开源硬件电类专业大一新生综合实验设计

中南大学自动化学院 夏 鄂 刘旭明

设计基于开源硬件的大一专业新生综合实验，电类专业新生课上通过完成基于开源硬件巡逻机器人综合实验。分析了新生课中综合实验的平台选择、教学目标、教学过程与内容。大一新生通过完成自主综合实验，提高了新生工程实践和创新能力以及专业了解和认可。

新生研讨课为大一新生开设课程，课程由专业课教师、教育管理教师、大一新生共同互动交流，通过适应性、体验式的教学模式，引导大一新生尽快适应大学学习生活，增加学生对专业了解和认同，激发学生专业学习兴趣。

教学团队结合高校教学改革和创新创业教育实际需求，在电类专业新生课中开设基于开源硬件的新生综合实验。

文章针对电类专业新生课开设基于开源硬件的综合实验进行了探索与实践，从教学内容、教学模式、教学效果等方面进行探讨和总结。

1 新生综合实验开设的目的

1.1 激发大一新生专业学习兴趣

新生综合实验通过在大一新生课中基于项目的体验式学习，通过动手、实践解决有价值的工程问题，培养工程意识，学习专业基本的知识、训练方法和技能，了解专业的发展方向、学习方法加强对专业和学科的认知认同，使学生专业学习之前就对专业课程初步的感性认识。

1.2 培养大一新生自主学习能力

新生综合实验内容采取分层设计，由教师引导学生逐步完成实验任务，教师加强学生学习方法指导，教师和同学线上线下交流沟通措施，转变中学包办式学习依赖思维，由被动学习到自主探研究学习转变，促使大学新生克服中学应试教育影响为大学甚至终身学习打下良好的害础。

1.3 培养大一新生创新精神实践能力

新生综合实验注重培养学生的创新意识，通过综合性有挑战度的实践，无论学生最后结果、完成度创新性如何，实践过程培养学生较强的动手实践能力和创新能力，学生从而有信心和兴趣完成更高难度的创新实践。

2 实验教学组织与实施

2.1 平台选择

大一新生仅学习高数、英语等基础课程，理论知识薄弱，动手实践能力差。因此实验平台选择上手方便最具有代表性的开源硬件Arduino单片机。Arduino单片机是作为诞生意大利典型代表开源硬件平台之一，价格低廉、方便携节、扩展性强；与传统51单片机不同，Arduino不需要了解单片机内部结构和寄存器原理，尤其是学生只需事握最简单C语言即可Arduino，大一新生可以快速上手。

2.2 教学目标

电类专业涉及软件硬件，知识涵盖广，动手实践能力要求高，结合电类专业的特点和教学的要求综合实验教学目标为基于开源硬件设计一款实验室巡检机器人，实现24h不间断自主巡检，收集实验室环境信息监控云平台具体工作包括：①组装机器人，实现自主寻迹巡检运动；②实时采集环境参数：温度、湿度、烟雾；③环境参数上传存储智能监控云平台，分析高危数据智能提醒工作人员。

2.3 实施过程与内容

课程的课内教学活动在实验室环境中开展，课后实践可安排宿舍教室图书馆，总学时16学时，具体实施过程与内容教学内容如下：

2.3.1 基础理论和实践准备阶段

准备阶段：由教师主导，向学生讲授基础理论和和基础实践技能引导学生入门，学生完完成基础实验为课程完成打下基础。

基础理论：Arduino开源软硬件平台简介、Arduino的基本语法、数字量和模拟量的输入、电脑通讯、各种常用和器的用途和使用方法、航机控制、LED灯。

基础电路：基于Arduino 的机器人项目的开发案例和实例分析、仿真、电路、调试、焊接等基本知识和技巧。

2.3.2 项目创新工程实践阶段

采取“口袋实验室”实验实践教学模式。近年来“口袋实验室”方便快捷捷、随时随地、自主实验显著优越性，较好地弥补了传统实验箱“四固定”实验教学模式诸多限制，固定的场所、固定的时间、应用固定的实验箱、进行固定的实验验证。Arduino单片机体功能丰富、体积较小、携带方便、功能齐全扩展性，可作为单片机口袋实验室，通过"口袋实验室”实验实践教学模式下，学生不受限于传统实验器材，随叶随地便捷的，根据项目任务提出想法、设计方案、完成实验设计任务。

设置若干次“中期检查”环节，学生实验室上介绍项目的进度、遇到的问题和解决办法。这样即方便学生之间交流学习，也便于老师对学生过程性评价。

增加了“提高扩展”内容，鼓励学生对实验室巡检机器人自由发挥的空间，鼓励创新扩展，提课程的难度和挑战性。

2.3.3 总结与验收阶段

教师现场验收作品、验收合格后，学生就本组设计通过PPT向教师和学生讲解，并按照要求撰写项目报告。教师根据作品完成度、创新性、难度、现场验收情况、PPT汇报和项目报告文档综合评分。

电类专业大一新生完成基于开源硬件Arduino综合实验，有效激发了学生对电类专业课程学习兴趣，培养了学生创新精神和实践应用能力。基于开源硬件大一新生综合实验为后续电类专业课程打下了坚实的基础。