開源硬件引入機械電子專業的電子認知實習教學模式探索

李姮　許金　葉懋　吳姝芹

【摘 要】針對機械電子工程專業在電子認知實習教學的實際情況，分析、探索開源硬件平臺在機械電子工程教學的應用模式，利用開源硬件開放性、易擴展特性實現層次性、模塊化的課程應用范圍，最終建立機電一體化并可柔性擴展的電子認知實習教學模式。

【關鍵詞】開源硬件；機械電子工程；電子認知實習

電子認知實習作為一門面向高校工科專業開設的基礎實踐性教學課程，目的培養大一新生對電子基本知識的初步認知能力和實際工程問題的分析解決能力，培養學生的創新思維和追求創新的態度及意識，使學生掌握基本的創新方法，提高綜合運用理論和技術手段設計系統和過程的能力，以適應社會和企業對應用型工程技術人才的需求。

電子認知實習課程現階段存在教學內容較陳舊、單一，對不同專業普適性較差，不能很好的符合創新創業教育的理念。要從基礎上提高學生的實踐能力和工程素養，就必須結合學校不同專業的培養目標、專業特色、專業實際，對電子認知實習教學的內容、環節、方法和手段等方面進行針對性的改革。將行業前沿技術開源硬件引入實踐教學，探索以學生為主體的實踐教學模式，激發學生主動參與創新性實習項目的積極性，增強專業培養對社會的適應性，充分發揮我校電子信息技術優勢，形成切合專業人才培養目標要求的電子認知實習教學新模式。

1 機械電子工程專業實踐教學

我校設置針對于機械電子工程專業的人才培養目標，強調培養學生以機、電、光、算、控制一體化技術相結合，通過專業多學科基礎知識與實踐性教學環節，使學生具有一專多能，動手操作技能強，具備較強的創意性設計和技術改造能力[1]。電子認知實習是機械電子工程專業學生進入大學后參加的第一門電子實踐類課程，其在學生的電子技術興趣培養的啟蒙階段具有舉足輕重的作用。傳統的教學操作中未做到因材施教，使用相同模式的批量重復式培養，嚴重制約學生個性發展和創新思維能力培養。此外，實習過程還存在以下方面問題：實習教學內容陳舊單一，專業針對性不強，難以融合多個交叉學科實現創新能力提升；實驗項目設備器材簡單落后，未與當代電子信息技術發展接軌，學生個性發展發揮受限。

因此，有機結合機械與電子專業知識，引入開源硬件平臺進行實踐教學，探索培養建立以機電一體化的教學應用模式，是實施電子認知實習教學改革的核心思想。本文以開源Arduino開發為例，探討將開源硬件引入到機械電子工程專業的電子認知實習教學，建立以學生為主體的一體化柔性實踐教學框架，作為專業教學的有效補充[2]。

2 開源硬件優勢

開源硬件Arduino是一種基于開放原代碼的電子平臺，主要為非電子專業學生和業余愛好者使用而設計的。它作為新興的開發平臺，其開源、廉價、易上手、可擴展的特性尤其適合零基礎的入門新手使用。其中，面向于機械電子工程專業的應用，Arduino優越性在于：

1）硬件成本低。Arduino實驗平臺可自制完成，即使是購買成品，其價格控制在幾百元之內。

2）軟件跨平臺，簡易的編程環境。初學者很容易能操作Arduino編程環境，開發語言基于過程語言開發，簡易掌握，且能為一定基礎的學生提供足夠豐富的高級應用。

3）軟硬件開源且可擴展。Arduino無論硬件結構還是系統軟件都完全開源，源碼資源的開放共享使得學生可將其應用到自己的開發當中，還可根據需要對硬件功能模塊擴展和改進[3]。

4）外設豐富。Arduino官方提供的極為豐富的外設，如可與電機驅動、傳感器、LED、點陣顯示、觸摸屏控制[3]等外設進行交互，迅速設計制作出屬于自己的創意作品。

3 開源硬件在電子實訓中的應用實施

基于Arduino特性和優勢，Arduino平臺在電子認知實習課程中的教學方案分別從課堂資源開發、課程內容設計和課程評價體系等方面來進行改革實施。整個教學過程采用演示教學和實踐操作相鋪結合，教學環節圍繞以項目為載體，涉及電子裝配工藝、元器件焊接、外圍電路設計、程序編寫、傳感器應用等多項技能的培養。

