Arduino开源硬件引入机电专业课程实践教学

李一浩 裴旭明 李宏伟

郑州轻工业学院 河南郑州 450002

Arduino开源硬件引入机电专业课程实践教学

李一浩 裴旭明 李宏伟

郑州轻工业学院 河南郑州 450002

针对本科院校机电专业课程实践教学现状，结合专业要求和学生的认知能力，将Arduino开源硬件引入机电专业课程实践教学中，尝试对现有的课堂与实验教学进行实践探索。结合Arduino开源平台与课程实践教学，论述了目前机电专业课程实践教学存在问题，Arduino的主要特点、在课程实践中的作用，并对如何在机电专业课程实践中开展基于Arduino的应用模式提出了建议。

Arduino；开源硬件；实践教学；教学模式

Key works： Arduino； open source hardware； practice teaching； model of instruction

本科院校的机械电子工程专业，以培养全面掌握机电控制和计算机知识与技能的专业复合型人才为目标，以工程应用为特征和主旨构建教学与课程内容体系，重视学生的工程技术应用能力的培养[1，2]。能否真正实现机械电子工程应用复合型人才培养的目标，实践教学体系显得至关重要。通过引入开源硬件Arduino 到现有的机电课程实践教学中，作为理论教学的有效补充，同时探索现代大学生课程实践教学的改进方向。

1 目前机电专业实践教学存在的问题

1.1 教学方法不能激发学生的积极性

传统的实践教学方法是在完成既定理论知识学习后，再辅以少量的验证性实验，并多以演示为主，学生直接参与的实践活动很少，这种教学方法已经不能适应现阶段高等教育的要求。有的学校围绕专业培养目标，以科技竞赛为引导构建学生科技创新活动体系，通过学生的科技创新活进一步强化课堂教学内容，将理论教学与实践教学融为一体，这种教学方法虽然为学生提供了动手操作的机会，但是仍然不能很好地激发大多数学生的学习兴趣。很多学生为了获得好成绩，通过网络购买或代工方式购入半成品，进行简单的修改和调试，而没有真正地去参与设计与制作，更无法消化吸收所学内容，创新学习能力得不到很好锻炼。

1.2 教学内容与学生个人兴趣脱节

机械电子专业是机械与电子专业的交叉学科，需要学生在学习机械和电子课程的同时，能够将两种类型的知识融会贯通。对于机械类专业的学生，面对比较深奥的电子与电气知识，很难有自觉深入学习的兴趣和动力。在教学中，即使采用了多媒体教学、实物演示与动手操作等教学模式，大多数学生也只是被动机械地完成学习任务，仍然不能有效地提高学生的技能和创新能力。大学生思维十分活跃，只要教学内容符合他们的需求，引起他们的兴趣，就能激发他们学习的动力和创造力。但是，目前很多高等院校机电类课程的教学内容偏多偏难，从单片机的组成结构、可编程逻辑控制器再到电机传动控制，在教学过程中都想面面俱到把所有知识点教给学生，学生无法在有限的学时内主动地消化大量的知识，很容易失去学习兴趣。

2 Arduino开源硬件的特点

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino开发环境)，适合人群非常广泛。Arduino 硬件开源表现为用户可以根据需要下载电路图，自己购买所需独立部件，制作相应的电路。可以利用Arduino作为控制板，用开关、传感器或其他控制器等作为其输入，也可使用数码管、电机、液晶显示等作为其输出装置，从而形成完整的系统。

以往的实践教学多以51单片机为对象，功能单一，扩展性差，开展实验有限。Arduino与传统单片机相比有如下几个方面的优势[3，4]：

(1)学习Arduino单片机可以完全不需要了解其内部硬件结构和寄存器设置，仅仅知道它的端口作用即可；可以不懂硬件知识，只要会简单的C语言，就可用Arduino 单片机编写程序。

(2)Arduino软件语言仅仅需掌握少数几个指令，而且指令的可读性较强，稍微懂一点C语言即可，轻松上手，快速应用。

(3)Arduino的理念就是开源，软硬件完全开放，技术上不做任何保留。针对周边I/O设备的Arduino编程，很多常用的I/O设备都已经带有库文件或者样例程序，在此基础上进行简单的修改，即可编写出比较复杂的程序，完成功能多样化的作品。

