基于樹莓派的開源創新教育平臺在電子實踐課程中的探索與應用

許 金 李 姮 李 珊 廖秋麗

（桂林電子科技大學機電綜合工程訓練國家級實驗教學示范中心，廣西 桂林 541004）

0 引言

我校的國家級實驗教學示范中心——機電綜合工程訓練中心， 作為面向全校電子大類及相關電類專業開設基礎實踐課程的教學單位， 主要承擔著學校大部分工科專業學生的電子工藝實習基礎教學和電子產品創新設計制作指導工作。 每學年開設有電子認知實習、電子工程訓練I、電子工程訓練II 等電子實訓課，教學目的在于培養一年級新生對基本電子電路知識的初步認知能力， 以及三年級學生對簡單工程項目問題的分析解決能力。 針對此該教學目的， 我訓練中心提出基于樹莓派開發環境[1]搭建具有創客理念的教學技能訓練平臺， 將開源硬件引入實踐教學， 建立以學生為主體、 理論-實踐有機融為一體的電子實踐教學體系框架， 激發提升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， 形成切合專業人才培養目標要求的電子實踐教學新體系。

1 “開源創新教育平臺”總體設計方案

“開源創新教育平臺”總體方案是基于樹莓派開發環境設計出一套可用于軟件開發、 硬件擴展的多功能綜合性開源創客教學訓練平臺。 如圖1 所示， 該平臺可與電子認知實習、電子工程訓練I、電子工程訓練II系列課程現有的電子作品從實體硬件或者虛擬軟件上實現有機結合， 并融入于開源硬件的教學應用模式，完善整個電子實踐訓練課程教學軟硬件系統。

“開源創新教育平臺”是面向電子實訓相關課程設計搭建的創新動手技能訓練綜合教學平臺， 涉及電子裝配工藝、元器件焊接、外圍電路設計、程序編寫、拓展項目應用等多項技能的培養。 此平臺通過連接不同的外設擴展接口、擴展模塊，配置不同開放軟件，可為各個課程提供有不同的實驗環境， 構建以學生為主體、高度互動、虛實結合的實踐環境。 如應用于電子認知實習課程中，平臺可作為學生經SMT 工藝實訓環節制作裝配的Arduino 硬件開發板的軟硬件開發環境，充分發揮開源硬件共享性、開放性、協作性[2]的優勢；在電子工程訓練I 課程中，利用樹莓派高速的IO 口制作FM 小型發射臺， 與學生經STM 焊接工藝制造裝配的AM/FM 收音機構成完整的FM 通信系統； 在電子工程訓練II 課程中， 基于該平臺實現數字電視盒子功能，結合學生經PCB 設計制版、電子元器件焊接、程序開發與系統組裝調試、 系統參數測量四個實訓環節制作的液晶數字電視機完成功能完善的智能電視應用。

圖1 開源創新教學平臺與電子實踐課程的融合

2 教學實施與應用方案

面向本中心開設的電子認知實習、 電子工程訓練I、電子工程訓練II 電子實踐訓練課程教學，以“開源創新教育平臺”為教學平臺，圍繞授課內容、授課方式和課程評價標準三個方面開展教學改革， 探索實施開源創新教育新模式。

2.1 教學內容的制定

“開源創新教育平臺”能以各種不同的身份引入到不同的課程中，有作為工具的，也有作為開發平臺的，如何在各課程中制定適宜的教學內容以突出專業定向、開展創客教育[3]、培養學生“Maker”精神，即如何做到“因地制宜”是需要首要解決的問題。 根據各不同專業的專業背景知識制定了不同階段的教學內容， 構建可柔性擴展的教學模式[4]：

