開源硬件在電子工程訓練課程中的應用與探索

葉懋　許金　李姮

【摘 要】本文分析工程訓練的現狀，闡述Arduino的特點與其在高校工程訓練課程中應用的可行性，探討了Arduino在電子認知實習課程中的應用模式，提出應實施課內實訓與課外網絡課程、相關競賽相結合的開設模式。

【關鍵詞】開源硬件 工程訓練 創新意識 Arduino

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）09C-0152-03

新形勢下大學生創新創業教育有新的需求，應開展基于開源硬件的電子工程訓練類課程的改革，以下從電子工程訓練中心教育現狀、開源硬件可行性分析和課程改革與探索三個方面進行介紹。

一、電子工程訓練中心教育現狀

多年以來我校電子工程訓練中心（以下簡稱“中心”）所開設的電子工程訓練類課程通過大量的實踐性操作與訓練，培養學生分析和解決現實工程問題的能力，在一定程度上滿足了現代化企業對工程技術人員素質訓練和培養的需求。從教學內容、教學方法、教學手段來看工程訓練是一個極佳的培養具有創新意識和工程素質人才的重要實踐性教學環節，是工科課程體系中不可或缺的環節。

中心在成立之初主要承擔學生的電子工程訓練相關課程，主要開設課程是以黑白電視機的組裝和調試為主，在當時技術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，這一選擇在當時無疑是恰當的。但是隨著現代電子技術的發展，傳統的黑白電視機的裝配調試已經不能反映業界技術發展，甚至隨著業界技術與相關理論的不斷發展，這種缺陷愈發嚴重。

從2006年開始中心作為我校國家級實驗教學示范中心“機電綜合工程訓練中心”的重要組成部分，參與了國家級實驗示范中心申報、建設與驗收工作，并以此為契機開展了一系列的教學改革。新增面向一年級新生的電子認知實習課程，該課程以小型電子產品為載體，以元器件識別、測試、焊接為主體；自主研發了模塊化的液晶電視實習平臺，使電子工程訓練課程的內容從傳統的黑白電視機焊接、調試，擴展為PCB設計、PCB小工業設備制作、元器件裝配、模塊調試、系統調試。實現了基于電子產品設計、生產全周期的綜合訓練，使學生感受了從單元電路的設計到電子系統構成的過程，培養了學生的實際工程能力和綜合素質。中心開設課程以及能力目標如表1所示：

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

以小型電子產品裝配為主的電子認知實習，由于經費限制，只能裝配一些技術相對“過時”的電子產品，難以激發學生的主觀能動性。

電子工程訓練課程覆蓋電子產品的設計、裝配、調試、測量等環節，由于缺乏培養學生創新意識的環節，導致在課程的開設過程中，大部分學生只能按部就班地完成規定的實訓內容，整個過程中處于被動接受的狀態，無法發揮主觀能動性，更談不上培養創新意識。

中心開設的兩門課程雖然在能力目標上覆蓋了教學目標，但是在內容上由于課程載體不同，導致兩門課程從整體上缺乏連貫性與系統性。

通過多年的實踐教學活動，我們發現如果忽略了課程內涵建設和創新性建設，就會導致學生學習流于表面、被動接受，教學效果不佳，課程最后也就變相成為被動式的“產業工人”上崗培訓。

因此，在“后示范中心”時期，在“大眾創業、萬眾創新”大環境下，電子工程訓練中心該如何進一步挖掘實踐教學的內涵建設，繼續豐富工程訓練課程內容和優化課程體系，將工程實訓課程與學生課外創新活動有機結合起來，為進一步開展學生創新活動搭建一個更加完備的電子工程訓練平臺，更加切實有效地培養學生創新思維，為大學生創新創業教育服務，成為電子工程訓練中心亟待解決的問題。

二、開源硬件可行性分析

當今社會中有一群人，他們通過互聯網和共同體活動空間，整合資源與服務，將創意轉化成為制品，從而實現價值，這群人就是創客。他們注重在實踐中學習新知識，并加以創造性地使用，是“知行合一”的忠實實踐者。他們的這些特質與“在實踐中教學”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客運動，也引起教育界的思考與共鳴。

在創客運動中，由Arduino構建的創客生態系統已蔚然成風，各類基于Arduino的軟硬件開發平臺、技術資料、配件等已經非常完善，Arduino系列套件具有許多其他傳統開發平臺無法比擬的優勢：

Arduino 套件屏蔽了系統的底層硬件結構和寄存器操作相關信息，即使沒有相關硬件基礎也可以熟練使用Arduino系列套件。

沒有編程基礎的人，僅需掌握幾個可讀性較強的Arduino指令，就可在很短時間內輕松上手，快速應用。

得益于CC協議，Arduino在網絡上有大量第三方共享軟硬件資源、用戶基數龐大的網絡社區和各種各樣的學習資源。在這些共享資源輔助下，通過資源整合，能夠提升開發效率，加快作品的創作速度，甚至是加快“產品”優化的迭代速度。

