Arduino創客項目在工程訓練中的應用

饒珺

【摘要】工程訓練是提高學生創新實踐能力的重要課程，在工程訓練教學中，引入創客項目對“新工科”建設大背景下的高校教學改革有重要意義。創客項目既體現了創客教育，也融合了STEM理念。依托工程訓練中心搭建創客基地，不僅有利于培養創新技術人才，也能提高中心資源利用率。本文以“測距報警系統”項目的設計過程為例，提出學生基于Arduino平臺開發系統、搭建電路進行調試的要求，以此響應工程訓練的教學宗旨，提高學生的創新和實踐能力。

【關鍵詞】工程訓練 STEM教育 創客教育 實踐教學 Arduino

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）44-0226-02

1.STEM、創客教育

（1）STEM教育

為適應當今電子信息技術的發展，提高學生專業技能和就業率，高等院校越來越注重STEM教育，即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）、數學（Mathematics）教育。STEM教育理念是包容性較強的跨學科綜合素養教育，包括計算機科學、調查研究、創造與革新、人文、藝術、體育等知識，旨在打破學科領域邊界，培養學生的科技理工素養和創新能力[1]。

STEM教育中心對STEM教育的解釋是“STEM教育是關于學生參與的學習，是基于項目的學習，它運用科學探究過程和工程設計過程，是跨學科的，是關于積極學習的，是關于合作和團隊工作的，是關于解決實際問題的……”。STEM教育是基于項目的學習，使學生在知識應用過程中不斷創造、設計、建構、發現、合作并解決問題[2]。

（2）創客教育

傳統的科技創新是以技術發展為向導、科研人員為主體、實驗室為載體，隨著社會的發展，以用戶為中心、社會為舞臺的創新2.0模式開始蓬勃發展。近年來在校園內外發展起來的創客（Maker）熱潮就是創新模式的轉變[3]。“創客”指擁有特定知識含量，具備創新、實踐、共享、交流的意識，愿意挑戰技術難題并將創意轉變為現實的人。

創客教育是創客文化與教育的結合，基于學生興趣，以項目學習的方式，使用數字化工具，倡導造物，鼓勵分享，培養跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力的一種素質教育[4]。在高校開展創客教育不僅可以激發學生的創新熱情、培養其實踐能力，也可以提高學生樂于分享的道德品質[5]。

（3）STEM教育和創客教育的關系

STEM教育是教育改革的組成部分，創客教育起源于社會文化，兩者是從不同維度描述同一教育內容。大部分創客項目都具有明顯的STEM特征，分散的學科知識通過創客項目的“造物”過程緊密結合。如圖1所示，兩個橢圓區域分別代表STEM教育、創客教育，重疊部分為“造物的跨學科學習”[4]。

STEM教育和創客教育的教學模式一般包括基于設計的學習（簡稱DBL）和基于項目的學習（簡稱PBL），兩種教學模式都能促進學生的創新、解決問題的能力。在教學過程中，不用刻意區分兩者區別，STEM、創客教育是相互補充相互促進的[1]。

2.將Arduino創客項目引入工程訓練的意義

工程訓練是高等教育改革發展中一門新型實踐課程，將基本的工藝理論知識和實踐相結合，是培養學生實踐能力和創新意識的重要教育環節。訓練內容從傳統的機械制造、電子工藝、工業自動化控制逐步擴大到3D打印、激光雕刻、機器人及智能制造等。將創客項目引入工程訓練能加深學生對工程訓練內容的掌握程度，能提高學生創造及團隊合作能力，培養將科研成果轉換為產品的技能型人才，在項目創造過程中充分體現工程訓練中心的硬件和軟件資源優勢[5][6]。

開發創客項目的工具有很多，例如Raspberry，Eddison， Arduino等。不同工具對應的特點和適用人群不同，基于 Arduino平臺的創客項目，有操作簡單、拓展性強、價格低廉等特點[7][8][9]，具體如下：

（1）Arduino電路板具有體積小、易于擺放，具有豐富的外圍模塊，能很好的實現與其它電子元器件的對接，從而實現項目開發和應用。

（2）Arduino平臺開發語言簡單清晰，適合初學者入門學習。

（3）Arduino平臺開發環境支持Windows、Mac OS、Linux等系統，可在大多數計算機操作系統運行。

（4）Arduino平臺堅持開源理念，在網絡上容易找到大量共享資源，在協議范圍內，也可以對源程序和代碼進行二次開發[10][11]。

3.測距報警系統設計

為推動汽車安全技術的發展，以傳感器和電子信息技術為基礎的智能駕駛安全輔助控制技術成為智能車輛研究和開發設計的焦點。在創客實驗室條件下，可以使用智能小車模擬真實汽車，對測距報警系統進行設計研究[12]。以超聲波測距報警系統的設計過程為例，學生在工程訓練中通過軟硬件環境的搭建，自主設計完成簡單的創客項目。測距報警系統項目涉及的外圍硬件產品包括：

（1）超聲波傳感器

超聲波傳感器可實時測量障礙物的距離，有敏感范圍大、無視覺盲區、不受障礙物干擾等特點。超聲波是頻率高于20KHz的機械波，超聲波傳感器利用晶體的壓電效應和電致伸縮效應，將機械能與電能相互轉換，實現對各參量的測量[13]。參照圖2（b），超聲波測距傳感器觸發信號后發射超聲波，當超聲波投射到障礙物反射回來時，輸出回響信號，通過計算觸發信號和回響信號間的時間差，來計算障礙物的距離。

（2）共陽極RGB LED燈

RGB（紅綠藍）LED封裝內，有三個LED，包括紅色、綠色和藍色。通過控制各個LED的亮度，可以混合顯示所需顏色。共陽極RGB LED共有4個引腳，最長的引腳為正極，連接+5V，其他3個引腳可連接Arduino的PWM輸出口。

（3）面包板和杜邦線

面包板和杜邦線是創客項目中的必需品，面包板上的小插孔可根據需要隨意插入或拔出，免去了焊接，使電子元器件可以重復使用。杜邦線用于面包板的引腳擴展，可牢靠地和插針連接，耐用性高。在電子電路的組裝、調試中，通過面包板和杜邦線的連接，可節省電路的組裝時間，有利于電子電路項目的開展。

結合項目要求，學生首先對測距報警系統制作流程圖，如圖3。根據流程圖，使用Arduino IDE編寫程序并通過連接硬件進行調試，直到完成項目目標。

4.結束語

工程訓練的目標是培養創新應用型和技術技能型人才，創客項目是達到此目標的有效舉措。Arduino的學習是一種基于項目的學習模式，既體現了創客教育，也融合了STEM理念。將Arduino創客項目引入工程訓練的教學方法不僅能激發學生的創新性思維和創造熱情，也有利于學生交叉學科的學習。在“新工科”建設的大背景下，高校應依托工程訓練中心搭建Arduino創客項目平臺，通過不斷改革、探索，培養更多高質量人才。

參考文獻：

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[13]馬愛霞，徐音.超聲波傳感器原理及應用[J].科技風，2016，（1）：109.