开源硬件在电气专业教学中的实践与思考

刘福祥

摘 要：本文针对技工院校电气专业的教学现状，结合专业要求和学生的认知能力，将开源硬件引入电气专业电子部分的一体化教学中，并探讨了开源硬件平台在不同教学层次的应用模式。认为开源硬件屏蔽了相关硬件和软件的复杂性，有利于提高技工院校电气专业尤其电子部分理论与实训的教学效率，有助于技能型人才实践能力与理论水平的全面提升。

关键词：arduino 开源硬件 一体化 教学模式

目前，用人单位对学生的技能水平十分看重，也同样表现出对人才创新能力的渴求。技工院校的学生动手能力较强，但受限于知识结构，往往理论基础和创新能力不足。若在有限的实践（实训）中，花费长时间用于底层技术的学习和重复性工作，会更加制约学生理论学习兴趣和实训效率，更不必说创新能力。利用易上手、可拓展的实训平台，快速引导学生投入到项目实践中，进而在实践中提高学生的创新能力，并促使学生自发地进行理论学习，是一条思路。开源硬件就是这样一种平台，但该平台在职业院校的教学实践并不多见。笔者探讨开源硬件在技工院校电气专业教学中的应用模式。

一、开源硬件的特点

开源硬件，顾名思义，是指与开放原始码软件相同方式设计的控制核心和电子硬件。开源硬件有多种，如乐高机器人、arduino、树莓派等，均具有可拓展、易上手、外设丰富的优点。其中，Arduino比较适合电气专业的应用，其主要特点如下。

1.硬件成本低

arduino实验平台的成本可以控制在几百元之内，且可得到低成本的技术支持。

2.外设丰富

arduino官方提供了极为丰富的外设，包括外部开关、传感器、电动机驱动、触摸屏控制、模数转换模块等等，而用户也可以开发自己的外设模块。

3.软件跨平台，且容易操作

arduino编程软件均免费适用于Windows、OS X和Linux等系统，编程界面友好，有中英文对照，且可直接用USB完成下载。

4.开发语言简单

arduino开发语言可以被初学者轻松掌握，对于高级用户也足够灵活。

5.开放硬件结构，开放源码

arduino从硬件结构到系统软件到应用编程完全开源，这点尤其重要。

二、开源硬件在电气专业教学的应用

电气专业课程内容广泛，针对技工院校学生的特点，我系提倡围绕专业培养目标，以就业为导向，借助技师研修、技能大赛等平台，强化课堂教学内容，将理论教学与实践教学融为一体。而开源硬件平台恰可以成为电气专业电子部分理论教学与实训教学一体化过程中的契合点。以下分别探讨开源硬件在基础理论教学、电工实训和技师研修等不同层次的应用模式。

1.专业基础课的应用

基础课应用开源硬件平台的实例（见下表）。

表 基础课应用开源硬件平台的实例

课程科目 项目 内容与要求

C程序设计 变量基本运算 在数码管上显示结果

密码的设定（分支程序练习） 读取键盘输入的密码，在数码管上显示密码是否正确

单片机与接口技术 认识最小系统 与课本原理图对照，观察、分析arduino硬件构成，识别元器件

温度监测仪 利用arduino搭建硬件，快速实现将温度传感器的值处理并显示

如上表所示为部分科目利用开源硬件平台的样例，对电气专业的学生而言，将运算结果显示在数码管或者触摸屏上，显然更具专业性，更有吸引力。教学实践证明，在理论课程的教学中引入arduino可使授课过程更加生动，使得具有不同接受能力的学生都积极努力学习。同样传感检测技术、工控网络等课程也可以利用该平台进行实验教学。

2.电工实训的应用

在电工实训中，开源硬件平台主要可以在高级工电子实训和单片机实训中应用。

在电子实训中，学生可以按照自己的思路充分发挥，而不必担心重复底层电路设计。电路搭建完成后，学生可以使用已有的程序或编写简单的程序用以控制整个电路运行过程。当然，编程部分可以由教师提供，如果能够激发学生学习编程的兴趣则更优。

图1 简易电子琴的设计

单片机实训是最具综合性的电子实训，它一般以项目为载体，涉及程序编写、电路设计、电子焊接、传感器应用等多项技能。在实训中，可提供输出接口相同的arduino开发板与常规51单片机开发板。这样学生既可以使用arduino完成项目，亦可以使用51开发板完成项目。图1所示的简易电子琴即为项目之一。可以看出，黑色部分的控制板配合学生设计、焊接的电路板共同构成了项目硬件。对于基础较薄弱的学生，利用开源硬件可以迅速完成学习任务，而不会因电路和程序的复杂而放弃学习;对于基础较好的学生，在完成规定的任务后，仍然可以尝试使用常规51开发板，对照性的完成项目。

3.技师研修的应用

利用开源硬件平台开展技师研修，可迅速搭建控制核心平台，节省时间，防止重复性工作，这样就可节省大量时间进行系统外形、架构、上位机等设计，有利于学生实践能力的进一步提高，更有利于学生创新能力的提高。3D打印机与激光雕刻机就是近年典型的利用开源硬件平台完成的技师研修作品（见图2）。

图2 基于开源硬件的3D打印机及作品

三、小结

通过以上分析，将开源硬件平台应用于电气专业教学中，可以使理论教学更直观，亦可以使实训教学更具拓展性，这样理论与实践相互渗透，对开展一体化教学有着积极的意义。但笔者仍有如下三方面思考。

1.务必重视基础技能

开源硬件优点很多，但并不能放松如焊接、布线、装接等基本技能的学习，否则就等于放弃了技工院校的优势。

2.开源硬件的使用需要适度

它可以快速实现功能，实现创意，但绝大多数大规模生产的电子产品仍不可接受arduino的成本。因此专业课程就一定要配有专门的实验实训设备。

3.开源硬件可推广至非电专业

如机电专业、汽车专业均可以利用开源硬件的易实现性，与现有资源进行配套，灵活创新。

在后续工作中，笔者将继续开展开源硬件平台在电气专业的教学实践，以期取得更好的教学效果。

参考文献：

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[2]覃国蓉，张席，李华忠.基于开源项目的项目教学法在Java 教学中的应用[J].计算机教育，2010（12）.

[3]孙作雷，张波，曾连荪.基于Arduino和Qt的低成本开源实验机器人平台设计[J].上海海事大学学报，2013（2）.

[4]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）.

（作者单位：宁波技师学院）