綜合各方面的因素，將Arduino UNO引入到電子認知實習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”在課程結束后就被束之高閣，中心更希望看到這些作品能夠在學生的創新活動和后續課程中起到一定的積極作用。幸運的是，我校各學院以及國內很多高校的教師探索在C語言程序設計、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Arduino的應用奠定了良好的基礎。

大學新生具有靈活、開放、好奇的個性，他們對新事物有強烈興趣，創新意識相對較強；另一方面大學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品相比，Arduino UNO易上手，且有種類繁多的外設模塊，可以最大限度地引起大學新生的興趣并不斷激發他們的創造性。endprint

三、電子工程訓練中心課程改革與探索

（一）引入開源硬件，深化電子認知課程改革

在將Arduino UNO引入到電子認知實習課程的教學改革中，首先考慮的是大學新生作為手工焊接工藝的初學者，需要能使用普通電烙鐵對Arduino電路板進行檢修。因此在保證與Arduino 系列開源硬件兼容的基礎上對其進行了一定的修改，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USB轉串口功能，替代官方Arduino UNO中封裝為MLF32的ATmega8USB轉串口方案。一方面減少了外圍電路，簡化了后期檢修的復雜度，降低了初學者自主維修的困難，另一方面節約了器件的成本。

元器件類型單一化。在官方Arduino UNO開發板中，兩個晶振采用不同封裝類型進行安裝。考慮到GDuino UNO的應用環境，無需對晶振類型提出特殊要求，因此將兩個晶振統一采用封裝類型為SMD-5032的四腳無源晶振。統一晶振封裝類型減小了初學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，為了讓初學者更好地識別、區分貼片電阻和電容，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者手工焊接的成功率，降低初學者焊接GDuino UNO時的硬件故障率。

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

參考原來裝配小型電子產品的成功率，按照每年2100人計算，約有400人的作品是不能正常工作的。為了保證學生制作的GDuino的品質，為了讓每個同學的板子都能在后續的課程中發揮應有作用，GDuino上的貼片器件統一使用SMT自動生產線進行裝配，引入SMT生產線后不僅提高了成功率，同時也能幫助學生建立初步的工程意識，形成對SMT技術的基本認知。SMT工藝實訓環節通過現代電子產品先進制造實踐訓練，使學生獲得了現代工業生產方式和生產工藝過程的基本認識。

為了彌補引入SMT全自動生產線而削弱教學環節，增加混合器件認知貼裝環節。該環節的主要目的是完成教學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，在本環節中特別對SOP封裝芯片的拆焊做了強化訓練，目的是為了讓學生能夠手工維修SMT線上的瑕疵產品而做相應的技術準備。

針對開源硬件的特點，增加了4個難度遞增的課內驗證性實驗，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，最后要求綜合應用這4個實驗內容完成一個具有一定創意的項目。各實驗的教學目標如表2所示：

在面向大學新生開設的電子認知實習課程引入GDuino后，取得了一系列良好的教學效果。在最后的創意項目中，有同學實現了呼吸燈，了解了PWM原理，有同學利用隨機函數做了流水燈，也有利用紅外熱釋傳感器實現了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兼容板極大地發揮了學生的主觀能動性，培養了學生的創新意識和實踐能力。

（二）利用網絡課程平臺，營造多樣化實踐環境

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創意的創客而言，或許是最佳選擇。但是這一特點，對于需要學習并掌握底層硬件知識的電子信息類專業學生，可能就不是一個最佳選擇。因此需要有針對性地引導、推動學生進行底層硬件的學習。

受工程訓練的課程特點以及課時的限制，不可能在課內對開源硬件底層硬件知識進行深入細致的講解。因此中心依托我校的漓江學堂網絡平臺，專門建立一整套講解Arduino UNO硬件相關知識的網絡課程，作為電子認知實習課程中硬件底層知識不足的有益補充。利用網絡平臺改善和拓寬了學生自主學習的條件和實踐創新的途徑，為學生營造了自主學習、團隊協作、師生互動的多樣化實踐環境。

（三）探索開展多彩競賽，助力創新教育

積極組織課外開源硬件競賽，擴大學生受益面，推動學生創新活動。為克服全國大學生電子設計競賽門檻較高、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。一種是創意競賽，創意競賽利用學生手中的Arduino UNO兼容板、學生自制模塊以及第三方模塊，實現自己團隊的創意。另一種是特定題目的競賽，競賽要求學生使用統一的開源硬件主控板和其他相關的硬件模塊完成特定項目。創意實現競賽可以促進學生自由組隊，實現不同專業學生進行創新實踐，為學生提供學科發展、交叉、融合的平臺，進而擴大創新教育的覆蓋面。特定題目競賽能促使學生團隊去鉆研開源硬件，兩種競賽互為動力，在學生覆蓋面和學習深度方面實現良性循環。

四、后續改革方向

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

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

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

（責編 丁 夢）endprint