應用型本科軟件類專業硬件基礎課程的研究

摘 要：隨著工業互聯網、智慧城市等新型網絡的出現，物聯網技術發展，應用型本科將面臨新的挑戰與機遇，也迎來了新的學科生長點，我院在軟件類專業開設了物聯網基礎課程，而面向非硬件類專業的同類課程資源較少，本文闡述了基于開源硬件的物聯網基礎課程資源的開發，對課程目標、課程內容、課程實施及實驗教學等方面的問題。

關鍵詞：Arduino 物聯網 實驗教學

目前非硬件專業受專業和學科背景限制，且缺乏電子信息類基礎課程的支撐，物聯網技術基礎課程的教學普遍停留在對于基礎理論的介紹上，而承擔課程教學的師資也缺乏硬件基礎，所以很多此類課程的開出多流于形式，沒有達到課程開設的目的。隨著硬件技術向高度集成化、開源化和易用化的方向發展，越來越多的優秀的硬件平臺出現在科研、教育與工程領域，極大的降低了硬件學習與開發的門檻，縮短了產生品原型設計時間，Arduino作為一個面向大眾開源硬件平臺已廣泛的應用于科研、生產和教學中[1]，因此，本課程的教學資源均以Arduino進行開發與實現。

一、Arduino 簡介

Arduino是一種開源的單片機控制器，使用AtmelAVR單片機，采用基于開源代碼的硬件平臺，構建開源代碼simple I/O接口板，并且具有使用類似Java，C語言的開發環境，與傳統的單片機平臺相比具有以下幾個優點：

1.開放性

具備硬件與軟件的雙重開源機制，除官方團隊推出的十多個版本外，在全球的同時衍生出多個兼容版本，平臺的生態圈健康有活力；

2.廉價

與傳統的物聯網實驗平臺動輒上萬的價格相比，以Arduino平臺搭建的物聯網實驗平臺只需求千元以下，價格優勢明顯；

3.易用性

在零電子基礎的情況下，只需要有一定的編程基礎就可以寫出相應的硬件控制程序，實現了“硬件即軟件”的設計思想；

4.資源豐富

秉承了開源社區一貫的開放性和分享性，開發者可以在Arduino社區輕松找到自己想要使用的一些基本功能模塊，特別一些模塊供應商也開始越來越重視Arduino社區，為自己的產品提供了Arduino下的使用庫，極大的方便了Arduino開發者，使開發者可以不必拘泥于一些基本功能的編寫，而可以把自己的精力更多的放在自己想要的功能設計中去。

二、課程資源開發

1.課程性質與理念

物聯網技術基礎作為一門物聯網技術的普及課程在網絡工程本科專業的三年級開出，課程理念遵循STEM科學、技術、工程、數學四位一體的理念[2]，希望通過此課程提高學生將多學科知識融會貫通和綜合應用的能力。

2.課程目標

課程目標旨在讓學生了解物聯網技術的基本原理、物聯網應用的基本開發方法，具備一定的參與物聯網應用開發的能力，在進行物聯網應用開發實踐的過程中讓學生對硬件的開發有所了解，并建立學習興趣，從而在學習過程中鍛煉他們的創新能力、合作能力、解決問題的能力，培養學生動手動腦獨立思考的學習習慣，為以后的個人職業發展開闊一定的視野。

3.課程內容

課程內容的設置遵循基礎、應用和綜合三個階段?；A階段涉及arduino控制器的基本操作方法，數字與模擬信號的輸入輸出方法、編程語法，必要的電子、數學基礎知識；應用階段通過驗證性實驗來開展教學，涉及傳感器與數據采集、執行器控制（直流電機 、舵機）、無線通信、網絡通信；綜合階段通過綜合性（設計性）實驗對前兩個階段掌握的知識與技能進行融會貫通，并鼓勵學生在此階段進行創新性的設計。以36個課時為標準的一體化教學方式為例，其執行計劃如表1所示：

4. 課程實施建議

（1）教學開展前進行詳細的學情分析

在第一個階段教學中進行細致的學情分析，掌握學生對于硬件、軟件和網絡等技術的掌握情況，采取靈活多樣的基礎階段教學，力求在此階段克服大多數學生對于硬件的恐懼，樹立進行硬件開發的自信心。

（2）將實踐項目融入到課程中

在第二個階段，引入實際的生活與生產項目，如：室內溫度監測、紅外控制空調等實踐項目來開展教學。對前一個階段掌握的基礎理論與技術進行應用層面的訓練。

（3）開展以學生為主導的探索式教學

在第三個階段進行綜合設計的訓練，主要內容為軟硬件協同設計及物聯網應用原型開發，這一階段采取以學生為主導的探索式教學，通過參閱硬件的DataSheet，進行論壇討論，網絡搜索等手段來解決項目開發過程的的關鍵性技術問題，對學生進行創新層面的鍛煉。激發學生發明創造的熱情，并為各類學科競賽的項目進行初期的培育。

（4）教學器材

Arduino控制器建議選擇標準版uno，uno版的arduino的外硬件硬件資源和學習資源最為豐富；傳感器按數字與模擬采集兩個類別來進行配置，每個類別至少3個；執行器按數字與模擬控制兩個類別進行配置，每個類別至少2個；無線模塊按近距離通信與近場通信來進行配置，包括zigBee、藍牙、紅外、NFC、RFID等；有線模塊以標準的TCP/IP網絡模塊來進行配置。

結語

本文從課程的目標、內容、課程實施以及教學器材等方面，以物聯網技術基礎課程為例對Arduino開源硬件課程教學進行了介紹。目前，該課程已在我系網絡工程專業開出2年，并孵化出大學生創新創業省級項目2項、全國大學生科技學術競賽項目3項，在后續的課程實施中會進行調整與優化，我們將繼續在實踐中探索與完善該課程體系。

參考文獻

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[2]王旭卿. 面向STEM教育的創客教育模式研究[J]. 中國電化教育，2015，（08）：36-41.

[3]楊振堃，胡春燕. 基于Arduino的智能專業實踐教學設計[J]. 計算機教育，2015，（18）：95-98.

[4]易向東. 基于Arduino開源硬件的機器人課程資源開發與研究[J]. 科技創新導報，2016，（31）：70-71.

[5]劉中艷，劉曉. 探索物聯網技術下計算機網絡工程專業建設[J]. 通訊世界，2017，（01）：55-56.

[6]許滸. 基于物聯網的《計算機網絡工程》教學設計改革[J]. 電腦知識與技術，2014，（33）：7933-7935.

作者簡介

王?。?981-），男，湖北人，講師，碩士，主要研究方向為普適計算、機器學習。