面向課堂資源開發的改革上，需以Arduino UNO開源硬件為模板設計一款面向教學的開發板。此開發板一方面需從接口、功能兼容、器件采購等方面上擇優選用適合初學者，另一方面需考慮能夠使用實訓環境中現有設備實現小批量生產。在面向機械電子工程專業的電子認知實習課程中所使用的是自主優化設計的Arduino UNO開發板，核心微控制器選取支持ISP在線編程的AVR系列單片機，其在使用前在需在Flash中固化一段引導程序（bootloader）以完美兼容Arduino。

面向課程內容設計的改革上，整個實習過程的教學環節主要分為以下3個方面：

1）開發板功能演示。主要是讓學生認知Arduino，了解Arduino的功能和應用場合，通過Arduino的樣例作品演示，激發學生的學習主動性，以興趣為導向進行教學。演示階段的作品是基于Arduino、W5100網絡擴展板、三維運動平臺開發的，實現的功能是通過手機微信發送控制指令，遠程控制三維運動平臺運動，模擬智能加工，引導學生認識機電結合的應用場合，使學生更加充分了解專業定向，提高學生專業學習興趣。

2）元器件認知和裝配工藝能力培養。以Arduino開發板為對象，介紹SMT生產工藝和TMT工藝流程，使學生了解焊錫膏機、普通自動貼片、回流焊等的使用，并進行生產實踐，每個學生在基本掌握手工焊接技術的基礎上，制作一塊Arduino開發板。

3）Arduino開發實戰。利用Arduino開源硬件形成課堂演示案例，如炫酷的光立方、雕刻機、平衡車等小項目演示，利用易上手的Arduino開源硬件，引導學生逐步熟悉各項模塊功能，其中，項目選擇具有層次化、模塊化由易到難、由既定到拓展，要求學生基于Arduino平臺完成以下實驗項目：

（1）數字溫度計。為每一個學生提供實驗所需硬件1602LCD液晶顯示器、DS18B20單總線溫度傳感器、按鍵、電位器、杜邦線若干、面包板等。在介紹LCD驅動原理、1602引腳接口功能和控制指令、DS18B20引腳功能、上拉電阻作用等內容的基礎上指導學生完成實際電路搭建，講解開發語言語法、庫函數調用步驟和編譯下載的方法，要求學生在課程上完成環境溫度的實時采集及顯示，實現數字溫度計功能。同時引導學生利用其他現有外設豐富數字溫度計功能，實現創新型教學。

（2）電機控制。提供RB-412舵機若干個，跳線若干，學生以團隊或個人方式進行組隊完成任務。講授電機結構原理，介紹直流電機、步進電機、舵機工作原理以及Arduino控制舵機的兩種方法[4]。學生設計控制電路，以舵機為基礎結合機械知識搭建控制平臺，完成生產過程中的自動化加工設備或者過程的模擬，比如數控機床。

面向課程評價體系的改革上，采用整體過程和作品綜合評價方法，建立完善評價體系，突出個體差異化。在對學生元（下轉第53頁）（上接第73頁）器件識別，測試工具使用，參數測量，焊接工藝，程序優化，電路調試等各訓練環節的考察基礎上，給予學生充分發揮空間，將本實習提供的實踐系統原型豐富拓展成為具有更多功能的電子控制系統，根據發揮結果綜合評定成績，由此反映出個體的創造性和能動性。

4 結語

電子認知實習是高校培養學生綜合能力和動手實踐能力的重要手段[5]。針對機械電子專業的特點，在電子認知實習中融入開源硬件，分別從課堂資源、課程內容和課程評價體系等方面來進行改革，建立了機電一體化并可柔性擴展的教學模式。改革后的電子認知實習，不但可以使學生能清楚的認識到專業定向，了解機械和電子融合的作用，拓寬知識面，提高動手實踐能力，更重要的是學生在項目實踐過程中培養了創新思維，理解了團隊協作精神，為后期專業學習奠定了堅實的基礎。

【參考文獻】

[1]潘雍，傅明星，于晨.機械電子工程綜述[J].機電工程，2014（5）：553-558.

[2]張雷，趙學健.開源硬件引入物聯網工程專業實踐教學[J].科技創新導報，2017（1）：158-159.

[3]宋楠，韓廣義.Arduino開發從零開始學[M].北京：清華大學出版社，2014：80-82.

[4]許金，葉懋，吳姝芹.實物教學法在電子認知實習中的應用[J].科技視界，2015，（32）：33+97.

[責任編輯：田吉捷]