基于Android、树莓派、Arduino、机器人的创客技能教育探索与实践

朱　轶, 曹清华, 单田华, 刘会霞, 潘天红

(1. 江苏大学 计算机科学与通信工程学院, 江苏 镇江　212013；2. 江苏大学 工业中心,江苏 镇江　212013； 3. 江苏大学 电气信息工程学院, 江苏 镇江　212013)



实验教学研究

基于Android、树莓派、Arduino、机器人的创客技能教育探索与实践

朱轶1, 曹清华1, 单田华1, 刘会霞2, 潘天红3

(1. 江苏大学 计算机科学与通信工程学院, 江苏 镇江212013；2. 江苏大学 工业中心,江苏 镇江212013； 3. 江苏大学 电气信息工程学院, 江苏 镇江212013)

培育各类青年创客人才和创新团队,对于带动扩大就业、打造经济发展新的“发动机”,具有重要意义。该文提出一套基于Android、树莓派、Arduino、机器人的创客技能培训模式,并介绍了近年来围绕该模式开展的国内外创新教学实践与探索。教学实践证明,该模式建设投入低,且具备良好的创新技能培训效果。

创客； 创新技能教育； Android； 树莓派； Arduino； 机器人

顺应国内社会对于“创客”类创新人才需求的趋势,高等教育与职业教育应当开展相应的创客基础知识与技能教学,通过向学生传授开发创新应用所必需的信息化技术、开源软硬件知识,学生才可以发挥个人想象,结合观察到的社会需求,根据个人兴趣去开发创新作品,并逐步踏上创业之路[3-4]。知识是创新的基础,如果没有必需的知识,学生也无从创新,即使有些创意也不具备基本设计能力。对如何结合各类新兴IT技术有效开展“创客”技能教育,当前已有部分高校教师开始积极探索与实践[5-9]。我们自2012年开始,通过与日本山口大学以及韩国首尔市立大学、国立群山大学、国立全北大学开展的一系列国际创新教学合作,并结合江苏大学通信工程系2012级、2013级本科生的校内实训教育,逐步探索出一套基于Android、Raspberry Pi(树莓派)、Arduino、机器人的创新技能培训模式,该培训内容包括了学生开展创新应用所必需的基础软、硬件知识,在此基础上学生可以自主创新、自主选题设计作品，实现自我创意,近3年的教学实践证明了该教育模式的有效性。

1　训练模式与实践环节设计

1.1训练模式设计

本创新技能训练模式如图1所示,包括“基础知识教学、实践训练、自主创新、自我扩展”4个环节。

图1　创新技能训练模式设计

(1) 基础知识教学。该环节是进行创新设计必备的基础,理论上一项创新产品通常表现为机械、电子、信息学科知识的融合,但考虑到信息技术是当前创新设计中最大的增长点,也最容易激发学生的创新活力,本训练模式中的基础教学以信息技术为主,包括Arduino(一款可快速开发的开源电子原型平台,其硬件为增强型单片机)、树莓派(一款信用卡大小的卡片式计算机,基于ARM架构,可运行Linux或者Win10操作系统)、Android以及跨平台移动应用开发基础教学。其中Arduino教学涉及如何利用单片机读取各类传感器数据,如何控制直流电机、舵机等输出设备,以及如何与上位机通信,这些是感知环境、控制机械平台所必需的知识。树莓派教学涉及Linux使用,Linux系统下的应用服务部署(如apache等,这是发布Web services的基础),Linux系统下的python语言开发,树莓派对于Arduino的控制,以及利用python进行视频识别,这些是上位机开发所必需的知识。Android与跨平台移动开发教学涉及基于Eclipse与Java的Android传统开发模式,以及结合PhoneGap/jQuery Mobile/HTML5的高级开发模式,这部分教学内容可以帮助学生掌握开发移动信息系统以及与服务器远程交互技术。