(4)Arduino由于开源，也就意味着从Arduino相关网站、博客，论坛里得到大量的共享资源，在共享资讯的辅助下，通过资源整合，能够加快创作作品的速度及效率。

(5)相对其他开发板，Arduino及周边产品相对质廉价优，学习或创作成本低，重要一点是：烧录代码不需要烧录器，直接用USB线就可以完成下载。

Arduino实验开发平台易学易用，降低了微电子学习的门槛，没有程序开发和电路设计经验的学生也可以很快掌握，这非常适用于目前机械类专业学生的教学与学习。

3 Arduino在机电专业实践教学改革中的应用模式

通过以上对Arduino 的特色优势分析，在机电专业的实践教学中引入Arduino 开源平台辅助教学具备较强的可行性，可以弥补实践教学中创新力度不够的问题。以下分别探讨教学内容制定、机电一体化实验室建立、科技创新活动体系和实践评价体系。

3.1为学生量身打造教学内容

3.1.1 演示环节

在专业课程的教学中，引入Arduino使得课程更贴近实际应用。如在机电传动控制与智能机器人的课堂教学中，可设置模拟值、PWM调光、舵机、步进电机和伺服电机控制实验演示科目，在演示过程中将依次向学生讲解系统结构设计、电路实现、控制程序的编制方法，以及接口服务器的原理，增强面对面授课的生动性、趣味性。

3.1.2 动手操作环节

通过教师对实践平台的讲解和实验演示，在实践环节中将自己所掌握的机械与电路知识实践化。Arduino平台安装简单可以反复使用，像积木可以随意组合任意搭配，学生可以根据自己的想法任意设置电路，编写简单的程序控制整个电路运行过程。学生通过动手操作对机械和电路方面知识得到最大限度的运用，同时动手能力和创新能力得到了提升。

实践过程中，将每个班级分成若干项目小组，每组三到五人，选取一人为组长。预先设定难易程度不同的题目，供小组自由选择，充分发挥学生的创造力。如机电传动控制课程，可预先设定单轴、XY两轴、XYZ三轴工作台、3D打印机和六自由度机械臂等多个题目，各组可根据自身能力与兴趣选择，每个步骤都制定详细的教学目标、教学方法要求和能力培养要求。

3.2 建立基于Arduino开发平台的机电一体化实验室

教学活动中以“技术—应用—实践”为主线，在强化课堂教学的同时，面向本科生建立由“课堂教学—学科交叉—动手实践—工程应用—创新研究”的机电一体化实验室，从组装、调试到应用整个过程全部由学生亲自完成，提升学生对于机械电子的全方位学习能力。

实验室由若干实验台构成，每个实验台要配备Arduino实验开发板、面包板、面包板连接线和所需的电子元器件，并配有电源接线端子。学生可以在面包板上直接连接线路，不需要进行焊接，所以电子元器件和连接线都可以循环利用，配备常用的电子测量工具和示波器。

3.3 构建以科技竞赛为引导的学生科技创新活动体系

围绕专业培养目标，合理定位，以科技竞赛为引导构建学生科技创新活动体系，通过学生的科技创新活动得到进一步的强化和综合应用。围绕Arduino开发平台设置多个竞赛门类，如机械臂、3D打印机、传感器应用和智能家居等。

为了处理好科技创新活动的普及与竞赛选手的选拔关系，在科技创新活动体系的建设中，首先确立了竞赛体系的层次性构建，把科技竞赛分为学院级和国家级两个层次。学院级竞赛主要是为了在学生中普及科技创新活动，使更多的学生参与其中；同时也为选拔优秀选手参加国家级竞赛提供后备人才。国家级竞赛主要是为了进一步培养优秀学生，培养创新型的拔尖人才；也是为了提高专业和学校的知名度，进一步增强学生的荣誉感和成就感。

