Arduino在工科低年级开放实验项目中的实践探讨

2019-06-05李结松

大学教育 2019年6期

李结松

[摘要]许多高校都开设了开放实验室，但低年级学生参与度不高，主要原因在于开放实验项目不能契合低年级学生的需求。为了满足学生参加电子竞赛和申报大学生创新项目的需要，广州医科大学生物医学工程实验中心在开放实验室中开设了Arduino项目，通过聘请高年级学生担任助理实验师的做法，开展了基础实验项目以及综合拓展项目，使低年级学生的动手能力得到明显提升。

[关键词]Arduino;低年级;工科;开放实验室

[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）06-0085-03

为了提升学生实践动手能力和创新创业能力，近年来很多高校对实验室开放进行了探索和尝试，开设了许多综合性实验和设计性实验，各高校设立开放实验室已经成为共识，开放实验室成为培养创新型人才的重要基地[1]。但从实际运行效果看，部分学生参与度并不高，特别是低年级学生没有太大积极性。笔者与大一、大二学生进行了深入交流，发现主要原因有两点：一是面向低年级学生开放的实验项目少且吸引力不足，二是指导开放实验的师资不足。经过几年的摸索，广州医科大学在生物医学工程专业低年级开设了Arduino的开放实验项目，通过聘请高年级学生勤工俭学做助理实验师的做法，极大地提升了低年级学生对开放实验项目的参与度，取得了较好的成效。

一、Arduino简介

Arduino 是一种开源电子平台。该平台起源于意大利，主要基于AVR单片机微控制器和相应的开发软件而设计，最初是为一些非电子工程专业的学生而设计。自从2005年Arduino推出以来，市场上已经推出了各式各样的Arduino版本，受到了许多电子发烧友的广泛关注[2]。由于Arduino具有高度的模块化特点，因此有时叫它“电子积木”[3]。

Arduino包括一块具备I/O功能的电路板以及一套程序开发软件[4]。Arduino可以用来开发交互式产品，比如它可以读取開关和传感器信号，也可以控制电灯、电机和其他各式各样的物理设备[5];Arduino 还可以开发出与PC相连的外围装置，与PC进行通信。Arduino的硬件电路板可以采用下图所示的现成电路板，也可以自行焊接组装，而程序开发环境的软件则可以从官网下载[6]。

Arduino主要核心资源是ATMEGA328，内置Flash 32 KB ，时钟频率 16 MHz。主流UNO大都采用了USB to Serial 芯片，不仅降低了成本，更主要的是使得Arduino UNO 在PC 端可以显示为一个USB 设备，使用更加便捷[7]。Arduino UNO 具有14个数字I/O口（其中带～标号的6个数字端口可以作为PWM端口），6个模拟I/O 口，一个复位开关，一个ICSP下载口，支持USB接口，可通过USB 接口供电，也可以使用单独的电源供电[8]。Arduino开发板如下图所示：

二、Arduino在工科低年级专业开设的必要性

（一）提高工科生实践动手能力的需要

近几年各用人单位越来越重视毕业生的动手能力和实践操作水平，因此各大高校十分重视实践教学管理，支持本科生参与科研活动，早做课题，早进团队，希望以科研促进教学，以此促进创新型人才的培养[9]。但在实际的教学过程中，大多数学生编程基础薄弱，加上硬件实验设备具有封闭性，无法激发学生的学习兴趣，抑制了学生的创新能力。

（二）参加电子竞赛和大学生创新项目的需要

每年有数以万计的本科一、二年级学生参加全国或者省级的电子设计竞赛活动，迫切需要学习单片机的相关知识。但目前国内理工科院校的单片机原理与应用课程，一般开设在第五学期，无法满足低年级学生的需求。此外，还有部分学生申报大学生创新项目，也需要提前学习掌握单片机知识。

（三）Arduino平台简单易用、成本低

Arduino作为一款开源电子平台，有很强的易用性和扩展性，该实验平台不需要学生掌握复杂的编程语言，只需了解其函数用法即可进行创新应用设计，可以被初学者轻松掌握，对于高级用户也具有足够的灵活性。Arduino的官方Web站点包含丰富的源代码，其中的代码样例和示例都是免费共享的，硬件也是开源的。Arduino的很多案例代码都能在相关技术论坛得到，初学者只要下载、学习、修改、烧录、调试，即可得到自己的项目，这也使其很快在不同领域得到了越来越广泛的应用[10]。

此外，Arduino开发板价格低廉，在网上购买套件不足200元，在开放实验室经费紧张的情形下，推广成本低。

三、Arduino实验项目的开展流程

（一）选拔高年级学生作为实验辅导的主干力量

Arduino项目虽然入门容易，但对于大一、大二的学生来说，仍然是有一定的门槛。在带教开放实验的师资不足之情形下，我们选定了数名基础知识扎实的大三学生，对他们进行培训，并为他们申请设立勤工助学岗位，让他们以助理实验师的身份，每周利用一次晚上的时间，带着低年级学生开展实验项目。

（二）加强学生实验前的预习环节

为了减少实验中的讲授时间，将更多的时间留给学生进行实际操作，要求学生提前观看教学视频，视频的内容与该次实验密切相关，教学视频的内容主要来源于网络或者以前的教学内容。

（三）加强实验中的交流互动

开放实验活动每周开展一次，每次持续3节课时间。第一节课前15分钟用来和学生交流，了解和检查课前观看视频的情况，并对上次的课后实验作业进行检查和探讨;接下来的25分钟用来讲解实验计划中安排的授课内容;第二、三节课开展1～2个实验项目。因低年级学生尚未接触专业基础知识，在实验项目过程中许多学生会提出各种问题，这时需要及时在课堂上予以解决，否则会影响学习积极性。为此，在前面几次的实验项目中，需要配备5～6名辅导人员，这期间会有大量双向交流，学生们学起来不会感到十分费力，几乎所有学生都能在实验时间段内完成基础实验。

