开源硬件在电子工程训练课程中的应用与探索

叶懋　许金　李姮

【摘 要】本文分析工程训练的现状，阐述Arduino的特点与其在高校工程训练课程中应用的可行性，探讨了Arduino在电子认知实习课程中的应用模式，提出应实施课内实训与课外网络课程、相关竞赛相结合的开设模式。

【关键词】开源硬件 工程训练 创新意识 Arduino

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）09C-0152-03

新形势下大学生创新创业教育有新的需求，应开展基于开源硬件的电子工程训练类课程的改革，以下从电子工程训练中心教育现状、开源硬件可行性分析和课程改革与探索三个方面进行介绍。

一、电子工程训练中心教育现状

多年以来我校电子工程训练中心（以下简称“中心”）所开设的电子工程训练类课程通过大量的实践性操作与训练，培养学生分析和解决现实工程问题的能力，在一定程度上满足了现代化企业对工程技术人员素质训练和培养的需求。从教学内容、教学方法、教学手段来看工程训练是一个极佳的培养具有创新意识和工程素质人才的重要实践性教学环节，是工科课程体系中不可或缺的环节。

中心在成立之初主要承担学生的电子工程训练相关课程，主要开设课程是以黑白电视机的组装和调试为主，在当时技术背景下黑白电视机覆盖了模拟电子电路课程中的大量理论知识和典型电路，这一选择在当时无疑是恰当的。但是随着现代电子技术的发展，传统的黑白电视机的装配调试已经不能反映业界技术发展，甚至随着业界技术与相关理论的不断发展，这种缺陷愈发严重。

从2006年开始中心作为我校国家级实验教学示范中心“机电综合工程训练中心”的重要组成部分，参与了国家级实验示范中心申报、建设与验收工作，并以此为契机开展了一系列的教学改革。新增面向一年级新生的电子认知实习课程，该课程以小型电子产品为载体，以元器件识别、测试、焊接为主体；自主研发了模块化的液晶电视实习平台，使电子工程训练课程的内容从传统的黑白电视机焊接、调试，扩展为PCB设计、PCB小工业设备制作、元器件装配、模块调试、系统调试。实现了基于电子产品设计、生产全周期的综合训练，使学生感受了从单元电路的设计到电子系统构成的过程，培养了学生的实际工程能力和综合素质。中心开设课程以及能力目标如表1所示：

随着近几年教学改革的不断深入与教学活动的开展，电子工程训练中心在实践教学上取得了一定的教学效果，但是一些问题也逐步暴露出来，这些问题主要表现为：

以小型电子产品装配为主的电子认知实习，由于经费限制，只能装配一些技术相对“过时”的电子产品，难以激发学生的主观能动性。

电子工程训练课程覆盖电子产品的设计、装配、调试、测量等环节，由于缺乏培养学生创新意识的环节，导致在课程的开设过程中，大部分学生只能按部就班地完成规定的实训内容，整个过程中处于被动接受的状态，无法发挥主观能动性，更谈不上培养创新意识。

中心开设的两门课程虽然在能力目标上覆盖了教学目标，但是在内容上由于课程载体不同，导致两门课程从整体上缺乏连贯性与系统性。

通过多年的实践教学活动，我们发现如果忽略了课程内涵建设和创新性建设，就会导致学生学习流于表面、被动接受，教学效果不佳，课程最后也就变相成为被动式的“产业工人”上岗培训。

因此，在“后示范中心”时期，在“大众创业、万众创新”大環境下，电子工程训练中心该如何进一步挖掘实践教学的内涵建设，继续丰富工程训练课程内容和优化课程体系，将工程实训课程与学生课外创新活动有机结合起来，为进一步开展学生创新活动搭建一个更加完备的电子工程训练平台，更加切实有效地培养学生创新思维，为大学生创新创业教育服务，成为电子工程训练中心亟待解决的问题。

二、开源硬件可行性分析

当今社会中有一群人，他们通过互联网和共同体活动空间，整合资源与服务，将创意转化成为制品，从而实现价值，这群人就是创客。他们注重在实践中学习新知识，并加以创造性地使用，是“知行合一”的忠实实践者。他们的这些特质与“在实践中教学”的教育思想有很高的契合度。因此，近年来热度越来越高的创客运动，也引起教育界的思考与共鸣。

在创客运动中，由Arduino构建的创客生态系统已蔚然成风，各类基于Arduino的软硬件开发平台、技术资料、配件等已经非常完善，Arduino系列套件具有许多其他传统开发平台无法比拟的优势：

