基于树莓派的开源创新教育平台在电子实践课程中的探索与应用

许 金 李 姮 李 珊 廖秋丽

（桂林电子科技大学机电综合工程训练国家级实验教学示范中心，广西 桂林 541004）

0 引言

我校的国家级实验教学示范中心——机电综合工程训练中心， 作为面向全校电子大类及相关电类专业开设基础实践课程的教学单位， 主要承担着学校大部分工科专业学生的电子工艺实习基础教学和电子产品创新设计制作指导工作。 每学年开设有电子认知实习、电子工程训练I、电子工程训练II 等电子实训课，教学目的在于培养一年级新生对基本电子电路知识的初步认知能力， 以及三年级学生对简单工程项目问题的分析解决能力。 针对此该教学目的， 我训练中心提出基于树莓派开发环境[1]搭建具有创客理念的教学技能训练平台， 将开源硬件引入实践教学， 建立以学生为主体、 理论-实践有机融为一体的电子实践教学体系框架， 激发提升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， 形成切合专业人才培养目标要求的电子实践教学新体系。

1 “开源创新教育平台”总体设计方案

“开源创新教育平台”总体方案是基于树莓派开发环境设计出一套可用于软件开发、 硬件扩展的多功能综合性开源创客教学训练平台。 如图1 所示， 该平台可与电子认知实习、电子工程训练I、电子工程训练II系列课程现有的电子作品从实体硬件或者虚拟软件上实现有机结合， 并融入于开源硬件的教学应用模式，完善整个电子实践训练课程教学软硬件系统。

“开源创新教育平台”是面向电子实训相关课程设计搭建的创新动手技能训练综合教学平台， 涉及电子装配工艺、元器件焊接、外围电路设计、程序编写、拓展项目应用等多项技能的培养。 此平台通过连接不同的外设扩展接口、扩展模块，配置不同开放软件，可为各个课程提供有不同的实验环境， 构建以学生为主体、高度互动、虚实结合的实践环境。 如应用于电子认知实习课程中，平台可作为学生经SMT 工艺实训环节制作装配的Arduino 硬件开发板的软硬件开发环境，充分发挥开源硬件共享性、开放性、协作性[2]的优势；在电子工程训练I 课程中，利用树莓派高速的IO 口制作FM 小型发射台， 与学生经STM 焊接工艺制造装配的AM/FM 收音机构成完整的FM 通信系统； 在电子工程训练II 课程中， 基于该平台实现数字电视盒子功能，结合学生经PCB 设计制版、电子元器件焊接、程序开发与系统组装调试、 系统参数测量四个实训环节制作的液晶数字电视机完成功能完善的智能电视应用。

图1 开源创新教学平台与电子实践课程的融合

2 教学实施与应用方案

面向本中心开设的电子认知实习、 电子工程训练I、电子工程训练II 电子实践训练课程教学，以“开源创新教育平台”为教学平台，围绕授课内容、授课方式和课程评价标准三个方面开展教学改革， 探索实施开源创新教育新模式。

2.1 教学内容的制定

“开源创新教育平台”能以各种不同的身份引入到不同的课程中，有作为工具的，也有作为开发平台的，如何在各课程中制定适宜的教学内容以突出专业定向、开展创客教育[3]、培养学生“Maker”精神，即如何做到“因地制宜”是需要首要解决的问题。 根据各不同专业的专业背景知识制定了不同阶段的教学内容， 构建可柔性扩展的教学模式[4]：

（1）针对在电子认知实习课程中的应用，教学侧重点在于训练学生独立动手能力和实践能力。 鉴于学习此课程的学生时处一年级，专业基础薄弱，“开源创新教育平台” 主要以一种开发工具的学习及使用附加于原课程的教学内容中， 扩展现有课程的软件平台搭建、 语言学习环节。 本中心使用以自主优化设计的Arduino UNO 开源硬件教学开发板为对象开展生产实践， 针对不同专业制定特定实验训练项目， 引导学生认识开源硬件在自身专业的应用场合， 使学生更加充分了解专业定向， 提高学生专业学习兴趣。 开源教学在电子认知实习课程中的教学过程具体分为案例样品演示、开源开发板制造、综合拓展项目实战、作品现场验收评议等四个环节。 学生在此课程中不再是仅仅测量电子元器件、 装配电子产品， 而是需要利用在制造阶段制作的Arduino UNO 开发板作为主控制核心，配合相关外围电路，探究设计一个具有创意的产品；

（2） 针对于在电子工程训练I 和电子工程训练II课程的应用， 学生处在本科三年级阶段， 已具备一定专业基础， 参于此课程重在锻炼其专业应用能力及解决实际问题能力，因此，“开源创新教育平台”不仅作为一种工具使用， 而是能够利用其强大的二次开发能力进行应用开发， 可在教学内容中纳入基本的开发语言学习、外设开发方法、应用开发实例[5]等，通过此平台， 将原独立单一化的生产实训变为整体化的系统性开发实训，更为强化工程意识、创新开发能力的培养。

2.2 教学方法的改革

针对于 “开源创新教育平台” 在不同课程中的应用，应制定多种教学方法：

（1）电子认知实习课程对于“开源创新教育平台”的使用更多的是一种工具的操作学习， 在教学过程中应采用视频演示、实物演示、课件讲授、软件练习、模拟演示、软硬实验、拓展启发、测评讨论等教学方法，以学生开放学习为主、 教师课堂集中教学为辅进行教学；

（2）在电子工程训练I 和电子工程训练II 课程中，“开源创新教育平台”不单是一种工具，更为重要的是一个综合开发平台。 在教学中，以“实例法”为主进行基础能力的教学，以“项目驱动法”完成学生综合能力的培养， 开发学生创新思维， 实现创新理实一体化型教育。

2.3 评价机制的完善

为能突出个体差异化， 充分有效评价学生实践创新应用能力， 课程采用面向于过程和结果权重比各占50%的综合评价机制。在实践过程中，教师可通过平台定向设置简易故障， 需要学生学会利用相关仪器仪表，对故障点进行排查，再经过对原理的分析，结合对故障原因的判断， 通过焊接或修改电路的连接、 更换元器件、 修正程序的流程等操作使电路恢复原有功能， 锻炼学生解决实际问题的真实能力， 并根据对学生实践过程做出真实、 客观的评价， 评定学生过程表现的成绩。 在课程结束时， 采用验收实践课程作品的形式进行评价： 课程作品验收选择不受约束的创意设计的方式， 不以固定的作品进行检验。 学生可以选择单人独立完成一个作品， 也可以以团队的形式完成一个创意作品。 其中针对于团队形式考核， 为考察团队中个人的能力及贡献， 可增加实操考核环节， 侧重点是系统实现过程中的电路调试与故障诊断训练， 弥补原有考核方式中的不足。 作品验收以学生自行评定、大众评定及教师评定等三者共同综合得分作为学生作品环节的成绩。

3 结语

探索搭建基于树莓派开发环境学科交叉融合优势的“开源创新教育平台”，面向于电子认知实习、电子工程训练I、 电子工程训练II 系列电子实践课程实施教学改革， 实现以开源教学应用模式开展开源创客教育，目的培养学生创新精神、激发创新潜能，锻炼创新技能。 该平台能够提升学生综合实践创新能力， 可为全面提高学生动手能力和综合素质及后期专业学习奠定基础， 建立交叉学科一体化并可柔性扩展的教学模式，完善电子实践课程体系的建设。