面向軟硬件融合的Arduino機械控制小車課程實踐研究

高洪皓，劉安康，鄒啟明，陳章進

（1.上海大學 計算中心，上海 200444；2.上海大學 理學院，上海 200444 ）

0 引 言

科技創新不僅僅是科研能力的創新，而且還需要人才培養的創新。近年來，高校工科教學以專業培養形式獨立發展，或是計算機專業，或者通信專業，或是機械自動化專業，都在當下互聯網、人工智能、大數據等熱門智能科學方向上優化人才培養方案。但是在跨學科的創新項目實踐中，部分教師深感缺少跨專業或者跨學科融合的教學改革內容[1-2]，部分學生對交叉知識缺乏系統學習致使項目無法順利開展。因此，如何進行多學科跨專業的人才培養一直是我們教育改革的出發點和目的地。這一點正和教育部當前大力推行的新工科建設目標相吻合，重點關注跨學科融合以及創新能力的提升，促進工程領域和專業人才培養[3]，為本科生打下良好的工科基礎知識。

大學計算機基礎教學以培養本科生計算機應用基礎軟件的能力為目標，培養本科生掌握部分編程語言，具有較扎實的專業基礎理論和較強的實踐動手能力，能用計算機技術處理和解決現實問題。隨著硬件技術不斷發展，計算機核心技術越來越集中在硬件層面的程序設計上。大學生的計算機能力培養和創新創業能力培養需要考慮軟硬件融合[4]問題。一方面，在計算機基礎教學改革中考慮開設相關軟件課程，以軟件創新應用和定制開發為切入點，結合硬件特點和機械特征，圍繞編程語言如何控制機械硬件這一問題開展教學和實驗；另一方面，物聯網相關創新項目的開展則是檢驗大學生計算機基礎教學質量的重要手段，以項目制形式開展創新研究，培養學生的實際編程和硬件控制指令協同開發的能力。

1 培養方案

1.1 課程目標

軟硬件融合的教學改革目標是教授基礎軟硬件理論知識和基本技能，培養能進行軟硬件協同設計和開發的人才，通過編程語言編寫相關管理軟件，控制機械硬件實現目標既定任務。此外，還包括思維能力的培養，而其中又應以思維訓練和創新能力培養為核心，即從課外創新項目設計的要求角度來實施，通過分組和團隊合作形式完成相關軟硬件設計、開發、測試等一系列流程。

在知識點層面上，教學改革將使學生掌握Android語言的基本語法，了解算法設計的概念以及掌握一些常用算法，會使用開發工具進行Android語言編程并在Android硬件板上進行調試和測試。通過將各種傳感器和Android結合的形式，了解傳感器數據傳輸模式和Android工作原理，能設計相關軟件硬件方案去解決實際問題。

在創新能力培養層面上，教學改革將開展課外創新項目，以項目制為導向開展團隊合作和研發。就針對具體項目需求，要求學生能夠進行問題分析，提出相關軟硬件結合的解決方案。在規定創新項目時間范圍內，進行軟硬件集成研發，編程相關控制軟件實現目標功能。

1.2 課程內容

Arduino課程的先修課程包括C和C++的基礎知識，而Arduino板卡能夠讀取來自不同傳感器的模擬信號或數字信號并將其轉換為輸出，同時通過Arduino IDE向Arduino板上的微控制器發送一組指令來控制板功能。在教學過程中，可以 考 慮 Arduino Uno R3、Arduino Leonardo5V、Arduino Mega 2560 R3等型號。Arduino課程教學內容和教學進度見表1。

Arduino課程教學內容主要分為基礎階段教學、進階階段教學和創新階段教學3個不同層次的教學水平。在基礎教學階段主要任務是回顧編程語言特性，結合Arduino語言介紹程序結構、控制語句、函數、字符串、數組、函數庫等方面內容，通過這些知識點的學習使得學生初步掌握Arduino語言編程。在進階教學階段，主要是結合Android硬件特點，介紹脈沖寬度調制、中斷、通信、串行外設接口，以及LED燈的設計和控制等方面知識點，通過這些知識點的學習使得學生能編程指令程序并在Arduino硬件上進行調試和測試。在創新教學階段，主要介紹傳感器、電機控制和通信方面的知識，重點在講授這些知識點后，通過實驗加強學生對這些硬件的認識并培養學生應用開發創新的思維。

1.3 改革手段

圖1所示為課程教學過程，采用語法教學和硬件調試相結合方式進行授課，開設實驗室課程并以小組形式開展實驗內容。此外，以項目制形式布置相關軟硬件設計開發需求，要求學生以團隊形式進行創新實踐。

圖1 課程教學過程

表1 Arduino課程教學內容和教學進度

課堂教學方面，以編程案例為重點，運用Arduino IDE編程工具進行現場編程并調試硬件，分以下幾種類型：① 語法方面教學，通過改錯題方式進行比較分析和說明，對難點語法和容易出錯語法進行重點講解，并提問學生，以學生思考為主；②算法類編程，以實際現象或題目為問題點，拋出想法，引導學生從多個不同角度來完成程序編寫。