Arduino 套件屏蔽了系统的底层硬件结构和寄存器操作相关信息，即使没有相关硬件基础也可以熟练使用Arduino系列套件。

没有编程基础的人，仅需掌握几个可读性较强的Arduino指令，就可在很短时间内轻松上手，快速应用。

得益于CC协议，Arduino在网络上有大量第三方共享软硬件资源、用户基数庞大的网络社区和各种各样的学习资源。在这些共享资源辅助下，通过资源整合，能够提升开发效率，加快作品的创作速度，甚至是加快“产品”优化的迭代速度。

综合各方面的因素，将Arduino UNO引入到电子认知实习课程中是一个适宜选择，理由如下：

相对于在课程中完成的“作品”在课程结束后就被束之高阁，中心更希望看到这些作品能够在学生的创新活动和后续课程中起到一定的积极作用。幸运的是，我校各学院以及国内很多高校的教师探索在C语言程序设计、机械控制、自动控制等课程中引入开源硬件，所有这些为后续Arduino的应用奠定了良好的基础。

大学新生具有灵活、开放、好奇的个性，他们对新事物有强烈兴趣，创新意识相对较强；另一方面大学新生心理承受能力弱，遇到失败容易受挫。因此，与收音机、充电器一类的小型电子产品相比，Arduino UNO易上手，且有种类繁多的外设模块，可以最大限度地引起大学新生的兴趣并不断激发他们的创造性。endprint

三、电子工程训练中心课程改革与探索

（一）引入开源硬件，深化电子认知课程改革

在将Arduino UNO引入到电子认知实习课程的教学改革中，首先考虑的是大学新生作为手工焊接工艺的初学者，需要能使用普通电烙铁对Arduino电路板进行检修。因此在保证与Arduino 系列开源硬件兼容的基础上对其进行了一定的修改，修改后的兼容板命名为GDuino UNO，如图1所示：

GDuino UNO的具体修改内容主要包括：

元器件选型本土化。在满足相同功能的前提下，选用国产芯片，将部分元器件本土化。GDuino UNO选取封装类型为SOP-16的CH340G来实现USB转串口功能，替代官方Arduino UNO中封装为MLF32的ATmega8USB转串口方案。一方面减少了外围电路，简化了后期检修的复杂度，降低了初学者自主维修的困难，另一方面节约了器件的成本。

元器件类型单一化。在官方Arduino UNO开发板中，两个晶振采用不同封装类型进行安装。考虑到GDuino UNO的应用环境，无需对晶振类型提出特殊要求，因此将两个晶振统一采用封装类型为SMD-5032的四脚无源晶振。统一晶振封装类型减小了初学者识别元器件的难度。基于同样的考虑，在不影响整体性能的情况下，将Arduino UNO中的贴片铝电解电容替换为封装为1206的贴片陶瓷电容。Arduino UNO中贴片电阻都采用0603*4的排阻，为了让初学者更好地识别、区分贴片电阻和电容，GDuino UNO中贴片电阻和贴片电容都使用了相同的0603封装规格。

元器件封装简单化。将官方原理图中起电源选择作用的LMV358运算放大器的封装类型更换为常见的SOP-8类型，以USB-A型USB母座替换Arduino UNO中USB-B型。如此更改的目的在于增加初学者手工焊接的成功率，降低初学者焊接GDuino UNO时的硬件故障率。

中心将电子认知实习分为三个有机部分——GDuino SMT工艺实训、混合器件认知贴装、开源硬件编程。

参考原来装配小型电子产品的成功率，按照每年2100人计算，约有400人的作品是不能正常工作的。为了保证学生制作的GDuino的品质，为了让每个同学的板子都能在后续的课程中发挥应有作用，GDuino上的贴片器件统一使用SMT自动生产线进行装配，引入SMT生产线后不仅提高了成功率，同时也能帮助学生建立初步的工程意识，形成对SMT技术的基本认知。SMT工艺实训环节通过现代电子产品先进制造实践训练，使学生获得了现代工业生产方式和生产工艺过程的基本认识。

为了弥补引入SMT全自动生产线而削弱教学环节，增加混合器件认知贴装环节。该环节的主要目的是完成教学大纲中的常见器件的识别与检测，通孔和贴片器件的手工拆、焊，在本环节中特别对SOP封装芯片的拆焊做了强化训练，目的是为了让学生能够手工维修SMT线上的瑕疵产品而做相应的技术准备。

针对开源硬件的特点，增加了4个难度递增的课内验证性实验，主要是为了完成初步软件编程入门。完成4个验证性实验后，最后要求综合应用这4个实验内容完成一个具有一定创意的项目。各实验的教学目标如表2所示：

