基于Arduino的單片機智能控制創新課程教學改革與實踐

屈華炎

（浙江工商職業技術學院 電子信息學院，浙江 寧波 315012）

0 引 言

單片機智能控制作為高職院校電子、自動化等專業的核心課程，在其專業中具有非常重要的地位，是一門綜合性課程。現階段大多數高職院校單片機課程仍舊采用傳統的理論為主、實驗為輔的教學模式。教師的整個教學過程缺乏新意，學生缺乏學習興趣，同時由于課程知識點相對抽象，最終導致學習效果不佳。近年，Arduino等開源電子硬件大行其道，成為創客和各種創意設計的首選[1]。針對傳統的單片機教學，Arduino不需要大量的理論知識儲備，更容易入門，同時也更容易調動學生的積極性。以Arduino為載體進行創新項目設計，學生通過項目設計使其主動發現問題、分析問題、解決問題、拓展項目。因此，利用Arduino對單片機智能控制課程進行改革，以學生創新設計為主線，融入單片機技術、程序設計、傳感器技術、物聯網等知識體系，利用校內各種平臺進行項目的設計與展示，調動學生學習的積極性和主動性，加強實踐能力與創新能力的培養[2]。

1 當前課程開展中存在的問題

1.1 課程形式枯燥、內容脫節，不利于學生積極性的培養

當前單片機智能控制課程雖然經過系列的改革，但由于課程本身的限制，仍要通過理論為主、實驗為輔的教學模式。目前，不少高職院校采用的還是“先理論后實驗”的教學模式，課程模式很難有更深更高層次的突破。其次，課程在實施過程中仍舊像單片機技術課程一樣，強調單片機原理性知識的講解，忽視了智能控制具體的應用。更為重要的是，缺少具體實際項目用于提高學生的知識水平。最終導致理論和實踐相互脫節，學生學習的積極性得不到提高[3]。

1.2 學習自主性不足、干預過多，不利于學生實踐能力的培養

目前，課程在實施過程中以驗證性實驗為主，學生只要按照老師的操作步驟即可完成。在此期間，學生被動地接收知識，遇到問題請教老師，缺少對于自己主動獲取知識能力的培養。在實驗的過程中，利用實驗箱進行實驗，只需簡單的進行連線操作，對整個項目設計與制作缺少必要的動手能力。同時，在課程實施過程中老師對學生的要求太低，由于課程時間限制，只能過多地干預指導，最終學生自主性得不到有效提高，不利于實踐能力的培養。

1.3 實施過程不全、結構模糊，不利于學生創新能力培養

首先，課程內容、項目實施流程不夠細化，導致每節課在開展過程中銜接不夠緊密；其次，項目設計時知識結構模糊，導致學生知識結構缺乏循序漸進、主動構建的過程。當課程結束之后，無法形成一個完整的知識鏈并衍生到其他實際項目中去；再次，單片機智能控制與程序設計、傳感器技術、物聯網技術等相關聯的課程銜接不夠緊密，導致學生對整個知識體系不清晰；最后，課程為后續特長生培養、專題制作、技能競賽、畢業設計等創新人才培養項目缺少支撐。最終導致整個實施流程不夠完善，不利于學生創新能力培養。

2 Arduino平臺的優勢

2.1 開源性

Arduino是一款開源的電子開發平臺，其對應的電路設計圖、硬件原理圖、程序開發界面以及核心庫文件等都是開源的，現如今已經成為最熱門的開源硬件之一。Arduino的所有相關資料都對外開放，用戶可以免費下載，并且根據需要自行設計與修改。電子愛好者可利用其開源特性不斷地完善優化Arduino的功能。

2.2 易入門

Arduino不需要很強的專業知識背景，也不用了解內部工作情況，只需要有一定興趣，這對于剛入門的學生來說，無疑是一個非常好的工具，可以根據自己的能力設計作品；另一方面，網絡上大量的資源使得利用單片機智能控制進行項目設計變得非常簡單。

2.3 擴展性

Arduino可以非常簡便地與各種元器件或者傳感器相連。在平時設計制作項目時，硬件只需連接相應的擴展模塊，軟件只要調用庫函數就可以實現相應的功能。同時根據應用場合的不同，Arduino可以被設計成特定的功能，包括智能小車、智能家居控制、智能物聯等。

2.4 創新性

項目設計時需要具有創新性，通過利用Arduino以及各種傳感器來制作創意作品解決實際問題。同時，通過制作實物、軟件設計等不斷提高自身的實踐操作能力和創新能力。Arduino通過各種各樣的傳感器來感知周圍環境，利用控制燈光、電機等其他裝置進行反饋，同時可以控制物聯網模塊來實現相應功能。

