“互聯網+”下電子創新設計在線課程實踐研究

王凡，程羽佳，彭芳，于楚泓

（電子科技大學中山學院，機電工程學院，中山528400）

0 引言

在傳統的電子設計實踐課程中，學生大多采用萬用電路板完成電路布線及焊接。需要學生充分了解元器件的電路特性，并且設計電路板時還需要考慮信號傳輸問題，對于學生的電路背景知識有著比較高的要求。而對于機電，自動化等非電子專業學生，由于前序課程安排有限，則需要一種能快速上手的工具應用于產品原型設計，以滿足對于對機電控制需求。課題組根據“新工科”對于完善人才“創意-創新-創業”的要求[1]，一直對課程進行改進和提升[2-3]。對于實驗實踐教學，能動手實踐一直是不可缺少的環節。但是當環境有所限制，特別是學生無法返校時，采用新的教學方式及理念進行教學改革就顯得非常必要。

隨著互聯網及信息技術的飛速發展，特別是在“互聯網+”背景下[4]利用網絡進行課堂教學為“新工科”創新人才培養提供了新的思路。課程組將基礎知識的學習采用互聯網視頻為主，同時融合線上的討論與答疑，并配合適合的仿真平臺完成動手實踐的過程。

1 基于在線教學課堂的實踐分析

電子創新實踐是機電與自動化開設的專業選修課，是一門理論與實踐緊密結合的課程，該課程要求學生在學習完程序設計基礎，模擬電路及數字電路的知識后，能夠運用所學完成一款具有工程應用需求的電路設計及制作。但是在之前的教學設計中存在著以下不足。

（1）課程時間過于緊湊。傳統實踐課程由于時間和場地的限制，一般要求在學期后期集中授課和完成實踐作品。而對于創新類的實踐，則需要學生有更長時間用于作品的創新點思考，從知識中歸納要點，在生活中提取靈感，因此需要課程有著比較長的持續時間。

（2）師生交流匱乏。有限的時間和過多的人數導致老師與學生之間缺乏交流與協作。課程中老師作為單一主體，學生只是被動接受。無論是授課還是評分環節，學生缺乏參與度，從而降低了學生的積極性。

（3）缺乏優秀實踐平臺。針對電子創新設計，如何能夠更便捷快速來檢驗自己的想法，不間斷的創作過程，有利于激發創造力。但是單純采用數字邏輯電路的方案會涉及太多電路底層的內容，過高的上手難度讓學生難以完成創意的轉化。

改革后的在線課程將原有在課堂上講授的內容搬到了網絡，解決了時間的局限性。利用慕課資源[5]，實現了在線教材、在線評測、協作學習三者的統一。讓學生對于學習工具，時間，節奏都有了極大的靈活性。但是要讓學生能完成好這個自學的過程，好的課程節點設計非常重要，否則學生也只是為了學時刷視頻，實際并未提高認知水平。因此根據學生前序課程的開出情況，本課題組專門設計了如表1的教學環節。

表1 課程安排表

在課程視頻和教學的設計上主要以提高學生觀看的積極性為主。所以在課程安排上并未像傳統電子設計課程那樣，從語法基礎到I/O口，再到通信及庫的使用。而是圍繞控制LED燈，講述了不同的控制方式，及不同類型的LED燈，從而潛移默化地完成了I/O口及庫的使用。

與理論課不同，實踐課除了知識的獲取與理論的驗證。更為主要的是訓練如何綜合利用學習到的知識去創造一個實物作品的過程[6]。所以除了在線課程的視頻部分，加入學生的討論，讓課程與工程更加契合，引導學生去應用所學，是課程組需要考慮的重要問題。課程組通過微信群和慕課討論區，讓學生可以及時將自己的疑問進行反饋，而老師也可以根據最新反饋組織教學內容。在直播答疑課，采用類似于翻轉課堂的形式，讓學生根據慕課的學習和練習情況，交流和反饋自己單元作業。學生通過與老師互動鞏固知識內化。

對于實踐工具的選擇，Arduino是一款方便快速原型設計的開源硬件平臺[7]。其開發過程簡便，基于開源的特性，分享與互助是該平臺的最大優勢。友好的社區環境，可以和全球的工程師共同探討相關問題。

