面向電子實踐課程的開源創新教學平臺設計與應用

李姮 許金 李珊 李輝

【摘 要】基于樹莓派軟硬件開發環境，結合電子實踐課程培養現狀，提出了搭建具有創客理念、學科交叉融合優勢的開源理實一體化創新教學平臺，將開源硬件引入電子訓練實踐教學，實施開源創客的教學應用模式，并構建針對電子實踐課程的理實一體化評價機制，目的培養學生創新意識、創新思維與技能，以提升綜合實踐創新能力。

【關鍵詞】開源;電子實踐教學;樹莓派

中圖分類號： TP315 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）23-0097-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.043

0 引言

現階段國內高校普遍開設的電子實訓課程在大學生創客教育環節中具有公認的重要性，是提高學生獨立動手能力、創新思維能力，造就創新型人才的有效途徑[1]。而創客教育重要的技術工具類型之一則是開源硬件[2]，開源硬件的出現降低了創造、創新的門檻和成本，將開源硬件教學作為一種新的教學模式引入到創客日常教學中來，有利于加深對課程體系和知識結構的理解，進而轉變成實踐與探索相結伴的學習模式，充分體現創客教育理念。

1 電子實踐課程現狀分析

本校的基礎實驗教學單位——電子工程訓練中心主要承擔著學校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[3]，面向高校工科專業開設有“電子認知實習”、“電子工程訓練I”、“電子工程訓練II”三門電子實踐性教學課程如表1。

以上三門電子實踐課程的實習周期占據35-105個學時，基本是利用訓練中心自身條件完成如門鈴電路、收音機、液晶電視機等若干個小型電子產品套件的拆裝、測量與調試工作。若繼續沿用當前傳統的教學操作，難以突出學生個性特點，同時由于實踐條件受限導致學生實踐創新意識未能切實發揮[4]，創新氛圍不夠濃、途徑單一、成效不明顯;此外實踐課程相對獨立，缺乏有機聯系，多個實踐課程之間整合度不夠，缺少聯動交叉性，不利于學生實踐創新能力培養和鍛煉。因此，要從基礎上提高學生的實踐能力和工程素養，就需要結合學校多學科的專業培養目標、專業實際，對傳統電子實訓教學的教學環境平臺構建、課程資源建設、教學評價體系等方面進行交互創新與改革。

2 開源理實一體化創新教學平臺設計特色

本實訓中心以電子實踐課程為基礎，設計開發了一套基于Raspberry Pi（樹莓派）環境[5]的開源理實一體化創新訓練教學平臺，采用跨平臺編譯、移植常用工具和開發環境構建平臺的上層軟件架構，選用合適的樹莓派版本及外圍接口模塊，搭建實現基本交互能力的操作系統。設計基本原則是依據開設課程定額的學生人數，在現有實訓機房硬件資源基礎上，通過顯示器、樹莓派、外設以及外圍接口構建具有可擴展、可開發、可移植特點的教學平臺，滿足批量化多人次教學。其不僅能像普通PC一樣作為教學開發工具，還能作為應用開發平臺，進行二次開發，實現外設擴展，豐富平臺功能。平臺特色之處在于通過低投入成本的樹莓派進行硬件設計與系統開發，既可以作為上位機實現應用開發終端，也可以作為下位機完成現場外設控制，具有共享、開放、協作等特點，是實現集常用工具、應用開發、編程擴展等一體化的綜合實訓平臺。

3 課程改革總體方案及在實踐教學體系中的應用

開源理實一體化創新教學總體思路是基于樹莓派環境設計一套可用于軟件教學、硬件擴展、應用編程的多功能綜合性開源創客教學訓練平臺，探索一種將應用融入于開源硬件教學，實施開源創客的教學應用模式，即在對學生動手操作技能訓練的基礎上，以通過增加專業多學科基礎應用的學習與開源項目設計實踐性教學環節的比重，側重培養學生探索與創新精神，從而使其具備較強的創意性設計和技術改造能力。

3.1 面向“電子認知實習”課程教學改革中的應用

開源理實一體化創新教學平臺應用于“電子認知實習”中，該平臺可通過HDMI接口連接樹莓派與外設顯示器，樹莓派USB接口連接鍵鼠構成人機交互界面，來搭建學生制作裝配的Arduino硬件開發板的軟硬件開發環境。如表2所示，開源教學在電子認知實習課程中的教學過程具體分為演示、制造、實踐、驗收等四個應用創新模式，變枯燥無味的測量性實驗為創新型探究性實驗，充分激發學生的創新潛能。整個教學過程均采用演示教學和實踐操作相鋪結合的教學方法，課程內容以項目為載體，涉及電子裝配工藝、元器件焊接、外圍電路設計、程序編寫、傳感器應用等多項技能的培養。

