開(kāi)源硬件電類(lèi)專(zhuān)業(yè)大一新生綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 夏 鄂 劉旭明

設(shè)計(jì)基于開(kāi)源硬件的大一專(zhuān)業(yè)新生綜合實(shí)驗(yàn)，電類(lèi)專(zhuān)業(yè)新生課上通過(guò)完成基于開(kāi)源硬件巡邏機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)。分析了新生課中綜合實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)選擇、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)過(guò)程與內(nèi)容。大一新生通過(guò)完成自主綜合實(shí)驗(yàn)，提高了新生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力以及專(zhuān)業(yè)了解和認(rèn)可。

新生研討課為大一新生開(kāi)設(shè)課程，課程由專(zhuān)業(yè)課教師、教育管理教師、大一新生共同互動(dòng)交流，通過(guò)適應(yīng)性、體驗(yàn)式的教學(xué)模式，引導(dǎo)大一新生盡快適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)生活，增加學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)了解和認(rèn)同，激發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合高校教學(xué)改革和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實(shí)際需求，在電類(lèi)專(zhuān)業(yè)新生課中開(kāi)設(shè)基于開(kāi)源硬件的新生綜合實(shí)驗(yàn)。

文章針對(duì)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)新生課開(kāi)設(shè)基于開(kāi)源硬件的綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探索與實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)效果等方面進(jìn)行探討和總結(jié)。

1 新生綜合實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的目的

1.1 激發(fā)大一新生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣

新生綜合實(shí)驗(yàn)通過(guò)在大一新生課中基于項(xiàng)目的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，通過(guò)動(dòng)手、實(shí)踐解決有價(jià)值的工程問(wèn)題，培養(yǎng)工程意識(shí)，學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)基本的知識(shí)、訓(xùn)練方法和技能，了解專(zhuān)業(yè)的發(fā)展方向、學(xué)習(xí)方法加強(qiáng)對(duì)專(zhuān)業(yè)和學(xué)科的認(rèn)知認(rèn)同，使學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)之前就對(duì)專(zhuān)業(yè)課程初步的感性認(rèn)識(shí)。

1.2 培養(yǎng)大一新生自主學(xué)習(xí)能力

新生綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采取分層設(shè)計(jì)，由教師引導(dǎo)學(xué)生逐步完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，教師加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)，教師和同學(xué)線上線下交流溝通措施，轉(zhuǎn)變中學(xué)包辦式學(xué)習(xí)依賴(lài)思維，由被動(dòng)學(xué)習(xí)到自主探研究學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，促使大學(xué)新生克服中學(xué)應(yīng)試教育影響為大學(xué)甚至終身學(xué)習(xí)打下良好的害礎(chǔ)。

1.3 培養(yǎng)大一新生創(chuàng)新精神實(shí)踐能力

新生綜合實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，通過(guò)綜合性有挑戰(zhàn)度的實(shí)踐，無(wú)論學(xué)生最后結(jié)果、完成度創(chuàng)新性如何，實(shí)踐過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，學(xué)生從而有信心和興趣完成更高難度的創(chuàng)新實(shí)踐。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織與實(shí)施

2.1 平臺(tái)選擇

大一新生僅學(xué)習(xí)高數(shù)、英語(yǔ)等基礎(chǔ)課程，理論知識(shí)薄弱，動(dòng)手實(shí)踐能力差。因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇上手方便最具有代表性的開(kāi)源硬件Arduino單片機(jī)。Arduino單片機(jī)是作為誕生意大利典型代表開(kāi)源硬件平臺(tái)之一，價(jià)格低廉、方便攜節(jié)、擴(kuò)展性強(qiáng)；與傳統(tǒng)51單片機(jī)不同，Arduino不需要了解單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和寄存器原理，尤其是學(xué)生只需事握最簡(jiǎn)單C語(yǔ)言即可Arduino，大一新生可以快速上手。

2.2 教學(xué)目標(biāo)

