开源硬件引入机械电子专业的电子认知实习教学模式探索

李姮　许金　叶懋　吴姝芹

【摘 要】针对机械电子工程专业在电子认知实习教学的实际情况，分析、探索开源硬件平台在机械电子工程教学的应用模式，利用开源硬件开放性、易扩展特性实现层次性、模块化的课程应用范围，最终建立机电一体化并可柔性扩展的电子认知实习教学模式。

【关键词】开源硬件；机械电子工程；电子认知实习

电子认知实习作为一门面向高校工科专业开设的基础实践性教学课程，目的培养大一新生对电子基本知识的初步认知能力和实际工程问题的分析解决能力，培养学生的创新思维和追求创新的态度及意识，使学生掌握基本的创新方法，提高综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力，以适应社会和企业对应用型工程技术人才的需求。

电子认知实习课程现阶段存在教学内容较陈旧、单一，对不同专业普适性较差，不能很好的符合创新创业教育的理念。要从基础上提高学生的实践能力和工程素养，就必须结合学校不同专业的培养目标、专业特色、专业实际，对电子认知实习教学的内容、环节、方法和手段等方面进行针对性的改革。将行业前沿技术开源硬件引入实践教学，探索以学生为主体的实践教学模式，激发学生主动参与创新性实习项目的积极性，增强专业培养对社会的适应性，充分发挥我校电子信息技术优势，形成切合专业人才培养目标要求的电子认知实习教学新模式。

1 机械电子工程专业实践教学

我校设置针对于机械电子工程专业的人才培养目标，强调培养学生以机、电、光、算、控制一体化技术相结合，通过专业多学科基础知识与实践性教学环节，使学生具有一专多能，动手操作技能强，具备较强的创意性设计和技术改造能力[1]。电子认知实习是机械电子工程专业学生进入大学后参加的第一门电子实践类课程，其在学生的电子技术兴趣培养的启蒙阶段具有举足轻重的作用。传统的教学操作中未做到因材施教，使用相同模式的批量重复式培养，严重制约学生个性发展和创新思维能力培养。此外，实习过程还存在以下方面问题：实习教学内容陈旧单一，专业针对性不强，难以融合多个交叉学科实现创新能力提升；实验项目设备器材简单落后，未与当代电子信息技术发展接轨，学生个性发展发挥受限。

因此，有机结合机械与电子专业知识，引入开源硬件平台进行实践教学，探索培养建立以机电一体化的教学应用模式，是实施电子认知实习教学改革的核心思想。本文以开源Arduino开发为例，探讨将开源硬件引入到机械电子工程专业的电子认知实习教学，建立以学生为主体的一体化柔性实践教学框架，作为专业教学的有效补充[2]。

2 开源硬件优势

开源硬件Arduino是一种基于开放原代码的电子平台，主要为非电子专业学生和业余爱好者使用而设计的。它作为新兴的开发平台，其开源、廉价、易上手、可扩展的特性尤其适合零基础的入门新手使用。其中，面向于机械电子工程專业的应用，Arduino优越性在于：

1）硬件成本低。Arduino实验平台可自制完成，即使是购买成品，其价格控制在几百元之内。

2）软件跨平台，简易的编程环境。初学者很容易能操作Arduino编程环境，开发语言基于过程语言开发，简易掌握，且能为一定基础的学生提供足够丰富的高级应用。

3）软硬件开源且可扩展。Arduino无论硬件结构还是系统软件都完全开源，源码资源的开放共享使得学生可将其应用到自己的开发当中，还可根据需要对硬件功能模块扩展和改进[3]。

4）外设丰富。Arduino官方提供的极为丰富的外设，如可与电机驱动、传感器、LED、点阵显示、触摸屏控制[3]等外设进行交互，迅速设计制作出属于自己的创意作品。

3 开源硬件在电子实训中的应用实施

基于Arduino特性和优势，Arduino平台在电子认知实习课程中的教学方案分别从课堂资源开发、课程内容设计和课程评价体系等方面来进行改革实施。整个教学过程采用演示教学和实践操作相铺结合，教学环节围绕以项目为载体，涉及电子装配工艺、元器件焊接、外围电路设计、程序编写、传感器应用等多项技能的培养。

