開源硬件在電氣專業教學中的實踐與思考

劉福祥

摘 要：本文針對技工院校電氣專業的教學現狀，結合專業要求和學生的認知能力，將開源硬件引入電氣專業電子部分的一體化教學中，并探討了開源硬件平臺在不同教學層次的應用模式。認為開源硬件屏蔽了相關硬件和軟件的復雜性，有利于提高技工院校電氣專業尤其電子部分理論與實訓的教學效率，有助于技能型人才實踐能力與理論水平的全面提升。

關鍵詞：arduino 開源硬件 一體化 教學模式

目前，用人單位對學生的技能水平十分看重，也同樣表現出對人才創新能力的渴求。技工院校的學生動手能力較強，但受限于知識結構，往往理論基礎和創新能力不足。若在有限的實踐（實訓）中，花費長時間用于底層技術的學習和重復性工作，會更加制約學生理論學習興趣和實訓效率，更不必說創新能力。利用易上手、可拓展的實訓平臺，快速引導學生投入到項目實踐中，進而在實踐中提高學生的創新能力，并促使學生自發地進行理論學習，是一條思路。開源硬件就是這樣一種平臺，但該平臺在職業院校的教學實踐并不多見。筆者探討開源硬件在技工院校電氣專業教學中的應用模式。

一、開源硬件的特點

開源硬件，顧名思義，是指與開放原始碼軟件相同方式設計的控制核心和電子硬件。開源硬件有多種，如樂高機器人、arduino、樹莓派等，均具有可拓展、易上手、外設豐富的優點。其中，Arduino比較適合電氣專業的應用，其主要特點如下。

1.硬件成本低

arduino實驗平臺的成本可以控制在幾百元之內，且可得到低成本的技術支持。

2.外設豐富

arduino官方提供了極為豐富的外設，包括外部開關、傳感器、電動機驅動、觸摸屏控制、模數轉換模塊等等，而用戶也可以開發自己的外設模塊。

3.軟件跨平臺，且容易操作

arduino編程軟件均免費適用于Windows、OS X和Linux等系統，編程界面友好，有中英文對照，且可直接用USB完成下載。

4.開發語言簡單

arduino開發語言可以被初學者輕松掌握，對于高級用戶也足夠靈活。

5.開放硬件結構，開放源碼

arduino從硬件結構到系統軟件到應用編程完全開源，這點尤其重要。

二、開源硬件在電氣專業教學的應用

電氣專業課程內容廣泛，針對技工院校學生的特點，我系提倡圍繞專業培養目標，以就業為導向，借助技師研修、技能大賽等平臺，強化課堂教學內容，將理論教學與實踐教學融為一體。而開源硬件平臺恰可以成為電氣專業電子部分理論教學與實訓教學一體化過程中的契合點。以下分別探討開源硬件在基礎理論教學、電工實訓和技師研修等不同層次的應用模式。

1.專業基礎課的應用

基礎課應用開源硬件平臺的實例（見下表）。

表 基礎課應用開源硬件平臺的實例

課程科目 項目 內容與要求

C程序設計 變量基本運算 在數碼管上顯示結果

密碼的設定（分支程序練習） 讀取鍵盤輸入的密碼，在數碼管上顯示密碼是否正確

單片機與接口技術 認識最小系統 與課本原理圖對照，觀察、分析arduino硬件構成，識別元器件

溫度監測儀 利用arduino搭建硬件，快速實現將溫度傳感器的值處理并顯示

如上表所示為部分科目利用開源硬件平臺的樣例，對電氣專業的學生而言，將運算結果顯示在數碼管或者觸摸屏上，顯然更具專業性，更有吸引力。教學實踐證明，在理論課程的教學中引入arduino可使授課過程更加生動，使得具有不同接受能力的學生都積極努力學習。同樣傳感檢測技術、工控網絡等課程也可以利用該平臺進行實驗教學。

2.電工實訓的應用

在電工實訓中，開源硬件平臺主要可以在高級工電子實訓和單片機實訓中應用。

在電子實訓中，學生可以按照自己的思路充分發揮，而不必擔心重復底層電路設計。電路搭建完成后，學生可以使用已有的程序或編寫簡單的程序用以控制整個電路運行過程。當然，編程部分可以由教師提供，如果能夠激發學生學習編程的興趣則更優。

圖1 簡易電子琴的設計

單片機實訓是最具綜合性的電子實訓，它一般以項目為載體，涉及程序編寫、電路設計、電子焊接、傳感器應用等多項技能。在實訓中，可提供輸出接口相同的arduino開發板與常規51單片機開發板。這樣學生既可以使用arduino完成項目，亦可以使用51開發板完成項目。圖1所示的簡易電子琴即為項目之一?？梢钥闯觯谏糠值目刂瓢迮浜蠈W生設計、焊接的電路板共同構成了項目硬件。對于基礎較薄弱的學生，利用開源硬件可以迅速完成學習任務，而不會因電路和程序的復雜而放棄學習;對于基礎較好的學生，在完成規定的任務后，仍然可以嘗試使用常規51開發板，對照性的完成項目。

3.技師研修的應用

利用開源硬件平臺開展技師研修，可迅速搭建控制核心平臺，節省時間，防止重復性工作，這樣就可節省大量時間進行系統外形、架構、上位機等設計，有利于學生實踐能力的進一步提高，更有利于學生創新能力的提高。3D打印機與激光雕刻機就是近年典型的利用開源硬件平臺完成的技師研修作品（見圖2）。

圖2 基于開源硬件的3D打印機及作品

三、小結

通過以上分析，將開源硬件平臺應用于電氣專業教學中，可以使理論教學更直觀，亦可以使實訓教學更具拓展性，這樣理論與實踐相互滲透，對開展一體化教學有著積極的意義。但筆者仍有如下三方面思考。

1.務必重視基礎技能

開源硬件優點很多，但并不能放松如焊接、布線、裝接等基本技能的學習，否則就等于放棄了技工院校的優勢。

2.開源硬件的使用需要適度

它可以快速實現功能，實現創意，但絕大多數大規模生產的電子產品仍不可接受arduino的成本。因此專業課程就一定要配有專門的實驗實訓設備。

3.開源硬件可推廣至非電專業

如機電專業、汽車專業均可以利用開源硬件的易實現性，與現有資源進行配套，靈活創新。

在后續工作中，筆者將繼續開展開源硬件平臺在電氣專業的教學實踐，以期取得更好的教學效果。

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（作者單位：寧波技師學院）