唐敏?金一鳴

摘 要：分析典型開源硬件特點(diǎn)，探討將其引入電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐的教學(xué)。筆者根據(jù)已開展的Arduino開源硬件進(jìn)行電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新的教學(xué)情況，認(rèn)為將開源硬件引入電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐可以使更多學(xué)科、更大群體學(xué)生深入開展電子實(shí)訓(xùn)，有利于激發(fā)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，對于高校進(jìn)行電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：開源硬件；Arduino；BeagleBoard；Raspberry Pi；電子實(shí)踐與創(chuàng)新

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 收稿日期：2015-11-27

教育部在《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中指出了在創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式與強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)方面的相關(guān)意見。[1]在電子實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生們普遍認(rèn)為電子與電氣知識比較深奧，所以很難有自覺深入學(xué)習(xí)的興趣和動力，使得學(xué)生無法積極主動地進(jìn)行實(shí)踐，抑制了學(xué)生創(chuàng)新的潛力。 [2][3][4]

開源硬件（Open Source Hardware）是指用與自由及開源軟件相同的方式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)和電子硬件。[5]開源硬件的出現(xiàn)，能在很大程度上解決了電子實(shí)踐方面的難題，并且對于改善現(xiàn)狀有著積極的影響。

目前常見的開源硬件有50余種，[6]從功能、價(jià)格、難度、擴(kuò)展支持等角度進(jìn)行考察，筆者認(rèn)為在電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中采用Arduino和Beagle Board開源硬件較為可行。

一、常見的開源硬件

1.Arduino開源硬件

Arduino開源硬件主要包含硬件Arduino控制板和軟件Arduino IDE。目前，控制板已經(jīng)發(fā)展到Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad、Arduino Mega2560、Arduino Ethernet、Arduino Due、Arduino Leonardo、Arduino Yun等。

Arduino開源硬件具有如下優(yōu)點(diǎn)[7]： ①Arduino及周邊產(chǎn)品相對質(zhì)廉價(jià)優(yōu)；②簡單易學(xué)的開發(fā)環(huán)境；③Arduino的可擴(kuò)展性很強(qiáng)；④Arduino資料容易獲??；⑤良好的跨平臺性。

2.BeagleBoard開源硬件

Beagle Board是基于德州儀器OMAP3530芯片的低能耗開源硬件。2011年10月發(fā)布BeagleBoard初版，其CPU主頻為720MHz，RAM為256MB。2013年4月發(fā)布BeagleBoard Black升級版，其CPU主頻增至1GHz，RAM 增至512MB，還增加了HDMI輸出和2GB的eMMC閃存。[8]

BeagleBoard具有如下優(yōu)點(diǎn)：①CPU處理能力強(qiáng)，內(nèi)存大；②擴(kuò)展性強(qiáng)，包含了HDMI接口、USB接口等通用接口，可兼容普通PC輸入輸出設(shè)備；③可運(yùn)行Linux系統(tǒng)，作為準(zhǔn)系統(tǒng)、微型桌面機(jī)運(yùn)行。

3.Raspberry Pi開源硬件

Raspberry Pi即樹莓派開源硬件。它包含博通ARM11架構(gòu)的BCM2835 CPU，主頻700MHz?？砂惭bLinux系統(tǒng)，支持1080P視頻硬解碼。[9]

樹莓派具有如下優(yōu)點(diǎn)：①價(jià)格適中，功能性價(jià)比高；②兼容性強(qiáng)，接口豐富，兼容PC外接設(shè)備；③與Arduino類似，擁有龐大的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)用戶、大量的示例項(xiàng)目和教程。[10]

作者通過對以上常見的開源硬件平臺的特色優(yōu)勢分析認(rèn)為，對于更多學(xué)科、更大的學(xué)生群體深入開展電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)而言，引入該平臺具有很強(qiáng)的可行性。