面向课堂资源开发的改革上，需以Arduino UNO开源硬件为模板设计一款面向教学的开发板。此开发板一方面需从接口、功能兼容、器件采购等方面上择优选用适合初学者，另一方面需考虑能够使用实训环境中现有设备实现小批量生产。在面向机械电子工程专业的电子认知实习课程中所使用的是自主优化设计的Arduino UNO开发板，核心微控制器选取支持ISP在线编程的AVR系列单片机，其在使用前在需在Flash中固化一段引导程序（bootloader）以完美兼容Arduino。

面向课程内容设计的改革上，整个实习过程的教学环节主要分为以下3个方面：

1）开发板功能演示。主要是让学生认知Arduino，了解Arduino的功能和应用场合，通过Arduino的样例作品演示，激发学生的学习主动性，以兴趣为导向进行教学。演示阶段的作品是基于Arduino、W5100网络扩展板、三维运动平台开发的，实现的功能是通过手机微信发送控制指令，远程控制三维运动平台运动，模拟智能加工，引导学生认识机电结合的应用场合，使学生更加充分了解专业定向，提高学生专业学习兴趣。

2）元器件认知和装配工艺能力培养。以Arduino开发板为对象，介绍SMT生产工艺和TMT工艺流程，使学生了解焊锡膏机、普通自动贴片、回流焊等的使用，并进行生产实践，每个学生在基本掌握手工焊接技术的基础上，制作一块Arduino开发板。

3）Arduino开发实战。利用Arduino开源硬件形成课堂演示案例，如炫酷的光立方、雕刻机、平衡车等小项目演示，利用易上手的Arduino开源硬件，引导学生逐步熟悉各项模块功能，其中，项目选择具有层次化、模块化由易到难、由既定到拓展，要求学生基于Arduino平台完成以下实验项目：

（1）数字温度计。为每一个学生提供实验所需硬件1602LCD液晶显示器、DS18B20单总线温度传感器、按键、电位器、杜邦线若干、面包板等。在介绍LCD驱动原理、1602引脚接口功能和控制指令、DS18B20引脚功能、上拉电阻作用等内容的基础上指导学生完成实际电路搭建，讲解开发语言语法、库函数调用步骤和编译下载的方法，要求学生在课程上完成环境温度的实时采集及显示，实现数字温度计功能。同时引导学生利用其他现有外设丰富数字温度计功能，实现创新型教学。

（2）电机控制。提供RB-412舵机若干个，跳线若干，学生以团队或个人方式进行组队完成任务。讲授电机结构原理，介绍直流电机、步进电机、舵机工作原理以及Arduino控制舵机的两种方法[4]。学生设计控制电路，以舵机为基础结合机械知识搭建控制平台，完成生产过程中的自动化加工设备或者过程的模拟，比如数控机床。

面向课程评价体系的改革上，采用整体过程和作品综合评价方法，建立完善评价体系，突出个体差异化。在对学生元（下转第53页）（上接第73页）器件识别，测试工具使用，参数测量，焊接工艺，程序优化，电路调试等各训练环节的考察基础上，给予学生充分发挥空间，将本实习提供的实践系统原型丰富拓展成为具有更多功能的电子控制系统，根据发挥结果综合评定成绩，由此反映出个体的创造性和能动性。

4 结语

电子认知实习是高校培养学生综合能力和动手实践能力的重要手段[5]。针对机械电子专业的特点，在电子认知实习中融入开源硬件，分别从课堂资源、课程内容和课程评价体系等方面来进行改革，建立了机电一体化并可柔性擴展的教学模式。改革后的电子认知实习，不但可以使学生能清楚的认识到专业定向，了解机械和电子融合的作用，拓宽知识面，提高动手实践能力，更重要的是学生在项目实践过程中培养了创新思维，理解了团队协作精神，为后期专业学习奠定了坚实的基础。

【参考文献】

[1]潘雍，傅明星，于晨.机械电子工程综述[J].机电工程，2014（5）：553-558.

[2]张雷，赵学健.开源硬件引入物联网工程专业实践教学[J].科技创新导报，2017（1）：158-159.

[3]宋楠，韩广义.Arduino开发从零开始学[M].北京：清华大学出版社，2014：80-82.

[4]许金，叶懋，吴姝芹.实物教学法在电子认知实习中的应用[J].科技视界，2015，（32）：33+97.

[责任编辑：田吉捷]