電類(lèi)專(zhuān)業(yè)涉及軟件硬件，知識(shí)涵蓋廣，動(dòng)手實(shí)踐能力要求高，結(jié)合電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)和教學(xué)的要求綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)為基于開(kāi)源硬件設(shè)計(jì)一款實(shí)驗(yàn)室巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)24h不間斷自主巡檢，收集實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息監(jiān)控云平臺(tái)具體工作包括：①組裝機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)自主尋跡巡檢運(yùn)動(dòng)；②實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數(shù)：溫度、濕度、煙霧；③環(huán)境參數(shù)上傳存儲(chǔ)智能監(jiān)控云平臺(tái)，分析高危數(shù)據(jù)智能提醒工作人員。

2.3 實(shí)施過(guò)程與內(nèi)容

課程的課內(nèi)教學(xué)活動(dòng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中開(kāi)展，課后實(shí)踐可安排宿舍教室圖書(shū)館，總學(xué)時(shí)16學(xué)時(shí)，具體實(shí)施過(guò)程與內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容如下：

2.3.1 基礎(chǔ)理論和實(shí)踐準(zhǔn)備階段

準(zhǔn)備階段：由教師主導(dǎo)，向?qū)W生講授基礎(chǔ)理論和和基礎(chǔ)實(shí)踐技能引導(dǎo)學(xué)生入門(mén)，學(xué)生完完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為課程完成打下基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)理論：Arduino開(kāi)源軟硬件平臺(tái)簡(jiǎn)介、Arduino的基本語(yǔ)法、數(shù)字量和模擬量的輸入、電腦通訊、各種常用和器的用途和使用方法、航機(jī)控制、LED燈。

基礎(chǔ)電路：基于Arduino 的機(jī)器人項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)案例和實(shí)例分析、仿真、電路、調(diào)試、焊接等基本知識(shí)和技巧。

2.3.2 項(xiàng)目創(chuàng)新工程實(shí)踐階段

采取“口袋實(shí)驗(yàn)室”實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式。近年來(lái)“口袋實(shí)驗(yàn)室”方便快捷捷、隨時(shí)隨地、自主實(shí)驗(yàn)顯著優(yōu)越性，較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱“四固定”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式諸多限制，固定的場(chǎng)所、固定的時(shí)間、應(yīng)用固定的實(shí)驗(yàn)箱、進(jìn)行固定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Arduino單片機(jī)體功能豐富、體積較小、攜帶方便、功能齊全擴(kuò)展性，可作為單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)"口袋實(shí)驗(yàn)室”實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式下，學(xué)生不受限于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材，隨葉隨地便捷的，根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)提出想法、設(shè)計(jì)方案、完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù)。

設(shè)置若干次“中期檢查”環(huán)節(jié)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)室上介紹項(xiàng)目的進(jìn)度、遇到的問(wèn)題和解決辦法。這樣即方便學(xué)生之間交流學(xué)習(xí)，也便于老師對(duì)學(xué)生過(guò)程性評(píng)價(jià)。

增加了“提高擴(kuò)展”內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室巡檢機(jī)器人自由發(fā)揮的空間，鼓勵(lì)創(chuàng)新擴(kuò)展，提課程的難度和挑戰(zhàn)性。

2.3.3 總結(jié)與驗(yàn)收階段

教師現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收作品、驗(yàn)收合格后，學(xué)生就本組設(shè)計(jì)通過(guò)PPT向教師和學(xué)生講解，并按照要求撰寫(xiě)項(xiàng)目報(bào)告。教師根據(jù)作品完成度、創(chuàng)新性、難度、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收情況、PPT匯報(bào)和項(xiàng)目報(bào)告文檔綜合評(píng)分。

電類(lèi)專(zhuān)業(yè)大一新生完成基于開(kāi)源硬件Arduino綜合實(shí)驗(yàn)，有效激發(fā)了學(xué)生對(duì)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐應(yīng)用能力。基于開(kāi)源硬件大一新生綜合實(shí)驗(yàn)為后續(xù)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。