葉懋　許金　李姮

【摘 要】本文分析工程訓(xùn)練的現(xiàn)狀，闡述Arduino的特點與其在高校工程訓(xùn)練課程中應(yīng)用的可行性，探討了Arduino在電子認(rèn)知實習(xí)課程中的應(yīng)用模式，提出應(yīng)實施課內(nèi)實訓(xùn)與課外網(wǎng)絡(luò)課程、相關(guān)競賽相結(jié)合的開設(shè)模式。

【關(guān)鍵詞】開源硬件 工程訓(xùn)練 創(chuàng)新意識 Arduino

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）09C-0152-03

新形勢下大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育有新的需求，應(yīng)開展基于開源硬件的電子工程訓(xùn)練類課程的改革，以下從電子工程訓(xùn)練中心教育現(xiàn)狀、開源硬件可行性分析和課程改革與探索三個方面進(jìn)行介紹。

一、電子工程訓(xùn)練中心教育現(xiàn)狀

多年以來我校電子工程訓(xùn)練中心（以下簡稱“中心”）所開設(shè)的電子工程訓(xùn)練類課程通過大量的實踐性操作與訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決現(xiàn)實工程問題的能力，在一定程度上滿足了現(xiàn)代化企業(yè)對工程技術(shù)人員素質(zhì)訓(xùn)練和培養(yǎng)的需求。從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段來看工程訓(xùn)練是一個極佳的培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和工程素質(zhì)人才的重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是工科課程體系中不可或缺的環(huán)節(jié)。

中心在成立之初主要承擔(dān)學(xué)生的電子工程訓(xùn)練相關(guān)課程，主要開設(shè)課程是以黑白電視機的組裝和調(diào)試為主，在當(dāng)時技術(shù)背景下黑白電視機覆蓋了模擬電子電路課程中的大量理論知識和典型電路，這一選擇在當(dāng)時無疑是恰當(dāng)?shù)?。但是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的黑白電視機的裝配調(diào)試已經(jīng)不能反映業(yè)界技術(shù)發(fā)展，甚至隨著業(yè)界技術(shù)與相關(guān)理論的不斷發(fā)展，這種缺陷愈發(fā)嚴(yán)重。

從2006年開始中心作為我校國家級實驗教學(xué)示范中心“機電綜合工程訓(xùn)練中心”的重要組成部分，參與了國家級實驗示范中心申報、建設(shè)與驗收工作，并以此為契機開展了一系列的教學(xué)改革。新增面向一年級新生的電子認(rèn)知實習(xí)課程，該課程以小型電子產(chǎn)品為載體，以元器件識別、測試、焊接為主體；自主研發(fā)了模塊化的液晶電視實習(xí)平臺，使電子工程訓(xùn)練課程的內(nèi)容從傳統(tǒng)的黑白電視機焊接、調(diào)試，擴展為PCB設(shè)計、PCB小工業(yè)設(shè)備制作、元器件裝配、模塊調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試。實現(xiàn)了基于電子產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)全周期的綜合訓(xùn)練，使學(xué)生感受了從單元電路的設(shè)計到電子系統(tǒng)構(gòu)成的過程，培養(yǎng)了學(xué)生的實際工程能力和綜合素質(zhì)。中心開設(shè)課程以及能力目標(biāo)如表1所示：

隨著近幾年教學(xué)改革的不斷深入與教學(xué)活動的開展，電子工程訓(xùn)練中心在實踐教學(xué)上取得了一定的教學(xué)效果，但是一些問題也逐步暴露出來，這些問題主要表現(xiàn)為：

以小型電子產(chǎn)品裝配為主的電子認(rèn)知實習(xí)，由于經(jīng)費限制，只能裝配一些技術(shù)相對“過時”的電子產(chǎn)品，難以激發(fā)學(xué)生的主觀能動性。

電子工程訓(xùn)練課程覆蓋電子產(chǎn)品的設(shè)計、裝配、調(diào)試、測量等環(huán)節(jié)，由于缺乏培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的環(huán)節(jié)，導(dǎo)致在課程的開設(shè)過程中，大部分學(xué)生只能按部就班地完成規(guī)定的實訓(xùn)內(nèi)容，整個過程中處于被動接受的狀態(tài)，無法發(fā)揮主觀能動性，更談不上培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

