面向电子实践课程的开源创新教学平台设计与应用

李姮 许金 李珊 李辉

【摘 要】基于树莓派软硬件开发环境，结合电子实践课程培养现状，提出了搭建具有创客理念、学科交叉融合优势的开源理实一体化创新教学平台，将开源硬件引入电子训练实践教学，实施开源创客的教学应用模式，并构建针对电子实践课程的理实一体化评价机制，目的培养学生创新意识、创新思维与技能，以提升综合实践创新能力。

【关键词】开源;电子实践教学;树莓派

中图分类号： TP315 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）23-0097-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.043

0 引言

现阶段国内高校普遍开设的电子实训课程在大学生创客教育环节中具有公认的重要性，是提高学生独立动手能力、创新思维能力，造就创新型人才的有效途径[1]。而创客教育重要的技术工具类型之一则是开源硬件[2]，开源硬件的出现降低了创造、创新的门槛和成本，将开源硬件教学作为一种新的教学模式引入到创客日常教学中来，有利于加深对课程体系和知识结构的理解，进而转变成实践与探索相结伴的学习模式，充分体现创客教育理念。

1 电子实践课程现状分析

本校的基础实验教学单位——电子工程训练中心主要承担着学校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[3]，面向高校工科专业开设有“电子认知实习”、“电子工程训练I”、“电子工程训练II”三门电子实践性教学课程如表1。

以上三门电子实践课程的实习周期占据35-105个学时，基本是利用训练中心自身条件完成如门铃电路、收音机、液晶电视机等若干个小型电子产品套件的拆装、测量与调试工作。若继续沿用当前传统的教学操作，难以突出学生个性特点，同时由于实践条件受限导致学生实践创新意识未能切实发挥[4]，创新氛围不够浓、途径单一、成效不明显;此外实践课程相对独立，缺乏有机联系，多个实践课程之间整合度不够，缺少联动交叉性，不利于学生实践创新能力培养和锻炼。因此，要从基础上提高学生的实践能力和工程素养，就需要结合学校多学科的专业培养目标、专业实际，对传统电子实训教学的教学环境平台构建、课程资源建设、教学评价体系等方面进行交互创新与改革。

2 开源理实一体化创新教学平台设计特色

本实训中心以电子实践课程为基础，设计开发了一套基于Raspberry Pi（树莓派）环境[5]的开源理实一体化创新训练教学平台，采用跨平台编译、移植常用工具和开发环境构建平台的上层软件架构，选用合适的树莓派版本及外围接口模块，搭建实现基本交互能力的操作系统。设计基本原则是依据开设课程定额的学生人数，在现有实训机房硬件资源基础上，通过显示器、树莓派、外设以及外围接口构建具有可扩展、可开发、可移植特点的教学平台，满足批量化多人次教学。其不仅能像普通PC一样作为教学开发工具，还能作为应用开发平台，进行二次开发，实现外设扩展，丰富平台功能。平台特色之处在于通过低投入成本的树莓派进行硬件设计与系统开发，既可以作为上位机实现应用开发终端，也可以作为下位机完成现场外设控制，具有共享、开放、协作等特点，是实现集常用工具、应用开发、编程扩展等一体化的综合实训平台。

3 课程改革总体方案及在实践教学体系中的应用

开源理实一体化创新教学总体思路是基于树莓派环境设计一套可用于软件教学、硬件扩展、应用编程的多功能综合性开源创客教学训练平台，探索一种将应用融入于开源硬件教学，实施开源创客的教学应用模式，即在对学生动手操作技能训练的基础上，以通过增加专业多学科基础应用的学习与开源项目设计实践性教学环节的比重，侧重培养学生探索与创新精神，从而使其具备较强的创意性设计和技术改造能力。

3.1 面向“电子认知实习”课程教学改革中的应用

开源理实一体化创新教学平台应用于“电子认知实习”中，该平台可通过HDMI接口连接树莓派与外设显示器，树莓派USB接口连接键鼠构成人机交互界面，来搭建学生制作装配的Arduino硬件开发板的软硬件开发环境。如表2所示，开源教学在电子认知实习课程中的教学过程具体分为演示、制造、实践、验收等四个应用创新模式，变枯燥无味的测量性实验为创新型探究性实验，充分激发学生的创新潜能。整个教学过程均采用演示教学和实践操作相铺结合的教学方法，课程内容以项目为载体，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。