3.4 建立机电专业课程实践教学综合评价体系

目前许多高校对实践教学环节、实践教学基地建设、工程训练中心建设等已经日益重视，然而，对实践教学环节质量的考核、评价以及对实践性教学改革创新和基础建设还缺乏具有指导作用的评价体系[5]。机电专业涉及机械与电子两个门类的科目，评价实践教学效果很难采用统一的评价标准。因此，构建一套适应高等学校发展和实践性教学自身特点的实践教学质量综合评价体系，不仅有利于促进学生学习的积极性与主动性，有利于教师把握教学重点和难点，还有利于推动实践教学改革。

为评价机械课程、电子课程交叉教学与竞赛实践活动相结合教学法的有效性，将实践教学质量的监控与评估重心前移，参考Arduino机电一体化实验室开设的实践题目，从实践教学培养计划制定入手，以实践教学内容确定课堂教学重点，跟踪教学过程的各个具体环节进行质量控制。课程实践教学综合评价体系以各科目实验教学和课程设计等实践教学环节为评价对象，采用学生自我评价、授课教师评价和教务科评价相结合的评价运行机制。

第一步学生自我评价。从各班级中随机抽调若干名学生，对本科目实践教学情况进行在线匿名问卷测评，问卷测评结果作为授课教师评价和教务科评价的基础。

第二步授课教师评价。授课教师在学期末对课堂教学效果、互动效果以及学生实践作品进行点评和总结，并将实践结果作为期末考试成绩的一部分。同时分析学生知识与技能掌握的程度，并对机电一体化实验题目内容进行调整，提交总结报告。

第三步院教务科评价。院教务科每学期末组织对本院所有专业实践教学环节的教学准备情况、实施情况和教学效果等分别进行评价，找出薄弱环节，分析影响实践教学质量的问题症结，提出相应整改措施，同时形成评价总结报告和评价结果，并报学校管理部门。

第四步汇总整改。院实践教学质量评价组汇总学生自我评价、授课教师评价和教务科评价结论和意见，制定整改计划，调整Arduino实验内容，完善管理制度和保证措施，逐步解决影响课程实践教学质量的关键问题。

4 结束语

分析了目前机电专业课程实践教学存在问题，根据Arduino开源硬件的主要特点，提出了Arduino在机电专业实践教学改革中的应用模式。由于Arduino 的易用性与丰富的可扩展性，将其融入机电专业教学实践，有助于提高学生实践能力，激发学生的学习兴趣，使学生在理论知识学习、实践能力锻炼、创新精神培养等方面得到了全面提高。

[1] 袁丽.基于开源硬件的电子实习教改初探[J].教育教学论坛，2013(22)：39-42.

[2] 张鹏.关于高校单片机教学模式的几点思考[J].电子制作，2013(12)：155.

[3] 戈惠梅，徐晓慧，顾志华，张金龙.基于Arduino的智能小车避障系统的设计[J].现代电子技术，2014(11)：118-120.

[4] 蔡卓凡.基于Arduino和Android教室移动巡检系统设计[J].电子科技，2014，27(5)：110-115.

[5] 熊丽.建立实验教学管理评价体系 提高实验教学水平[J].中国现代教育装备，2012(4)：78-79.

[6] 赵广元，王文庆，蔡秀梅.开源硬件在自动化专业教学中的应用模式初探[J].实验室研究与探索，2013(11)：367-369，414.

Introduction of Arduino in Practice Teaching for Mechanical Electronics Specialty

Li Yihao， Pei Xuming， Li Hongwei
Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， 450002， China

In view of the current situation of practice teaching for mechanical electronics specialty， Arduino （open-source hardware） is introduced into practice teaching according to the cognitive ability of students and professional requirements. This article tries to explore the new teaching mode in classroom and experimental teaching existing， and discusses the problems existing in the practice teaching， the main characteristics and function of Arduino. Based on Arduino， the new teaching mode is proposed for practice teaching for mechanical electronics specialty.

2014-07-20

万春杰，博士，副教授，教研室主任。通讯作者：张珩，教授。王凯，博士，副教授，副院长。张秀兰，硕士，副教授。

2012年度教育部人文社会科学研究专项任务项目(工程科技人才培养研究，12JDGC018)。