中心開設(shè)的兩門課程雖然在能力目標(biāo)上覆蓋了教學(xué)目標(biāo)，但是在內(nèi)容上由于課程載體不同，導(dǎo)致兩門課程從整體上缺乏連貫性與系統(tǒng)性。

通過多年的實踐教學(xué)活動，我們發(fā)現(xiàn)如果忽略了課程內(nèi)涵建設(shè)和創(chuàng)新性建設(shè)，就會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)流于表面、被動接受，教學(xué)效果不佳，課程最后也就變相成為被動式的“產(chǎn)業(yè)工人”上崗培訓(xùn)。

因此，在“后示范中心”時期，在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”大環(huán)境下，電子工程訓(xùn)練中心該如何進(jìn)一步挖掘?qū)嵺`教學(xué)的內(nèi)涵建設(shè)，繼續(xù)豐富工程訓(xùn)練課程內(nèi)容和優(yōu)化課程體系，將工程實訓(xùn)課程與學(xué)生課外創(chuàng)新活動有機結(jié)合起來，為進(jìn)一步開展學(xué)生創(chuàng)新活動搭建一個更加完備的電子工程訓(xùn)練平臺，更加切實有效地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育服務(wù)，成為電子工程訓(xùn)練中心亟待解決的問題。

二、開源硬件可行性分析

當(dāng)今社會中有一群人，他們通過互聯(lián)網(wǎng)和共同體活動空間，整合資源與服務(wù)，將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化成為制品，從而實現(xiàn)價值，這群人就是創(chuàng)客。他們注重在實踐中學(xué)習(xí)新知識，并加以創(chuàng)造性地使用，是“知行合一”的忠實實踐者。他們的這些特質(zhì)與“在實踐中教學(xué)”的教育思想有很高的契合度。因此，近年來熱度越來越高的創(chuàng)客運動，也引起教育界的思考與共鳴。

在創(chuàng)客運動中，由Arduino構(gòu)建的創(chuàng)客生態(tài)系統(tǒng)已蔚然成風(fēng)，各類基于Arduino的軟硬件開發(fā)平臺、技術(shù)資料、配件等已經(jīng)非常完善，Arduino系列套件具有許多其他傳統(tǒng)開發(fā)平臺無法比擬的優(yōu)勢：

Arduino 套件屏蔽了系統(tǒng)的底層硬件結(jié)構(gòu)和寄存器操作相關(guān)信息，即使沒有相關(guān)硬件基礎(chǔ)也可以熟練使用Arduino系列套件。

沒有編程基礎(chǔ)的人，僅需掌握幾個可讀性較強的Arduino指令，就可在很短時間內(nèi)輕松上手，快速應(yīng)用。

得益于CC協(xié)議，Arduino在網(wǎng)絡(luò)上有大量第三方共享軟硬件資源、用戶基數(shù)龐大的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)和各種各樣的學(xué)習(xí)資源。在這些共享資源輔助下，通過資源整合，能夠提升開發(fā)效率，加快作品的創(chuàng)作速度，甚至是加快“產(chǎn)品”優(yōu)化的迭代速度。

綜合各方面的因素，將Arduino UNO引入到電子認(rèn)知實習(xí)課程中是一個適宜選擇，理由如下：

相對于在課程中完成的“作品”在課程結(jié)束后就被束之高閣，中心更希望看到這些作品能夠在學(xué)生的創(chuàng)新活動和后續(xù)課程中起到一定的積極作用。幸運的是，我校各學(xué)院以及國內(nèi)很多高校的教師探索在C語言程序設(shè)計、機械控制、自動控制等課程中引入開源硬件，所有這些為后續(xù)Arduino的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

大學(xué)新生具有靈活、開放、好奇的個性，他們對新事物有強烈興趣，創(chuàng)新意識相對較強；另一方面大學(xué)新生心理承受能力弱，遇到失敗容易受挫。因此，與收音機、充電器一類的小型電子產(chǎn)品相比，Arduino UNO易上手，且有種類繁多的外設(shè)模塊，可以最大限度地引起大學(xué)新生的興趣并不斷激發(fā)他們的創(chuàng)造性。endprint