(2) 实践训练。本环节通过教师预设的题目,让学生在实践中巩固所学知识,并培养学生利用互联网查找资料、自主学习的能力。计划以Android智能手机作为远程控制终端,以树莓派作为上位机,以Arduino作为下位机,通过读取各类传感器数据,进而驱动继电器或电机对类似智能车等机械平台加以控制。教师布置课题内容无需固定,可根据该届学生的知识掌握情况动态调整,如环境光强控制窗帘开闭(容易)、远程Web页面控制点亮LED灯(中等)、手机语音控制小车运动(较难)等。该实践训练环节强化训练了学生服务部署、软件编程、网络通信等信息学科的动手能力,系统性地理解如何将创意转化为实际产品,为学生进行后续的自主创新活动提供了必要的支撑。

(3) 自主创新。通过前两个阶段的学习以及开发实践,学生可以在教师引导下针对某一主题(如智能家居、智慧城市、智慧校园等领域为创新主题)开展创新思维训练与头脑风暴。学生团队结合实际需求调研,按小组自行提出符合某一主题的创新设计课题,该课题设计内容可以是某一类设备、手机APP或者成套软硬件系统。根据已掌握的开源软硬件知识,学生团队完成系统设计方案,通过若干次的汇报和教师评价,不断完善课题设计方案,最终初步完成自主创新课题的开发工作。

(4) 自我扩展。对于有创意的设计方案,学生团队课外自行继续开发完善,并可以此作品参加各类创新设计竞赛。如果设计成果有较大市场潜力,且也取得一定的知识产权,可以自行创办企业、入驻孵化器、寻求创业投资,走上自主创业的道路。近年来,顺应国家对创新创业人才的需求,国内涌现了一批针对不同层次的创新设计竞赛,如团中央与全国学联举办的“RoboMasters全国机器人大赛”[10]、教育部学位与研究生发展中心举办的“全国研究生创新实践系列竞赛”[11]等,同时也出现了若干有特色的国际创新设计竞赛,如江苏大学、山口大学、首尔市立大学、群山大学等协作举办的“创新工程设计竞赛(Creative Engineering Design Competition,CEDC)”[12]等。这些竞赛提供了一个“创客”的展示、交流舞台,便于学生了解国内创新设计动态,为踏上“创客”之路提供学习与借鉴的机会。

1.2实践环节技术方案设计

实践训练环节是本创新技能训练模式中的第2个环节,也是让学生系统性地掌握创新应用开发技术的环节,因此如何设计实践训练方案尤为重要。本模式中,教师以智能化应用为创新主题设置若干可选题目,引导学生掌握技术解决方案,进行技术实现。教学所采用的技术方案即由Android、树莓派、Arduino、机器人构成,如图2所示。

该技术方案以Android手机或PC作为远程终端,以树莓派作为上位机,以Arduino作为下位机,读取各类传感器数据,驱动继电器、电机、舵机等输出设备,对类似机器车的机械平台加以控制(这里的机械平台可采用任意的机械结构,如慧鱼的机械部分)。该技术方案包括当前“创客”采用的主流开源技术,相比较国内高校创新实践教学中较多采用的乐高机器人与慧鱼机器人,编程扩展性好、与移动互联网开发结合紧密、易于加入各类创意元素(如语音、视频)，设计空间更为广阔。

图2　实践训练环节技术方案

图2(a)为基础技术方案,该解决方案可实现手机直接通过短距离无线通信方式,控制Arduino板,读取各类传感器数据,并向机器人机械平台下达指令,控制机械平台完成各类动作。由于Arduino属于单片机,不能直接连接摄像头,如有视频或者图象处理需求的应用场景,可通过手机摄像头完成外部视频获取,该方案可满足基础型智能应用需求。