在面向大学新生开设的电子认知实习课程引入GDuino后，取得了一系列良好的教学效果。在最后的创意项目中，有同学实现了呼吸灯，了解了PWM原理，有同学利用随机函数做了流水灯，也有利用红外热释传感器实现了LCD1602屏幕背光控制等自动控制电路，而这些知识都是大二，甚至是大三才接触到的。由此可见Arduino兼容板极大地发挥了学生的主观能动性，培养了学生的创新意识和实践能力。

（二）利用网络课程平台，营造多样化实践环境

开源硬件不需要使用者了解底层硬件知识，这对于需要快速实现创意的创客而言，或许是最佳选择。但是这一特点，对于需要学习并掌握底层硬件知识的电子信息类专业学生，可能就不是一个最佳选择。因此需要有针对性地引导、推动学生进行底层硬件的学习。

受工程训练的课程特点以及课时的限制，不可能在课内对开源硬件底层硬件知识进行深入细致的讲解。因此中心依托我校的漓江学堂网络平台，专门建立一整套讲解Arduino UNO硬件相关知识的网络课程，作为电子认知实习课程中硬件底层知识不足的有益补充。利用网络平台改善和拓宽了学生自主学习的条件和实践创新的途径，为学生营造了自主学习、团队协作、师生互动的多样化实践环境。

（三）探索开展多彩竞赛，助力创新教育

积极组织课外开源硬件竞赛，扩大学生受益面，推动学生创新活动。为克服全国大学生电子设计竞赛门槛较高、覆盖面相对较窄的缺点，面向全校不定期开展两种方式的竞赛。一种是创意竞赛，创意竞赛利用学生手中的Arduino UNO兼容板、学生自制模块以及第三方模块，实现自己团队的创意。另一种是特定题目的竞赛，竞赛要求学生使用统一的开源硬件主控板和其他相关的硬件模块完成特定项目。创意实现竞赛可以促进学生自由组队，实现不同专业学生进行创新实践，为学生提供学科发展、交叉、融合的平台，进而扩大创新教育的覆盖面。特定题目竞赛能促使学生团队去钻研开源硬件，两种竞赛互为动力，在学生覆盖面和学习深度方面实现良性循环。

四、后续改革方向

经过近两年的建设与教学实践，从教学效果上看，将开源硬件引入电子认知课程中对学生提升学习的主动性和创新性具有良好效果，未来电子工程训练中心将在以下方面作改革探索：探索以开源硬件为基础、以项目驱动为手段、注重学生个性化发展和培养学生创新性为导向的电子工程训练课程开设方式，從而形成以电子认知实习为基础训练层，普及开源硬件知识，激发学生兴趣；以网络课程和多样化竞赛为提高综合设计层；以改革后电子工程训练课程为自主创新层；由原来的“师傅带徒弟”式的传授向以教师为主导，以学生为主体的师生互动型传授方式转变。鼓励学生以项目为切入点，通过实践过程培养学生的工程意识和创新能力，从而完善电子工程训练中心基于开源硬件的三层次、多模块的工程训练体系。

【参考文献】

[1]马鹏举，邱玉婷，张兴华.探讨实验教学示范中心建成后工程训练亟待解决的问题[J].实验技术与管理，2015（12）

[2]克里斯·安德森.创客：新工业革命[M].北京：中信出版社，2012

[3]王德宇，徐思彦，李正风.创客模式：工程教育与产业实践融合的驱动力[J].现代教育技术，2016（3）

[4]贾杰.创客教育与高等院校工程训练的融合[J].实验技术与管理，2015（12）

[5]邓欣，王进，于洪，等.开源硬件在“智能机器人”实践课程中的应用[J].计算机教育，2015（18）

[6]赵广元，王文庆，蔡秀梅.开源硬件在自动化专业教学中的应用模式初探[J].实验室研究与探索，2013（11）

[7]刘福祥.开源硬件在电气专业教学中的实践与思考[J].职业，2015（30）

【基金项目】2016年度广西高等教育本科教学改革工程一般项目B类（2016JGB227）；2017年度广西高等教育本科教学改革工程重点项目（2017JGZ126）；桂林电子科技大学教学改革资助项目（JGB201430）；大学生创新创业计划项目（201510595050）

【作者简介】叶 懋（1979— ），男，贵州赫章人，硕士，桂林电子科技大学讲师，研究方向：工程实践教学。

（责编 丁 梦）endprint