2 電子創新設計在線課程的實施

2.1 理論學習階段

Arduino作為開源項目，其豐富的I/O資源及簡單的開發語言，非常適合非電類專業進行電子創新設計。理論學習階段旨在讓學生快速掌握開發板的特性及外圍器件的使用方式。在這一階段引入了中國大學MOOC平臺的在線課程，并設置為適合學生的SPOC課程。為了適應課程安排及學生前期課程情況，首先需要對引入的原課程進行了大量的改進。包括錄制并添加新的視頻以補充在線仿真平臺的知識，修改原有的課程時間安排，重新設置與教學單元配合的習題與作業。并在微信群中根據學習進度定期推送相關知識內容，供學生查閱。

2.2 在線討論及答疑

電子創新設計不僅看重理論知識的學習，更主要的是將知識應用于實踐之中。在每單元的課程之后，課程組都會根據該單元涉及的知識點安排對應的實踐作業。該作業以電子設計作品為主，只規定了需要實現的功能，而對可采用的元器件并未做要求。學生基于理論課的學習，在實踐平臺完成電路的搭建和代碼的編寫，然后通過MOOC平臺上傳自己的作業。老師根據本次作業的詳情，在MOOC作業區設置對應的得分項，每位學生需要按照評分標準至少完成5位同學作業的互評。同時老師可以在后臺看到學生提交的作業，通過同學的評分，老師就很容易發現該設計作品的優缺點，從而在討論環節，幫助學生歸納設計要點，提出改進方案。

在實踐環節，由于每單元的作品都是由學生自己設計，學生在微信群中的互動和交流都比較主動，一方面促進作品有著更高的完成度，另一方面又豐富了在線直播答疑的內容，整個過程交替前進如圖1所示，對課程效果有著較大的提高。

圖1 課程環節安排圖

2.3 實踐平臺選擇

Arduino作為開源硬件，其硬件設計采用了Creative Commons（CC）許可。因此在任何廠商都可以生產Arduino開發板的復制品而不需要支付版稅。這就促進了很多廠商去提供低價優質的克隆版及改良版的產品，例如DFRobot[8]、KenRobot等產品。但是由于學生無法返回實驗室，選擇一款合適的仿真工具在實踐練習中就顯的尤為重要。

在文獻[9]中提出了使用Protues來進行Arduino的仿真實驗。需要從Arduino IDE中導出HEX文件，再導入至Protues中，過程比較復雜。并且Protues元件庫中的傳感器類型比較有限，只適用于初期簡單I/O口實驗的驗證。LinkBoy[10]是國人研發的一款圖形化編程仿真軟件，其仿真庫支持眾多的控制器及傳感器。但是只支持圖形化控件編程，并不支持Arduino語言。面對復雜控制時，圖像化編程就很難實現。

TinkerCAD是一款集3D建模，電子電路設計以及編程為一體的在線免費平臺[11]。其開發商Autodesk公司為全球最大的設計和工程軟件公司。TinkerCAD采用Web客戶端方式，只要通過瀏覽器打開主頁就可使用，并不需安裝其他軟件。其主要模塊包括三維設計，電路電子設計，代碼塊。而電路電子設計模塊的“組件”窗口可以找到主流的Arduino原件模塊及開發板，如圖2所示。用戶可以直接搭建電路并編寫代碼仿真運行，而且可以將3D模型與電路設計相結合，完成創意設計的全過程。所有設計采用云存檔的方式，只要設計者授權就能非常方便進行作品的共享。

圖2 TinkerCAD部分組件庫

3 實踐設計案例

教學設計方法和實踐實施方案通過項目式的任務安排，讓學生完成從器件選擇，電路設計，程序編寫，仿真驗證的全過程。本節以單元5中的超聲波測距報警為例，來說明方案實施過程。

3.1 教學設計

在學習完基本的I/O口應用之后，Arduino通過其豐富的第三方庫函數及外設支持，體現其快速原型迭代的特性。本次任務就是要求學生利用Arduino作為核心控制器，設計一款超聲波測距及報警裝置。該裝置可顯示障礙物距離測量設備的距離，并且當距離小于設定的報警值時，會有器件提示。