图2(b)为高级技术方案,可满足复杂场景应用。在该方案中,增加了树莓派作为Arduino的上位机,由于树莓派本身具备较强的处理能力,可实现复杂的控制逻辑。此时,摄像头可以直接安装在树莓派上,获取本地监控视频,同时,该方案具备更强大的远程控制能力。远程控制端由于仅需控制树莓派,所以各类远距离、短距离无线通信网络均可以使用,不受原先蓝牙或者wifi的有限范围约束。此外,控制端不仅可采用智能手机,也可以通过开发浏览器程序或者定制窗体程序来实现,这意味着软件开发十分灵活,各种编程方法均可以使用。

以上实践教学内容为创新应用解决方案的架构,具体实现内容可根据智能应用设计目标开展相应的研发,但引入智能手机、计算机后,控制对象与现有各类信息系统集成变得可行,这意味着更多创意都可通过该技术方案实现。

2　创新教学实践

结合江苏大学与日韩多所高校近年来形成的若干创新教育国际合作项目以及校内实训类课程,我们已开展了近3年本训练模式的教学实践,并面向江苏省内部分三本、专科院校进行了教学模式推广。

2.1国际教学实践

中日韩暑期创新工程设计项目(The Summer Program on Innovative Engineering Design,SPIED)由江苏大学和日本山口大学共同发起,为暑期2周时间的创新实践教学类国际化项目,目前参加高校包括江苏大学、重庆理工大学、大连理工大学、西华大学、山口大学、首尔市立大学、群山大学、全北大学等。 2011年与2012年,中日韩3国教师与部分学生先后在日本北九州与台北开展了暑期创新工程设计训练的教学探索,首届SPIED项目于2013年8月在日本山口大学举办,参加学生48名(中19名、日18名、韩11名)；第二届SPIED项目于2014年8月在江苏大学举办,参加学生74名(中32名、日22名、韩20名)；2015年的SPIED项目于2015年8月在韩国群山大学举办,参加学生73名(中15名、日15名、韩43名)。

SPIED项目的实施过程基本符合本训练模式的前3个环节,分为4天的基础知识教学(白天)与实践(晚上)、4天的自主创新课题实践,具体教学内容见图3(按照参加学生属于本科生、研究生,划分初级班和高级班)。4天的教学内容覆盖机械、电子、计算机的基础创新设计知识以及头脑风暴,在头脑风暴完成后即要求学生分组自行提出创意,构思创新设计题目(每组3～5人,包括至少中日韩各一名学生,机械、电子、计算机专业各一名学生)。学生小组所提出的创新设计题目,经过中日韩教师团队评估通过后,用3～4天时间独立完成,最终作品需要向全体参加师生演示效果并做口头汇报。

图3　SPIED 主要教学内容

作为SPIED项目的主要组织与参与者,自SPIED 2013开始,我们就开始在第一周的教学中逐步引入本文所设计的实践训练技术方案。SPIED 2013在日本举办,由于山口大学提供的开发平台主要是乐高机器人,因此2013年仅引入了Android开发教学,引导学生利用手机编程控制乐高机器人；SPIED 2014在江苏大学举办,开发平台即为Android、Arduino、机器人平台(主要采用了慧鱼的机械部分),2014年的教学内容包括Android编程、Arduino开发、慧鱼机器人设计。考虑到教学时间有限,2014年未引入树莓派教学与实践,但依托Android、Arduino、机器人平台,学生设计出多组优秀的创意作品，如图4所示。图4(a)为自动抓药机器人,通过Android手机输入中药药方,由程序无线控制Arduino板,驱动机械手臂自动完成中药的抓取；图4(b)为智能户外长椅,该长椅设计为根据户外环境自动加载或收起遮雨、遮阳顶棚,也可由控制塔或者手机手动控制顶棚的收降。虽然这些作品还略显简单,但经过4天的创新设计锻炼,学生已初步进入了“创客”行列。在SPIED 2015中,教学团队进一步加入树莓派与3D打印的相关教学。关于SPIED 2015的更多设计作品,正在陆续整理并通过网络发布,读者可以访问http://ire-asia.org/ire/spied[12]。

