Arduino创客项目在工程训练中的应用

饶珺

【摘要】工程训练是提高学生创新实践能力的重要课程，在工程训练教学中，引入创客项目对“新工科”建设大背景下的高校教学改革有重要意义。创客项目既体现了创客教育，也融合了STEM理念。依托工程训练中心搭建创客基地，不仅有利于培养创新技术人才，也能提高中心资源利用率。本文以“测距报警系统”项目的设计过程为例，提出学生基于Arduino平台开发系统、搭建电路进行调试的要求，以此响应工程训练的教学宗旨，提高学生的创新和实践能力。

【关键词】工程训练 STEM教育 创客教育 实践教学 Arduino

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）44-0226-02

1.STEM、创客教育

（1）STEM教育

为适应当今电子信息技术的发展，提高学生专业技能和就业率，高等院校越来越注重STEM教育，即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）、数学（Mathematics）教育。STEM教育理念是包容性較强的跨学科综合素养教育，包括计算机科学、调查研究、创造与革新、人文、艺术、体育等知识，旨在打破学科领域边界，培养学生的科技理工素养和创新能力[1]。

STEM教育中心对STEM教育的解释是“STEM教育是关于学生参与的学习，是基于项目的学习，它运用科学探究过程和工程设计过程，是跨学科的，是关于积极学习的，是关于合作和团队工作的，是关于解决实际问题的……”。STEM教育是基于项目的学习，使学生在知识应用过程中不断创造、设计、建构、发现、合作并解决问题[2]。

（2）创客教育

传统的科技创新是以技术发展为向导、科研人员为主体、实验室为载体，随着社会的发展，以用户为中心、社会为舞台的创新2.0模式开始蓬勃发展。近年来在校园内外发展起来的创客（Maker）热潮就是创新模式的转变[3]。“创客”指拥有特定知识含量，具备创新、实践、共享、交流的意识，愿意挑战技术难题并将创意转变为现实的人。

创客教育是创客文化与教育的结合，基于学生兴趣，以项目学习的方式，使用数字化工具，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育[4]。在高校开展创客教育不仅可以激发学生的创新热情、培养其实践能力，也可以提高学生乐于分享的道德品质[5]。

（3）STEM教育和创客教育的关系

STEM教育是教育改革的组成部分，创客教育起源于社会文化，两者是从不同维度描述同一教育内容。大部分创客项目都具有明显的STEM特征，分散的学科知识通过创客项目的“造物”过程紧密结合。如图1所示，两个椭圆区域分别代表STEM教育、创客教育，重叠部分为“造物的跨学科学习”[4]。

STEM教育和创客教育的教学模式一般包括基于设计的学习（简称DBL）和基于项目的学习（简称PBL），两种教学模式都能促进学生的创新、解决问题的能力。在教学过程中，不用刻意区分两者区别，STEM、创客教育是相互补充相互促进的[1]。

2.将Arduino创客项目引入工程训练的意义

工程训练是高等教育改革发展中一门新型实践课程，将基本的工艺理论知识和实践相结合，是培养学生实践能力和创新意识的重要教育环节。训练内容从传统的机械制造、电子工艺、工业自动化控制逐步扩大到3D打印、激光雕刻、机器人及智能制造等。将创客项目引入工程训练能加深学生对工程训练内容的掌握程度，能提高学生创造及团队合作能力，培养将科研成果转换为产品的技能型人才，在项目创造过程中充分体现工程训练中心的硬件和软件资源优势[5][6]。

开发创客项目的工具有很多，例如Raspberry，Eddison， Arduino等。不同工具对应的特点和适用人群不同，基于 Arduino平台的创客项目，有操作简单、拓展性强、价格低廉等特点[7][8][9]，具体如下：