三、電子工程訓(xùn)練中心課程改革與探索

（一）引入開源硬件，深化電子認(rèn)知課程改革

在將Arduino UNO引入到電子認(rèn)知實習(xí)課程的教學(xué)改革中，首先考慮的是大學(xué)新生作為手工焊接工藝的初學(xué)者，需要能使用普通電烙鐵對Arduino電路板進(jìn)行檢修。因此在保證與Arduino 系列開源硬件兼容的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了一定的修改，修改后的兼容板命名為GDuino UNO，如圖1所示：

GDuino UNO的具體修改內(nèi)容主要包括：

元器件選型本土化。在滿足相同功能的前提下，選用國產(chǎn)芯片，將部分元器件本土化。GDuino UNO選取封裝類型為SOP-16的CH340G來實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能，替代官方Arduino UNO中封裝為MLF32的ATmega8USB轉(zhuǎn)串口方案。一方面減少了外圍電路，簡化了后期檢修的復(fù)雜度，降低了初學(xué)者自主維修的困難，另一方面節(jié)約了器件的成本。

元器件類型單一化。在官方Arduino UNO開發(fā)板中，兩個晶振采用不同封裝類型進(jìn)行安裝?？紤]到GDuino UNO的應(yīng)用環(huán)境，無需對晶振類型提出特殊要求，因此將兩個晶振統(tǒng)一采用封裝類型為SMD-5032的四腳無源晶振。統(tǒng)一晶振封裝類型減小了初學(xué)者識別元器件的難度?；谕瑯拥目紤]，在不影響整體性能的情況下，將Arduino UNO中的貼片鋁電解電容替換為封裝為1206的貼片陶瓷電容。Arduino UNO中貼片電阻都采用0603*4的排阻，為了讓初學(xué)者更好地識別、區(qū)分貼片電阻和電容，GDuino UNO中貼片電阻和貼片電容都使用了相同的0603封裝規(guī)格。

元器件封裝簡單化。將官方原理圖中起電源選擇作用的LMV358運算放大器的封裝類型更換為常見的SOP-8類型，以USB-A型USB母座替換Arduino UNO中USB-B型。如此更改的目的在于增加初學(xué)者手工焊接的成功率，降低初學(xué)者焊接GDuino UNO時的硬件故障率。

中心將電子認(rèn)知實習(xí)分為三個有機部分——GDuino SMT工藝實訓(xùn)、混合器件認(rèn)知貼裝、開源硬件編程。

參考原來裝配小型電子產(chǎn)品的成功率，按照每年2100人計算，約有400人的作品是不能正常工作的。為了保證學(xué)生制作的GDuino的品質(zhì)，為了讓每個同學(xué)的板子都能在后續(xù)的課程中發(fā)揮應(yīng)有作用，GDuino上的貼片器件統(tǒng)一使用SMT自動生產(chǎn)線進(jìn)行裝配，引入SMT生產(chǎn)線后不僅提高了成功率，同時也能幫助學(xué)生建立初步的工程意識，形成對SMT技術(shù)的基本認(rèn)知。SMT工藝實訓(xùn)環(huán)節(jié)通過現(xiàn)代電子產(chǎn)品先進(jìn)制造實踐訓(xùn)練，使學(xué)生獲得了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝過程的基本認(rèn)識。

為了彌補引入SMT全自動生產(chǎn)線而削弱教學(xué)環(huán)節(jié)，增加混合器件認(rèn)知貼裝環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)的主要目的是完成教學(xué)大綱中的常見器件的識別與檢測，通孔和貼片器件的手工拆、焊，在本環(huán)節(jié)中特別對SOP封裝芯片的拆焊做了強化訓(xùn)練，目的是為了讓學(xué)生能夠手工維修SMT線上的瑕疵產(chǎn)品而做相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備。

針對開源硬件的特點，增加了4個難度遞增的課內(nèi)驗證性實驗，主要是為了完成初步軟件編程入門。完成4個驗證性實驗后，最后要求綜合應(yīng)用這4個實驗內(nèi)容完成一個具有一定創(chuàng)意的項目。各實驗的教學(xué)目標(biāo)如表2所示：

在面向大學(xué)新生開設(shè)的電子認(rèn)知實習(xí)課程引入GDuino后，取得了一系列良好的教學(xué)效果。在最后的創(chuàng)意項目中，有同學(xué)實現(xiàn)了呼吸燈，了解了PWM原理，有同學(xué)利用隨機函數(shù)做了流水燈，也有利用紅外熱釋傳感器實現(xiàn)了LCD1602屏幕背光控制等自動控制電路，而這些知識都是大二，甚至是大三才接觸到的。由此可見Arduino兼容板極大地發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力。

