和教學方法研究，創業實踐課程融入Arduino平臺技術內容的新課程標準制定，融入Arduino平臺技術的新課程教學效果評價研究。計劃在一個研究周期內，有一至兩個專業的創業實踐課程參與教學內容融合實驗，有一門以上課程形成新的課程標準。

3.2 研究取得的成果

（1）創業實踐課程融入Arduino平臺系統。在2020—2021學年第二學期，課題組成員先后在物聯網工程專業和軟件工程專業的實踐課程“創新與創業實務”的教學中，融入Arduino開源系統內容。融入的方式有兩種，一種是專題講座，講授內容包括Arduino硬件和軟件介紹，Arduino、樹莓派和單片機的異同點，Arduino系統應用于工程的解決方案，Arduino應用于創新創業競賽的成功案例等。另一種是納入計劃課時，講授和實訓相結合，實訓內容見表1所列。

表1 創新創業課程融入的Arduino實訓內容

（2）物聯網工程專業核心課程融入Arduino平臺技術內容。在總結創業實踐課程融入Arduino平臺系統教學內容經驗的基礎上，課題組成員也在物聯網工程專業核心課程“RFID原理與應用”的實驗教學中，融入Arduino平臺技術內容，編寫出課程實驗教學大綱和實驗指導書，并實施于2021—2022學年第一學期的教學班級。

“RFID原理與應用”實驗教學融入Arduino平臺技術的內容包括驗證性實驗和綜合性實驗。驗證性實驗有雙色LED控制實驗、繼電器控制實驗、紅外線遙控實驗、傳感器控制實驗和液晶板顯示實驗等；綜合性實驗有門禁系統實驗、手機APP遠程控制實驗等。融入Arduino平臺技術內容的課程實驗教學大綱如圖1所示。

圖1 融入Arduino平臺技術內容的課程實驗教學大綱

（3）創業競賽和畢業設計融入Arduino平臺技術內容。Arduino平臺系統的編程相對比較簡單，IDE軟件及核心庫文件開源；主板、擴展板以及硬件原理圖、電路圖均開放。從教學實際來看，學生的學習積極性普遍高漲。先后有2018級和2019級物聯網工程班的同學在創新創業項目競賽中融入Arduino平臺技術內容，取得了不俗的成績。例如，2018級物聯網1班信風團隊應用Arduino平臺系統設計的景區導游機器人，獲得了2019年第九屆全國大學生智能設計競賽三等獎[10]。

也由于Arduino平臺系統的先進性和適用性，從2019年開始，在專業教師的指導下，不少物聯網工程和軟件工程專業的應屆畢業生選用Arduino平臺系統設計作為畢業設計項目。例如，物聯網工程專業學生完成的《基于Arduino的人臉識別門禁系統的設計與實現》《Arduino城市井蓋監測系統的設計與實現》，軟件工程專業學生完成的《Arduino智能家居系統的設計與實現》等，在畢業論文答辯時獲得企業專家的一致好評。

4 結 語

由于Arduino平臺系統的先進性、適用性和經濟性，它將助力“新工科”各專業創業實踐課程不斷創新。Arduino平臺技術內容對各專業教學內容的融合，將徹底改變部分專業學生學習軟件不懂硬件，學習硬件不懂軟件的尷尬局面。它將幫助文科和商科學生，實現編程與硬件系統集成零的突破。可以肯定，對于那些在校期間就感悟到跨專業學習對職場成長重要性的優秀學生而言，Arduino平臺系統就是通向成功的捷徑。

Arduino平臺系統的硬件包括主板和擴展板、配件（傳感器等）、面包板和連接線，只需花費幾百元；各實驗項目的源代碼和庫文件均開源（免費）。這對于比較講究學習成本的辦學單位，以及需要節省開支的學生而言，無疑是極大利好。講究教學質量和學習質量的單位和個人，都可以從中獲得顯著的學術價值和經濟效益。