将开源硬件引入电子实训与创新实践的教改初探

唐敏?金一鸣

摘 要：分析典型开源硬件特点，探讨将其引入电子实训与创新实践的教学。笔者根据已开展的Arduino开源硬件进行电子实训与创新的教学情况，认为将开源硬件引入电子实训与创新实践可以使更多学科、更大群体学生深入开展电子实训，有利于激发和提高学生的创新能力，对于高校进行电子实训与创新实践教学改革具有借鉴意义。

关键词：开源硬件；Arduino；BeagleBoard；Raspberry Pi；电子实践与创新

中图分类号：G420 文献标识码：B 收稿日期：2015-11-27

教育部在《教育部关于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]在电子实训中，学生们普遍认为电子与电气知识比较深奥，所以很难有自觉深入学习的兴趣和动力，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。 [2][3][4]

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。[5]开源硬件的出现，能在很大程度上解决了电子实践方面的难题，并且对于改善现状有着积极的影响。

目前常见的开源硬件有50余种，[6]从功能、价格、难度、扩展支持等角度进行考察，笔者认为在电子实训与创新实践教学中采用Arduino和Beagle Board开源硬件较为可行。

一、常见的开源硬件

1.Arduino开源硬件

Arduino开源硬件主要包含硬件Arduino控制板和软件Arduino IDE。目前，控制板已经发展到Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad、Arduino Mega2560、Arduino Ethernet、Arduino Due、Arduino Leonardo、Arduino Yun等。

Arduino开源硬件具有如下优点[7]： ①Arduino及周边产品相对质廉价优；②简单易学的开发环境；③Arduino的可扩展性很强；④Arduino资料容易获取；⑤良好的跨平台性。

2.BeagleBoard开源硬件

Beagle Board是基于德州仪器OMAP3530芯片的低能耗开源硬件。2011年10月发布BeagleBoard初版，其CPU主频为720MHz，RAM为256MB。2013年4月发布BeagleBoard Black升级版，其CPU主频增至1GHz，RAM 增至512MB，还增加了HDMI输出和2GB的eMMC闪存。[8]

BeagleBoard具有如下优点：①CPU处理能力强，内存大；②扩展性强，包含了HDMI接口、USB接口等通用接口，可兼容普通PC输入输出设备；③可运行Linux系统，作为准系统、微型桌面机运行。

3.Raspberry Pi开源硬件

Raspberry Pi即树莓派开源硬件。它包含博通ARM11架构的BCM2835 CPU，主频700MHz。可安装Linux系统，支持1080P视频硬解码。[9]

树莓派具有如下优点：①价格适中，功能性价比高；②兼容性强，接口丰富，兼容PC外接设备；③与Arduino类似，拥有庞大的网络社区用户、大量的示例项目和教程。[10]

作者通过对以上常见的开源硬件平台的特色优势分析认为，对于更多学科、更大的学生群体深入开展电子实训教学而言，引入该平台具有很强的可行性。

二、基于开源硬件的教学案例

1.电子实训教学案例

采用Arduino开源硬件进行如下实训内容：①用LED实现闪烁、广告灯效果；②用蜂鸣器模拟救护车、警笛等声音；③用按键、倾斜开关控制LED灯；④实现火焰报警、烟雾报警、温度报警功能；⑤实现抢答器功能；⑥实现红外遥控器功能。

2. 创新实践教学案例

学生基于Arduino完成的创新实践项目。

（1）智能防盗门：用传感器收集数据，满足触发警报条件时，系统进入倒计时。以计算机串口输入密码，密码正确则关闭系统，当超时或者密码错误时将触发蜂鸣器警报。

（2）仓库温湿度监测：探测温湿度变化，定时将温湿度数据通过蓝牙发送给手机。

3.教学效果与分析

根据教学情况，可以得出以下结论：①基于开源硬件的电子实训是以学生为主的教学实践；②基于开源硬件的创新实践能充分调动学生的学习积极性和自主性，激发学生的想象力和创新能力，培养他们的创新意识；③基于开源硬件的电子实训与创新实践由于硬件的易用性与可扩展性，使得对于更多学科、更大的学生群体进行电子实训与创新实践变得切实可行。

三、结 语

本文分析了几种典型开源硬件的特点，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，初步形成了以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、更大的学生群体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，也激发了学生的想象力和创新能力，培养了学生的创新意识。

在以后的教学实践中，我们将继续探索其他典型开源硬件平台如BeagleBoard、Raspberry Pi等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，取得更好的教学改革效果。

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[DB/oL].http：//www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s 6342/201301/xxgk_146673.html.

[2]赵广元，王文庆，蔡秀梅.创客教育视野下“计算机网络”课程实验设计[J].现代教育技术，2015，25（9）：116-121.

[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（实践·创新·未来——全国计算机辅助教育学会学术年会），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]Wikipedia.Open-source hardware[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Opensource_hardware，2014-12-18.

[6]Wikipedia.Comparison of single-board computers[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_single-board_computers，2014-12-30.

[7]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.

[8]Beagle board.Beagle Bone Black Specifications[EB/OL].http：//circuitco.com/support/index.php？title=BeagleBoneBlack，2014-11-30.

[9]Wikipedia.Raspberry Pi[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi，2014-11-30.

[10]雒亮，祝智庭. 开源硬件：撬动创客教育实践的杠杆[J].中国电化教育，2015，（4）：7-14.