（四）加强实验后的效果评估与考核

所有学生都需要撰写和提交实验报告。此外，通过教学评估软件，所有学生扫描二维码，完成在线评价，用来评估本周的学习目标是否达到，并可提出实验改进意见。

四、Arduino实验项目的开展内容

经过摸索，我们设立了10个深入浅出的基础实验项目和1个综合拓展实验项目。这些项目，如果用传统单片机平台来做，冗长复杂的代码早已让学生望而却步。而用Arduino平台来完成，Arduino 自带的 I/O 接口以及扩展板能与各种传感器、步进电机、蓝牙、舵机等相连。由于是开源硬件，各类软件库资源十分丰富，初学者只要根据示例代码稍加修改调试，即可得到自己的项目，学生上手容易，极大提高了他们的兴趣和自信心。

（一）基础实验项目示例

1.LED闪烁器

实验效果：面包板上LED每隔1秒交替亮灭1次。该实验项目类似于经典编程语言的“Hello，World”。

2.交通信号灯

实验效果：三色LED信号灯从绿灯亮变成黄灯亮，再变成红灯亮，然后重新开始。

3.警报器

实验效果：当有人经过时，压电扬声器发出一高一低的警报声。

4.简单的电机控制系统

实验效果：变阻器旋钮旋转到最左侧，电机停止;向右旋转，电机加速，直到旋转到最右端，电机获得最大速度。

5.二进制计数器

实验效果：驱动8个独立的LED，每个LED独立点亮和熄灭，它们每秒变化1次，以二进制方式从0加到255，之后再重新开始。

6.LED点阵显示简单动画

实验效果：在8[×]8LED点阵矩阵上显示一个心形图案，持续时间大约半秒后，显示器上原来亮的LED灭，灭的LED点亮，这种明暗转换使图案呈现出简单的动画效果。

7.基本LCD控制

实验效果：在LCD上显示“Guangzhou Medical University”。

8.温度传感器[11]

实验效果：使用DS18B20采集温度，并在LCD上显示出来。当手指触摸温度传感器时，实时显示手指温度。

9.简单舵机控制

实验效果：旋转可变电位器，使舵机在0至180度范围内灵活转动。

10.超声测距[12]

实验效果：将传感器静放在桌子上，测量传感器与天花板之间的距离，将距离显示在LCD上。

（二）综合拓展实验项目示例：智能小车的组装与设计

为了进一步培养学生的动手创新能力，我校开放实验室还开展了综合拓展项目：智能小车的组装与设计。该项目包含了UNO主板、超声模块、红光模块、蓝牙模块、电机及电机驱动模块，器件模块都是套装，无需焊接，只需将传感器直接插在扩展板上即可，相比传统面包板实验，省去了搭电路的麻烦，学生可以直观感受，大大激发了学生的求知欲和创造力。智能小车的主要构造如下图所示：

在综合实验环节中，首先需要掌握智能小车的基本功能，再让学生由浅入深，逐一加上传感器模块完成以下实验项目：

1.智能小车的组装。在多功能平台上固定主控板、四轮驱动套件和传感器支架等，使小车能够完成电动驱动行驶。

2.巡线小车。加入红外探测模块，使智能小车可以在画有黑线的白色路面上行驶。由于黑色和白色对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”——黑线。

3.避障小车。避障模块是通过超声波传感器和红外传感器实现的。超声波发射器向某一方向发射超声波，当遇到障碍物立即反射回来，通过发射与接收到超声波的时间差可计算小车与障碍物之间的距离，从而实现避障功能。红外避障的原理是当发射的红外线遇到障碍物时，被反射到接收传感器，传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物。

4.手机APP遥控小车。基于BLE-LINK 蓝牙4.0模块实现Android手机对智能小车的遥控，通过Android手机的终端程序，借助蓝牙模块实现对智能小车的基本控制（前进、后退、左转、右转、停止）。

学生通过主动学习，反复实验，逐一解决出现的各种问题，如通讯不灵敏、小车速度调整等，在这个过程中可以迅速提升学生分析问题、解决问题的能力，有利于创造思维能力的培养。

五、实验项目开展成效

通过在大学低年级中引入Arduino项目，建立开源硬件的创新能力培养平台，引导学生尽可能早地接触电子信息领域的专业知识，成效比较明显。

（一）学生申报校级大学生创新项目数量增多

2016年开展Arduino项目之前，生物医学工程专业的学生每年申报成功的大学生创新项目为1～2项，2016～2018年这一数据增加为3～4项，其中有2项成功申报为省级大学生创新项目。

（二）在全国、省级大学生电子设计大赛中成绩有所突破

2016年之前，我校仅获得省级电子设计竞赛三等奖1项。而近两年在全国、省级大学生电子设计竞赛中，我校获得省级一等奖1项、二等奖2项、三等奖3项，其中有4个奖项都运用到Arduino平台。2017年由大一、大二学生组队完成的光定位项目，获得了广东省赛区二等奖，打破了低年级学生获奖难的瓶颈。

（三）动手能力、编程能力和创新能力明显提升

由于較早使用C语言编程，为后面的单片机开发和嵌入式系统学习打下了坚实的基础，学生的知识应用创新能力在大四的毕业设计中也得到了很好的体现。

因此，在工科低年级学生中开展Arduino开放实验项目，可有效激发学生的学习兴趣，充分调动学生的学习积极性，激发学生的想象力和创新精神，对培养提升本科生的实践应用能力是值得探索的。

[ 参考文献 ]