（二）利用網(wǎng)絡(luò)課程平臺，營造多樣化實踐環(huán)境

開源硬件不需要使用者了解底層硬件知識，這對于需要快速實現(xiàn)創(chuàng)意的創(chuàng)客而言，或許是最佳選擇。但是這一特點，對于需要學(xué)習(xí)并掌握底層硬件知識的電子信息類專業(yè)學(xué)生，可能就不是一個最佳選擇。因此需要有針對性地引導(dǎo)、推動學(xué)生進(jìn)行底層硬件的學(xué)習(xí)。

受工程訓(xùn)練的課程特點以及課時的限制，不可能在課內(nèi)對開源硬件底層硬件知識進(jìn)行深入細(xì)致的講解。因此中心依托我校的漓江學(xué)堂網(wǎng)絡(luò)平臺，專門建立一整套講解Arduino UNO硬件相關(guān)知識的網(wǎng)絡(luò)課程，作為電子認(rèn)知實習(xí)課程中硬件底層知識不足的有益補充。利用網(wǎng)絡(luò)平臺改善和拓寬了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的條件和實踐創(chuàng)新的途徑，為學(xué)生營造了自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊協(xié)作、師生互動的多樣化實踐環(huán)境。

（三）探索開展多彩競賽，助力創(chuàng)新教育

積極組織課外開源硬件競賽，擴大學(xué)生受益面，推動學(xué)生創(chuàng)新活動。為克服全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽門檻較高、覆蓋面相對較窄的缺點，面向全校不定期開展兩種方式的競賽。一種是創(chuàng)意競賽，創(chuàng)意競賽利用學(xué)生手中的Arduino UNO兼容板、學(xué)生自制模塊以及第三方模塊，實現(xiàn)自己團(tuán)隊的創(chuàng)意。另一種是特定題目的競賽，競賽要求學(xué)生使用統(tǒng)一的開源硬件主控板和其他相關(guān)的硬件模塊完成特定項目。創(chuàng)意實現(xiàn)競賽可以促進(jìn)學(xué)生自由組隊，實現(xiàn)不同專業(yè)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實踐，為學(xué)生提供學(xué)科發(fā)展、交叉、融合的平臺，進(jìn)而擴大創(chuàng)新教育的覆蓋面。特定題目競賽能促使學(xué)生團(tuán)隊去鉆研開源硬件，兩種競賽互為動力，在學(xué)生覆蓋面和學(xué)習(xí)深度方面實現(xiàn)良性循環(huán)。

四、后續(xù)改革方向

經(jīng)過近兩年的建設(shè)與教學(xué)實踐，從教學(xué)效果上看，將開源硬件引入電子認(rèn)知課程中對學(xué)生提升學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性具有良好效果，未來電子工程訓(xùn)練中心將在以下方面作改革探索：探索以開源硬件為基礎(chǔ)、以項目驅(qū)動為手段、注重學(xué)生個性化發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性為導(dǎo)向的電子工程訓(xùn)練課程開設(shè)方式，從而形成以電子認(rèn)知實習(xí)為基礎(chǔ)訓(xùn)練層，普及開源硬件知識，激發(fā)學(xué)生興趣；以網(wǎng)絡(luò)課程和多樣化競賽為提高綜合設(shè)計層；以改革后電子工程訓(xùn)練課程為自主創(chuàng)新層；由原來的“師傅帶徒弟”式的傳授向以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體的師生互動型傳授方式轉(zhuǎn)變。鼓勵學(xué)生以項目為切入點，通過實踐過程培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新能力，從而完善電子工程訓(xùn)練中心基于開源硬件的三層次、多模塊的工程訓(xùn)練體系。

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【基金項目】2016年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程一般項目B類（2016JGB227）；2017年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程重點項目（2017JGZ126）；桂林電子科技大學(xué)教學(xué)改革資助項目（JGB201430）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（201510595050）

【作者簡介】葉 懋（1979— ），男，貴州赫章人，碩士，桂林電子科技大學(xué)講師，研究方向：工程實踐教學(xué)。

（責(zé)編 丁 夢）endprint