学生首先通过开源硬件的样例作品演示，形成课堂演示案例，以兴趣为导向进行教学。面向电子类专业学生，演示阶段的作品选取如光立方、激光雕刻机、自平衡两轮小车等专业性和趣味性都较强的项目，培养学生对电子技术、控制技术、光电信息技术的认知能力;而针对于机电专业学生，演示阶段的作品选择多维运动平台、3D打印机等机电结合的项目，引导学生认识机电结合的应用场合，使学生初步了解专业定向，激发学生的学习主动性;针对非电类专业，则应选择创意性较强、形象化的作品如跟随复写系统、智能花盆、旋转LED等，重在激发学生创意和想法。其次再利用SMT工艺制造实训环节中自制开源硬件开发板，最后实现电路搭建、IDE环境编程学习、创意项目开发。

在电子认知实习课程中引入开源硬件进行教學具备较强的可行性。一方面，向课程中注入新的血液，弥补电子认知实习课程创新性不足的问题，另一方面，极大提升学生的学习兴趣，充分激发学生的创新潜能，变测量性实验为探究性实验，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电子产品作为主控制中心，配合相关外围电路，自主探究设计一个具有创意的产品[3]，旨在从大一新生开始培育建立“共享、开放、协作”的理实一体化工程思维。

3.2 面向“电子工程训练I”课程教学改革中的应用

开源理实一体化创新教学平台应用于“电子工程训练I”中，该平台可通过GPIO扩展接口制作FM调频无线电发射器，实现小型电台，与本课程学生完成的电子产品——AM/FM收音機结合设计一部无线电台收发装置，有力激发学生学习兴趣，使得学生立体化理解通信原理基本理论知识。进而再通过独立完成收音机套件的电路设计、装配调试，锻炼学生动手实践能力的同时，也能够锻炼学生电子电路设计、应用开发、软件编程等工程开发能力。此外，采用新的基于结果型和过程型的综合考核评价体系，客观且直观的评价学生学习情况，可以更全面培养考核学生创新能力，开展理实一体化教育。

3.3 面向“电子工程训练II”课程教学改革中的应用

开源理实一体化创新教学平台应用于“电子工程训练II”中，该平台融合了Linux系统、开放软件，可基于软件虚拟搭建网络电视播放器，配合GPIO扩展接口解码红外遥控，开发智能电视盒子，进而与本课程学生完成的电子产品——液晶电视相结合，可实现“闭环”式专业知识教育，让学生能充分理解电视机工作原理、电视发射机工作原理。通过PCB设计制造、元件测试焊接、系统组装调试、电气参数测试等多个环节，学生以分组形式共同完成一部综合性电子产品的制作。整体教学过程以产品过程，项目的构思、设计、实施和运行全生命周期为背景的教育理念为载体，以主动地、实践地、学习举一反三的运行机制培养学生的创新能力。

4 结语

围绕创客教育的开展理念与开源硬件的新兴技术应用优势，本项目设计提供的向于电子实训教学系列课程中的开源创新教学平台，以培养学生发散性思维、工程素养、实践能力和创新精神为目标，以开放性、综合性、实践性、创造性为特征，是为解决高校教育体制中创新能力培养不足而实施的一系列创新动手技能训练的综合教学平台，在探索完善电子实训教学体系建设中起着关键枢纽作用。

【参考文献】

[1]李鹏，石剑民，徐嵩.深化电子实习教育改革提高学生实践创新能力[J].科教导刊（上旬刊），2013（06）：123-124.

[2]井仁仁.开源硬件对技术教育发展的影响研究[D].南京师范大学，2018.

[3]许金，李姮，李珊，廖秋丽.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[J].科技视界，2019（09）：137-138.

[4]谢明华，刘辉，王新辉，马凌云.地方性应用型本科电子实习教学改革与实践[J].中国电力教育，2013（23）：99-100.

[5]Eben Upton， Gareth Halfacree.树莓派用户指南[M].北京： 人民邮电出版社，2016.