二、基于開源硬件的教學(xué)案例

1.電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)案例

采用Arduino開源硬件進(jìn)行如下實(shí)訓(xùn)內(nèi)容：①用LED實(shí)現(xiàn)閃爍、廣告燈效果；②用蜂鳴器模擬救護(hù)車、警笛等聲音；③用按鍵、傾斜開關(guān)控制LED燈；④實(shí)現(xiàn)火焰報(bào)警、煙霧報(bào)警、溫度報(bào)警功能；⑤實(shí)現(xiàn)搶答器功能；⑥實(shí)現(xiàn)紅外遙控器功能。

2. 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)案例

學(xué)生基于Arduino完成的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目。

（1）智能防盜門：用傳感器收集數(shù)據(jù)，滿足觸發(fā)警報(bào)條件時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入倒計(jì)時(shí)。以計(jì)算機(jī)串口輸入密碼，密碼正確則關(guān)閉系統(tǒng)，當(dāng)超時(shí)或者密碼錯(cuò)誤時(shí)將觸發(fā)蜂鳴器警報(bào)。

（2）倉庫溫濕度監(jiān)測：探測溫濕度變化，定時(shí)將溫濕度數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送給手機(jī)。

3.教學(xué)效果與分析

根據(jù)教學(xué)情況，可以得出以下結(jié)論：①基于開源硬件的電子實(shí)訓(xùn)是以學(xué)生為主的教學(xué)實(shí)踐；②基于開源硬件的創(chuàng)新實(shí)踐能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性，激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識；③基于開源硬件的電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐由于硬件的易用性與可擴(kuò)展性，使得對于更多學(xué)科、更大的學(xué)生群體進(jìn)行電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐變得切實(shí)可行。

三、結(jié) 語

本文分析了幾種典型開源硬件的特點(diǎn)，介紹了在學(xué)校工程訓(xùn)練教育中引入開源硬件進(jìn)行電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐的應(yīng)用可行性，初步形成了以Arduino開源硬件平臺進(jìn)行電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新的教學(xué)模式。

實(shí)踐表明，在此模式下實(shí)現(xiàn)了對于更多學(xué)科、更大的學(xué)生群體開展電子實(shí)訓(xùn)的教學(xué)，這不僅極大地激起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)生的積極性，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力與理論水平，也激發(fā)了學(xué)生的想象力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

在以后的教學(xué)實(shí)踐中，我們將繼續(xù)探索其他典型開源硬件平臺如BeagleBoard、Raspberry Pi等在電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐方面的應(yīng)用，不斷完善和改進(jìn)具體實(shí)施措施，取得更好的教學(xué)改革效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見[DB/oL].http：//www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s 6342/201301/xxgk_146673.html.

[2]趙廣元，王文慶，蔡秀梅.創(chuàng)客教育視野下“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2015，25（9）：116-121.

[3]秦 健，閆 超，董長智.Arduino機(jī)器人在推進(jìn)素質(zhì)教育方面的應(yīng)用淺析[C].計(jì)算機(jī)與教育（實(shí)踐·創(chuàng)新·未來——全國計(jì)算機(jī)輔助教育學(xué)會學(xué)術(shù)年會），2014.225-232.

[4]袁 麗.基于開源硬件的電子實(shí)習(xí)教改初探[J].教育教學(xué)論壇， 2013，（22）：39-42.

[5]Wikipedia.Open-source hardware[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Opensource_hardware，2014-12-18.

[6]Wikipedia.Comparison of single-board computers[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_single-board_computers，2014-12-30.

[7]戈惠梅，徐曉慧，顧志華，等.基于Arduino的智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014， （11）：118-120.

[8]Beagle board.Beagle Bone Black Specifications[EB/OL].http：//circuitco.com/support/index.php？title=BeagleBoneBlack，2014-11-30.

[9]Wikipedia.Raspberry Pi[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi，2014-11-30.

[10]雒亮，祝智庭. 開源硬件：撬動創(chuàng)客教育實(shí)踐的杠桿[J].中國電化教育，2015，（4）：7-14.