學生首先通過開源硬件的樣例作品演示，形成課堂演示案例，以興趣為導向進行教學。面向電子類專業學生，演示階段的作品選取如光立方、激光雕刻機、自平衡兩輪小車等專業性和趣味性都較強的項目，培養學生對電子技術、控制技術、光電信息技術的認知能力;而針對于機電專業學生，演示階段的作品選擇多維運動平臺、3D打印機等機電結合的項目，引導學生認識機電結合的應用場合，使學生初步了解專業定向，激發學生的學習主動性;針對非電類專業，則應選擇創意性較強、形象化的作品如跟隨復寫系統、智能花盆、旋轉LED等，重在激發學生創意和想法。其次再利用SMT工藝制造實訓環節中自制開源硬件開發板，最后實現電路搭建、IDE環境編程學習、創意項目開發。

在電子認知實習課程中引入開源硬件進行教學具備較強的可行性。一方面，向課程中注入新的血液，彌補電子認知實習課程創新性不足的問題，另一方面，極大提升學生的學習興趣，充分激發學生的創新潛能，變測量性實驗為探究性實驗，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電子產品作為主控制中心，配合相關外圍電路，自主探究設計一個具有創意的產品[3]，旨在從大一新生開始培育建立“共享、開放、協作”的理實一體化工程思維。

3.2 面向“電子工程訓練I”課程教學改革中的應用

開源理實一體化創新教學平臺應用于“電子工程訓練I”中，該平臺可通過GPIO擴展接口制作FM調頻無線電發射器，實現小型電臺，與本課程學生完成的電子產品——AM/FM收音機結合設計一部無線電臺收發裝置，有力激發學生學習興趣，使得學生立體化理解通信原理基本理論知識。進而再通過獨立完成收音機套件的電路設計、裝配調試，鍛煉學生動手實踐能力的同時，也能夠鍛煉學生電子電路設計、應用開發、軟件編程等工程開發能力。此外，采用新的基于結果型和過程型的綜合考核評價體系，客觀且直觀的評價學生學習情況，可以更全面培養考核學生創新能力，開展理實一體化教育。

3.3 面向“電子工程訓練II”課程教學改革中的應用

開源理實一體化創新教學平臺應用于“電子工程訓練II”中，該平臺融合了Linux系統、開放軟件，可基于軟件虛擬搭建網絡電視播放器，配合GPIO擴展接口解碼紅外遙控，開發智能電視盒子，進而與本課程學生完成的電子產品——液晶電視相結合，可實現“閉環”式專業知識教育，讓學生能充分理解電視機工作原理、電視發射機工作原理。通過PCB設計制造、元件測試焊接、系統組裝調試、電氣參數測試等多個環節，學生以分組形式共同完成一部綜合性電子產品的制作。整體教學過程以產品過程，項目的構思、設計、實施和運行全生命周期為背景的教育理念為載體，以主動地、實踐地、學習舉一反三的運行機制培養學生的創新能力。

4 結語

圍繞創客教育的開展理念與開源硬件的新興技術應用優勢，本項目設計提供的向于電子實訓教學系列課程中的開源創新教學平臺，以培養學生發散性思維、工程素養、實踐能力和創新精神為目標，以開放性、綜合性、實踐性、創造性為特征，是為解決高校教育體制中創新能力培養不足而實施的一系列創新動手技能訓練的綜合教學平臺，在探索完善電子實訓教學體系建設中起著關鍵樞紐作用。

【參考文獻】

[1]李鵬，石劍民，徐嵩.深化電子實習教育改革提高學生實踐創新能力[J].科教導刊（上旬刊），2013（06）：123-124.

[2]井仁仁.開源硬件對技術教育發展的影響研究[D].南京師范大學，2018.

[3]許金，李姮，李珊，廖秋麗.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[J].科技視界，2019（09）：137-138.

[4]謝明華，劉輝，王新輝，馬凌云.地方性應用型本科電子實習教學改革與實踐[J].中國電力教育，2013（23）：99-100.

[5]Eben Upton， Gareth Halfacree.樹莓派用戶指南[M].北京： 人民郵電出版社，2016.