（1）Arduino电路板具有体积小、易于摆放，具有丰富的外围模块，能很好的实现与其它电子元器件的对接，从而实现项目开发和应用。

（2）Arduino平台开发语言简单清晰，适合初学者入门学习。

（3）Arduino平台开发环境支持Windows、Mac OS、Linux等系统，可在大多数计算机操作系统运行。

（4）Arduino平台坚持开源理念，在网络上容易找到大量共享资源，在协议范围内，也可以对源程序和代码进行二次开发[10][11]。

3.测距报警系统设计

为推动汽车安全技术的发展，以传感器和电子信息技术为基础的智能驾驶安全辅助控制技术成为智能车辆研究和开发设计的焦点。在创客实验室条件下，可以使用智能小车模拟真实汽车，对测距报警系统进行设计研究[12]。以超声波测距报警系统的设计过程为例，学生在工程训练中通过软硬件环境的搭建，自主设计完成简单的创客项目。测距报警系统项目涉及的外围硬件产品包括：

（1）超声波传感器

超声波传感器可实时测量障碍物的距离，有敏感范围大、无视觉盲区、不受障碍物干扰等特点。超声波是频率高于20KHz的机械波，超声波传感器利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，实现对各参量的测量[13]。参照图2（b），超声波测距传感器触发信号后发射超声波，当超声波投射到障碍物反射回来时，输出回响信号，通过计算触发信号和回响信号间的时间差，来计算障碍物的距离。

（2）共阳极RGB LED灯

RGB（红绿蓝）LED封装内，有三个LED，包括红色、绿色和蓝色。通过控制各个LED的亮度，可以混合显示所需颜色。共阳极RGB LED共有4个引脚，最长的引脚为正极，连接+5V，其他3个引脚可连接Arduino的PWM输出口。

（3）面包板和杜邦线

面包板和杜邦线是創客项目中的必需品，面包板上的小插孔可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，使电子元器件可以重复使用。杜邦线用于面包板的引脚扩展，可牢靠地和插针连接，耐用性高。在电子电路的组装、调试中，通过面包板和杜邦线的连接，可节省电路的组装时间，有利于电子电路项目的开展。

结合项目要求，学生首先对测距报警系统制作流程图，如图3。根据流程图，使用Arduino IDE编写程序并通过连接硬件进行调试，直到完成项目目标。

4.结束语

工程训练的目标是培养创新应用型和技术技能型人才，创客项目是达到此目标的有效举措。Arduino的学习是一种基于项目的学习模式，既体现了创客教育，也融合了STEM理念。将Arduino创客项目引入工程训练的教学方法不仅能激发学生的创新性思维和创造热情，也有利于学生交叉学科的学习。在“新工科”建设的大背景下，高校应依托工程训练中心搭建Arduino创客项目平台，通过不断改革、探索，培养更多高质量人才。

参考文献：

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[2]谢作如.创客教育和STEM教育关系之辨析[J].中国现代教育装备，2017，（4）：16-19.

[3]王佑镁，叶爱敏.从创客空间到众创空间：基于创新2.0的功能模型与服务路径[J].电化教育研究，2015，（11）：5-8.

[4]谢作如.创客教育和STEM教育关系之辨析[J].中国现代教育装备，2017，（4）：16-19.

[5]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）： 30-35.

[6]韦相贵，傅水根，张科研，等.工程训练中心建设与管理问题探讨[J].实验技术与管理，2016，（2）：130-132.

[7]钟柏昌，张禄.Arduino机器人设计与制作[M].河北：河北教育出版社，2016.4-8.

[8]王坤.基于Arduino的高职院校创新实训平台建设[J].电子技术与软件工程，2018，（11）：44.

[9]于洋.基于Arduino的自动避障及通信控制智能小车系统的研究与设计[D].吉林：吉林大学，2017.6-11.

[10]邓锐.基于Arduino的“能移动的小车”拓展课教学设计的研究[D].上海：上海师范大学，2016. 4-11.

[11]Jeremy Blum著.况琪，王俊升译.Arduino魔法书：实现梦想的工具和技术[M].北京：电子工业出版社， 2014.3-17.

[12]胡珂.基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究[D].西安：长安大学，2015.1-5

[13]马爱霞，徐音.超声波传感器原理及应用[J].科技风，2016，（1）：109.