开源硬件在电子实训与创新实践中的应用

唐敏++金一鸣

摘 要：本文分析了开源硬件的特点，介绍了在学校工程训练教育中引入开源硬件进行电子实训与创新实践的应用可行性，重点探讨了以Arduino开源硬件平台进行电子实训与创新的教学模式。作者认为，在此模式下，可以在更多学科、更大群体的学生中间深入开展电子实训教学，不仅有利于提高学生的动手实践能力与理论水平，更有利于提高学生的创新能力，对于工科院校进行工程训练教学改革具有一定的借鉴意义。

关键词：开源硬件；Arduino；电子实践与创新

一、引言

2012年4月教育部在《全面提高高等教育质量的若干意见》中指出了在创新人才培养模式与强化实践育人环节方面的相关意见。[1]在实际教学中，由于学生受限于知识结构，在进行教学实践中往往需要花费大量时间用于底层技术的学习，使得学生无法积极主动地进行实践，抑制了学生创新的潜力。尤其是在电子实践方面，面对比较深奥的电子与电气知识，学生很难有自觉深入学习的兴趣和动力，所以这样的情况就更明显。[2][3][4][5]

开源硬件（Open Source Hardware）是指用与自由及开源软件相同的方式设计的计算机和电子硬件。[6]开源硬件设计者通常会公布详细的硬件设计资料，如机械图、电路图、物料清单、PCB版图、HDL源码和IC版图，以及驱动开源硬件的软件开发工具包等。[7][8]开源硬件的出现，能在很大程度上有助于解决电子实践方面的难题，并且对于改善现状有着积极的影响。

Arduino开源硬件平台作为开源硬件的一个典型，由于其价格低廉、应用方便、良好的跨平台性、简易的编程环境、可扩展性及应用范围广等特点，[9]所以在电子实训与创新实践方面有着明显的优势。

本文基于Arduino开源硬件，探讨开源硬件在电子实训方面的教学模式与学生的创新实践。

二、Arduino开源硬件

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，共包含硬件Arduino控制板和软件Arduino IDE。目前，控制板已经发展到了Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad、Arduino Mega2560、Arduino Ethernet、Arduino Due、Arduino Leonardo、Arduino Yun等众多版本。

Arduino 控制板通过 USB 接口与电脑相连，采用类似 Processing的语言进行应用开发， Arduino 语法是建立在C/C++基础上的，其实也就是基础的C语法，因此具有易学易用的特点，使用起来非常方便。

对于Arduino开源平台的优势可以做如下总结。 [10][11]

（1）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。

（2） Arduino的简单易学开发环境。知道Arduino的端口作用或者自己定义端口作用，在此情况下就可以使用Arduino开源平台；只要会基本的C语言，就可以编写Arduino 程序。

（3）Arduino的可扩展性很强。由于其开源的理念，软硬件完全对公众开放。对于其I/O设备的Arduino编程，许多I/O设备都已经带有库文件。在此基础上进行相应的修改就可以开发个性化的作品。

（4）Arduino资料容易获取。从Arduino国内外相关网站、论坛里都可以得到大量的共享资源。通过了解这些资源信息有助于解决在使用Arduino进行设计时遇到的问题。

（5）良好的跨平台性。Arduino对于Windows、Mac OS、Linux系统都有着相应版本的Arduino IDE 软件。

综上所述，Arduino平台在使用上具有非常大的优势，其安装简单，可以反复使用，像电子积木一样可以随意组合搭配，学生可以根据自己的设计任意搭配电路，编写相应的控制程序，从而实现电路的运行。

通过以上对于Arduino开源硬件平台的特色优势分析，对于更多学科、更大群体的学生深入开展电子实训教学中引入该平台具有很强的可行性。

三、Arduino 在电子实训与创新实践的教学案例

1.实训硬件、软件及材料

如上图所示，选取Arduino uno 作为核心控制板。设计软件为Arduino IDE 1.6.5。硬件材料包括：LED、电阻、跳线、蜂鸣器、七段数码管、按键、倾斜开关、光敏电阻、红外接收三极管、温度传感器、红外遥控器、红外接收头等。

2. 实训内容

为了让更多学科学生、更大群体的学生积极参与电子实训与创新实践，我们设计了如表1所示的基础实训教学内容。

实训内容如下：首先，由指导老师为学生介绍所用电子元器件的理论知识；其次，由指导老师为学生演示及讲解程序设计流程和注意事项；最后，学生按照实训要求，根据老师的指导进行硬件电路的搭建，编写控制程序、调试程序、将程序下载到Arduino控制板中；最后完成实训内容。

3.教学效果

虽然学生来自不同学院、不同专业，在电子知识方面也有着不同的基础，但是学生都有着很高的积极性。在整个实训过程中，学生之间互学互教，完成整个实训项目。由于简单修改电路和程序，就能立刻实现个性化很强的效果，这极大地激起了学生的学习兴趣，激发了学生的想象力和创新能力。

4.教学分析

在整个实训过程中，学生完成电路的硬件搭建和程序设计，教师只是作为指导。实训中每位学生必须完成一个电路的硬件搭建和程序设计，学生之间互学互教，培养了学生的团结协作能力，达到了教学效果。

由此得出以下结论：

（1）Arduino开源硬件平台的电子实训过程能够很好进行以学生为主的教学实践，成本又相对较低。

（2）Arduino开源硬件平台的电子实训极大激起学生的学习兴趣，充分调动学生们的学习积极性和自主性，极大地激发了学生的想象力和创新能力，培养了他们的创新意识。

（3）Arduino开源硬件平台的电子实训由于 Arduino 硬件的易用性与丰富的可扩展性，使得对于更多学科、更大群体的学生进行电子实训变得切实可行。

5.创新实践

学生基于Arduino开源硬件平台以及现有的外围硬件完成了如表2所示的创新实践项目。

四、结 语

本文分析了开源硬件的特点和优势，具体介绍了在学校工程训练教育中引入开源硬件进行电子实训与创新实践的应用可行性，初步给出了以Arduino开源硬件平台进行电子实训与创新的教学模式。

实践表明，在此模式下实现了对于更多学科、更大群体的学生开展电子实训的教学，这不仅极大地激起了学生的学习兴趣，调动了学生的积极性，提高了学生的实践能力与理论水平，还激发了学生们的想象力和创新能力，培养了学生的创新意识。

在以后教学实践中，我们将继续探索其他典型开源硬件平台在电子实训与创新实践方面的应用，不断完善和改进具体实施措施，以取得更好的教学效果，达到教学目标。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[EB/OL].http：//www.gov. cn/zwgk/2012-04/20/content_ 2118168.htm，2014-04-20.

[2][9]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）：355-357.

[3]秦 健，闫 超，董长智.Arduino机器人在推进素质教育方面的应用浅析[C].计算机与教育， 2014：225-232.

[4]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.

[5]冯巧波，尹铁路，沈坤全，等.激光加工在工程实训中的应用[J].实验室研究与探索，2015，34（4）：206-208.

[6]Wiki Pedia.Open-source hardware[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Opensource_hardware，2014-12-18.

[7]Wiki Pedia.History of free and open-source software[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/History_of_free_and_open-source_software，2014-11-14.

[8]Wiki Pedia.Open design[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Open_design，2014-12-29.

[10]戈惠梅，徐晓慧，顾志华，等.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.

[11]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.