（1）針對在電子認知實習課程中的應用，教學側重點在于訓練學生獨立動手能力和實踐能力。 鑒于學習此課程的學生時處一年級，專業基礎薄弱，“開源創新教育平臺” 主要以一種開發工具的學習及使用附加于原課程的教學內容中， 擴展現有課程的軟件平臺搭建、 語言學習環節。 本中心使用以自主優化設計的Arduino UNO 開源硬件教學開發板為對象開展生產實踐， 針對不同專業制定特定實驗訓練項目， 引導學生認識開源硬件在自身專業的應用場合， 使學生更加充分了解專業定向， 提高學生專業學習興趣。 開源教學在電子認知實習課程中的教學過程具體分為案例樣品演示、開源開發板制造、綜合拓展項目實戰、作品現場驗收評議等四個環節。 學生在此課程中不再是僅僅測量電子元器件、 裝配電子產品， 而是需要利用在制造階段制作的Arduino UNO 開發板作為主控制核心，配合相關外圍電路，探究設計一個具有創意的產品；

（2） 針對于在電子工程訓練I 和電子工程訓練II課程的應用， 學生處在本科三年級階段， 已具備一定專業基礎， 參于此課程重在鍛煉其專業應用能力及解決實際問題能力，因此，“開源創新教育平臺”不僅作為一種工具使用， 而是能夠利用其強大的二次開發能力進行應用開發， 可在教學內容中納入基本的開發語言學習、外設開發方法、應用開發實例[5]等，通過此平臺， 將原獨立單一化的生產實訓變為整體化的系統性開發實訓，更為強化工程意識、創新開發能力的培養。

2.2 教學方法的改革

針對于 “開源創新教育平臺” 在不同課程中的應用，應制定多種教學方法：

（1）電子認知實習課程對于“開源創新教育平臺”的使用更多的是一種工具的操作學習， 在教學過程中應采用視頻演示、實物演示、課件講授、軟件練習、模擬演示、軟硬實驗、拓展啟發、測評討論等教學方法，以學生開放學習為主、 教師課堂集中教學為輔進行教學；

（2）在電子工程訓練I 和電子工程訓練II 課程中，“開源創新教育平臺”不單是一種工具，更為重要的是一個綜合開發平臺。 在教學中，以“實例法”為主進行基礎能力的教學，以“項目驅動法”完成學生綜合能力的培養， 開發學生創新思維， 實現創新理實一體化型教育。

2.3 評價機制的完善

為能突出個體差異化， 充分有效評價學生實踐創新應用能力， 課程采用面向于過程和結果權重比各占50%的綜合評價機制。在實踐過程中，教師可通過平臺定向設置簡易故障， 需要學生學會利用相關儀器儀表，對故障點進行排查，再經過對原理的分析，結合對故障原因的判斷， 通過焊接或修改電路的連接、 更換元器件、 修正程序的流程等操作使電路恢復原有功能， 鍛煉學生解決實際問題的真實能力， 并根據對學生實踐過程做出真實、 客觀的評價， 評定學生過程表現的成績。 在課程結束時， 采用驗收實踐課程作品的形式進行評價： 課程作品驗收選擇不受約束的創意設計的方式， 不以固定的作品進行檢驗。 學生可以選擇單人獨立完成一個作品， 也可以以團隊的形式完成一個創意作品。 其中針對于團隊形式考核， 為考察團隊中個人的能力及貢獻， 可增加實操考核環節， 側重點是系統實現過程中的電路調試與故障診斷訓練， 彌補原有考核方式中的不足。 作品驗收以學生自行評定、大眾評定及教師評定等三者共同綜合得分作為學生作品環節的成績。

3 結語

探索搭建基于樹莓派開發環境學科交叉融合優勢的“開源創新教育平臺”，面向于電子認知實習、電子工程訓練I、 電子工程訓練II 系列電子實踐課程實施教學改革， 實現以開源教學應用模式開展開源創客教育，目的培養學生創新精神、激發創新潛能，鍛煉創新技能。 該平臺能夠提升學生綜合實踐創新能力， 可為全面提高學生動手能力和綜合素質及后期專業學習奠定基礎， 建立交叉學科一體化并可柔性擴展的教學模式，完善電子實踐課程體系的建設。