根據該測距設備的要求，教學內容分為以下幾個步驟完成。

（1）超聲波測距的原理，如何通過回傳時間計算障礙物距離。

（2）超聲波模塊的引腳說明，與Arduino的連接方式；Arduino相關庫函數介紹及使用。

（3）通過串口輸出測量數據，檢查與實際值是否相符。

（4）LCD1602的顯示原理，與Arduino的連接方式；Arduino相關庫函數介紹及使用。

（5）可調報警模塊，通過改變電位器的模擬值從而設置報警距離。

通過以上五部分的相關討論。學生在接收設計作業之后，確定目標，查閱資料，分解任務，確定方案。而老師負責引導學生完成自頂向下，逐步求精的過程，更多的是如何根據任務要求，將系統分解為模塊，模塊分解為自己掌握的知識點，而每部分的結果又是如何通過變量與參數進行傳遞。

3.2 作業設計

根據功能模塊的劃分、電路的設計及驗證分為了3個步驟。如圖3所示。

圖3 超聲波測距設計過程

（1）超聲波測距

根據超聲波測距原理，通過對模塊的信號引腳輸入10us的高電平信號，即可觸發模塊的測距功能。模塊完成測距之后會返回給信號引腳一段高電平，通過測量該高電平脈沖寬度即可得知超聲波整個反射時間，從而通過音速公式推算出障礙物的距離。

該部分的電路連接比較簡單，模塊除了供電部分，只有一個引腳與Arduino控制板連接。但是編程部分需要通過代碼產生10us的脈沖信號，而且考慮到代碼復用，還需要封裝成函數的形式，以方便在其他數字信號引腳使用。

對于測得的數據，學生可以利用之前所學的串口通信原理，將距離以厘米及英寸為單位進行串口輸出顯示。

（2）LCD1602顯示

LCD1602引腳復雜，需要進行眾多寄存器操作，才能顯示需要內容。不過Arduino官方已經封裝好相關的LiquidCrystal.h的頭文件。只需要根據引腳接線正確初始化，就可以非常輕松地使用相關函數進行顯示設置。

這部分需要特別注意LCD1602與Arduino控制板的連接。不過程序編寫相對簡單，可以將模擬輸入口讀取的電位器值在LCD顯示，作為之后的報警設置。

（3）具有液晶顯示及報警功能的超聲波測距

有了前2步的積累，這一步只需要進行代碼和電路的融合。同時需要根據電位器設定值通過數字引腳觸發報警信號。

這部分需要特別注意代碼內部的邏輯順序關系，因為Arduino采用Loop（）循環函數放置需要運行的主代碼。如果功能模塊順序混淆，在不同的操作時序下很容易出現結果時好時壞的情況，這種邏輯錯誤是代碼編寫最難發現的。

3.3 作業評測

根據作業設計的要點，在線交流環節中就會根據以上三點去與學生進行互動，聽取學生關于該功能實現的想法。但是創新設計不應拘泥于一種實現方式，教師在該過程中更多的是話題的領引著，而并非講述者，控制好局面和氛圍，是整個環節的主要工作。

在作業提交與考核階段，利用了MOOC平臺的互評功能。對超聲波串口顯示、LCD顯示及融合設計分別提供了量化評價標準，讓同學之間既可相互評價又可相互學習。而對于一些評分相差較大的情況，老師則可單獨查看已提交作業，以確定評分的嚴謹性。

4 結語

本課程改革采用“互聯網+”的思維和技術將開源硬件與在線仿真平臺相結合，并通過課程環節設計，解決了實踐課程難以在家開展的問題。使非電類專業的學生通過在線課程的學習，也可以快速完成產品原型設計，并通過仿真平臺進行驗證。在課程設計流程中注重師生互動，學習與實踐相互推進，是特殊時期實踐課程改革的創新嘗試。通過課程作業完成情況及課后的調查反饋，改進后的課程提高了學生的學習興趣，有效地激發了學生的創新活力。