3 具體的改革措施

3.1 融合相關課程，優化教學過程

單片機智能控制作為一門綜合性課程勢必要與普通的單片機課程進行區分，更應突出智能控制理念。Arduino作為當今最熱門的智能控制平臺之一，融合了單片機技術、程序設計、傳感器技術、物聯網技術、嵌入式應用等相關知識，非常符合本課程作為工具使用。同時，Arduino的應用領域也非常廣泛和前沿，包括智能控制小車、智能家居、物聯網控制、智能機器人等，都是當今社會比較流行及熱門的領域[4]。因此，把Arduino融入課程設計中，使之整合成為一門全新的綜合性、創意性課程，讓學生了解智能控制的具體應用，拓展知識面，激發學習興趣。

另一方面，Arduino作為開源電子平臺，具有易入門的特點，大大降低了學生學習單片機智能控制的門檻，使學生更加容易滲透到課程中。課程在實施過程中一改傳統的課程形式，以學生興趣入手，結合創意設計，不再依附于課堂教學時間和場地安排。同時，以學生能力為本位設計教學過程，采用“創意引導學習，實踐帶動理論”的教學模式，依靠Arduino擴展性的特點，讓學生設計出各種富有創意的作品。在課程實施過程中結合現代教育技術，豐富教學手段，開展多形式、多樣化的教學模式。整個教學過程采取分階段、有層次、循序漸進地開展，始終強調“以創意激發興趣、以興趣促進教學”，調動學生學習的積極性，提高課程教學效果。

3.2 整合項目資源，實踐帶動理論

在進行項目設計時，摒棄陳舊項目，將各種資源融入其中，鼓勵學生參與到實際的項目中[5]。每年學校會有各種創新項目的申報，包括特長生、專題制作、技能競賽、科技創新等。利用Arduino設計制作項目后，可以參與這類項目的申報、展示、評比。這樣不僅可以完成課程項目的設計與制作，還可以把項目稍加完善和優化，參加各種項目的申報。經資源整合后所設計的課程項目見表1所列。最終目的一方面是使學生在學習的時候更具有針對性，另一方面通過引入案例用來拓展學生視野和創意空間。

表1 課程項目

利用各種項目進行資源整合后引入課程，學生在項目制作過程中更具有針對性。在項目設計過程中，嚴格遵循“學生為主，教師為輔”，教師主要任務是給予引導，盡量讓學生自主解決設計過程中遇到的問題[6]。當學生在實際過程中碰到問題時，更加容易也更主動地去分析解決問題。另一方面由于Arduino的開源特性，學生可以自主查找資料分析問題。因此，項目實施前期主要是讓學生積極參與到設計制作過程中，加上項目具有的針對性，后期遇到問題時會主動查找資料，反過來補充所欠缺的理論知識。最終目的是鍛煉學生項目制作的實踐能力，包括在此過程中發現問題、分析問題、處理問題的能力。

3.3 總結擴展項目，構建實施過程

項目完成之后，在班級內部進行演示評比，通過班級講演、討論的模式了解整個項目設計制作的情況，相互分析設計過程中出現的問題以及如何優化。一方面可以讓設計的學生回顧整個制作過程，讓其形成項目制作的完整框架；另一方面可以讓其他同學提出合理化的改進意見，以便后續再進一步完善。主要的目的是讓學生通過更加形象的方式掌握項目制作過程中所涉及到的知識點，加強學生創新能力的培養。最后根據個人能力對項目進一步擴展延伸，形成一個相對成熟的作品，并且鼓勵學生去參加學校各種項目申報、評比、競賽[7]。

課程實施過程中創新能力的培養是循序漸進的過程，不能僅靠某一門課程，而是要靠一系列課程不斷給予能力上的培養，逐步提升和完善學生的知識結構，使之形成一個科學的教學體系。因此，單片機智能控制課程一方面要橫向拓展知識結構，進一步加強課程之間的結構融合；另一方面要縱向銜接創新項目，包括各種人才培養項目、科技創新項目以及技能競賽項目，進一步提升綜合性項目的實踐能力[8]。最終目的是不斷完善課程模式的構建，以實際運用為基礎，以創新能力培養為目標，采用多元化、復合型人才培養方式，更好更快地推進學生綜合能力的提高。課程具體的實施過程如圖1所示。

圖1 課程實施過程

4 結 語

總之，課程改革過程中利用Arduino平臺，使其融入單片機智能控制，結合其他課程的知識形成一個全新的課程架構，進一步加強學生的主體地位。在課程實施過程中優化教學模式和教學手段，強調“以創意激發興趣、以興趣促進教學”，調動學生學習的積極性，分階段、有層次、循序漸進地開展教學，突出“學中做、做中學”，逐步提升學生的技能水平[9]。同時，在設計課程過程中整合相關資源，加強課程之間的相互融合，以各種項目和競賽為依托，培養學生解決實際問題的能力。對于完成的項目進行總結分析，以便進一步優化，鼓勵學生參加各類項目的評比。最終完成整個課程體系的構建，學生在項目制作中經歷了遇到問題、分析問題、解決問題的整個過程，使學生在理論知識、實踐能力、創新精神等方面得到全面提升[10]。