實驗能力方面，以預先設定應用開發類編程為主，以模塊化為指導，讓學生分組完成模塊并理解模塊的調用關系，掌握模塊化程序設計的技巧。此外，在實驗開展過程中，組織研究生助教團隊參與，一方面助教參與討論解決軟硬件問題，提高學生參與項目的信心；另一方面監督學生分組完成實驗，避免學生在分組中出現任務分工不均衡的現象。

課外項目制方面，包括發布地理定位與地圖展示、基于藍牙的文件傳輸、移動點餐系統，課堂測驗系統等創新項目需求，以小班研討形式組織團隊就需求進行設計和程序編寫。通過每周匯報一次，每次匯報以公開展示形式進行，其他小組成員均可對其進行技術提問和創新點提問。同樣，組織研究生助教參與課外項目實施過程，使用智能觸控白板進行互動研討，保留研討痕跡以及研討結果。

在成果驗收方面，針對項目制開展的團隊大作業，要求驗收考評演示。演示時采用答辯形式，由各小組同學邊演示邊講解編程思路。邀請教學專家組成答辯委員會，根據專家打分給定成績。

2 項目制實踐

為了實現一款面向智慧校園的機械控制小車，使其能夠滿足夜間無人巡查，并通過傳感器收集實驗室環境信息，將涉及地理位置定位、環境數據感知等問題。研究內容包括：①組裝機械小車。在小車上部署相關傳感器和攝像頭，通過Wifi模塊實現遠程視頻傳輸，將智能小車所經過線路上的環境信息及時上傳服務器。②實時處理溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、火焰傳感器回傳的數據。③對反饋數據進行監控并對可疑的、高危的數據進行警報以提示管理員。

圖2所示為項目制實踐開展的流程，將項目開展過程分為項目前、項目中和項目后3個階段。其中項目前主要包括選課宣傳讓學生有興趣選擇軟硬件融合的相關課程，在教學過程中選擇能力拔尖或自愿參加項目的學生組成相關小組，同時進行頭腦風暴式討論、專題討論會、座談小組等形式開展面向智慧校園的機械控制小車項目的討論活動，充分體現學生在項目實施中的主體性、能動性。這一階段解決做什么的問題，明確項目需求以便后續項目實施。項目中則是融合教學和課外項目兩個內容，一方面通過課程講解讓學生學習相關理論和開展課程實驗，一方面需要項目小組進行項目架構設計，同時針對項目需求綜合考慮并選擇相關硬件。在技術實踐過程中，組織研究生助教參與項目指導，溝通技術難點。這一階段解決怎么做的問題，使得項目能順利實施和開展。項目后則是對項目進行演示和公開答辯，這一方面要求學生在全面完成項目需求的基礎上能表達出項目實施過程中的核心點和經驗，另一方面也幫助學生意識到軟硬件融合課程不僅僅包括軟件和硬件開發而且相關文檔資料也是項目的重要內容。

圖2 項目制實踐開展流程

學生創新團隊針對上述需求，考慮到IPv6支撐環境，在綜合思考和討論后設計并給出了相關方案：提出集成Arduino與CC2530的開發實現電機控制，采用通過6LoWPAN協議實現數據的雙向傳輸，包括控制端向Arduino發送控制指令，并驅動馬達運轉以控制小車的運動。通過Wifi協議將攝像頭采集的數據傳輸到控制端。

在軟硬件協同開發階段，創新團隊從機械小車組裝到控制軟件開發，從控制指令到指令雙向回傳，從測試數據到真實環境等一系列過程中得到了鍛煉。最后，實現了無線遠程控制小車以及實時回傳數據的目的。加載在Arduino板子上的ZigBee模塊CC2530，負責將傳感器獲得的實時數據發送到監控主機，同時將監控主機的動作指令信號發送至控制馬達電機從而實現小車方向控制。圖3所示是面向智慧校園的機械控制小車的小車原型。創新團隊學生參加2017年國家和上海市各級別的計算機課外比賽，并在2017年第四屆海峽兩岸大學生創新創業大賽中獲得亞軍的優異成績。

圖3 Arduino機械控制小車原型

3 結 語

大學生創新創業能力的培養是本科教育階段人才培養重要的課題。上海大學計算中心在2012年開展了計算機基礎教學改革[5-6]，開設相關軟硬件編程類課程、互聯網+應用軟件課程等。同時，積極推行大學生創新項目的團隊培養，一方面致力通過項目制形式招收有興趣的學生，另一方面通過項目的開展促進學生參加上海大學/上海市/全國大學生計算機設計大賽。面向軟硬件融合的課程改革將是計算機基礎教學改革的重要方向，也是新工科建設的一次重要探索。雖然改革目標相同，但是各高校需要根據實際情況設計項目方案和實施項目計劃。