图4　SPIED 2014部分设计作品

目前,国内除了上述参与高校外,已有武汉理工大学、湖南科技大学、烟台大学、汕头大学等多所高校关注并计划参与SPIED项目,韩国和日本政府也开始关注并大力支持SPIED项目。该项目已经成为东亚地区具有一定影响力的国际化教育合作活动。

2.2国内教学实践

“通信校内实训”是江苏大学通信工程专业2012版教学计划中新增的一个实训环节,该课程设置为大二下学期60学时的学期内实践,即由任课教师在1～15周之内任选15个半天，每个半天计为4 h,可选择不与其他课程冲突的时间,在实验室中指导学生开展创新设计。在2012、2013两级本科生教学中,我们的教学安排如下:

(1) 基础知识教学及实践训练40学时(10次),含2次Arduino教学及实践、4次树莓派教学及实践、4次Android教学及实践。每次包括1～1.5 h的教师PPT讲解(学生同步跟着做),2.5～3 h的学生根据参考资料自我实践(2～3名研究生现场辅导以及分发/管理实验器材)。

(2) 分组创新设计20学时(5次)，学生自行选择伙伴,2名学生一组,自行提出创新课题,并利用Android/树莓派/Arduino/机器人平台加以实现,最终完成一个创新作品。在设计过程中,教师全程在实验室,学生可随时跟教师谈论设计方案并进行调整。

2届的教学实践表明,这一教学模式极大地激发了学生的学习兴趣与学习动力,很多学生课后主动自我扩展学习,动手能力有了显著提高,同时一组一题也避免了传统课设中的抄袭现象。学生提出的创新设计大多贴近生活,不少小组展示了很有创意的作品,初现“创客”端倪,也有若干组以此为主题申报了省、校两级的大学生实践创新训练计划项目。

3　结语

大众创业、万众创新,既可以扩大就业、增加居民收入,又有利于促进社会纵向流动和公平正义,是当前中国社会经济结构调整中的迫切需求。而创新驱动实质上是人才驱动,国家急需一支规模宏大、富有创新精神、敢于承担风险的“创客”人才队伍,对于当今中国,“创客”人才教育迫在眉睫。

本文所提出“Arduino、树莓派、Android、机器人”创新技能训练模式,可为国内高等院校开展创新型人才培养提供一定的理论与实践参考。该创新技能训练模式,是一种低成本建设且有效的教育方案。Arduino Leonardo板购置成本为200元,树莓派套件购置成本约500元,普通机器人小车购置成本约1 000元左右,再加上传感器套件、摄像头及锂电池等配件,一个学生所需要的实验设备不超过3 000元,对于高校实验室建设而言,建设投入不大,即使学生自购设备，学生也可承受。同时,该训练模式所采用的软硬件技术均为当前主流开发技术,与社会需求接轨紧密,成体系的开发技能教学提供了学生实现自我创意的知识基础,为学生开启了“创客”之门。近3年的国内外教学实践也证明了该模式对学生创新实践能力培养的有效性。

References)

[1] DFRobot. DFRobot Website: History[EB/OL].http://www.dfrobot.cn/about-us.

[2] 李克强.2015年政府工作报告[EB/OL]. http://lianghui.people.com.cn/2015npc/n/2015/0305/c394298-26642056.html.

[3] 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.

[4] 祝智庭,孙妍妍.创客教育: 信息技术使能的创新教育实践场[J].中国电化教育,2015(1):14-21.

[5] 韩晨光,曲绍卫,纪效珲.能力基点:理工科大学生创业创客教育课程设计及实践:基于两岸理工科大学生创业能力调查数据[J].现代教育技术,2015,25(2):114-119.

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[7] 祝智庭,雒亮.从创客运动到创客教育:培植众创文化[J].电化教育研究,2015(7):5-13.

[8] 胡福文,徐宏海,张超英,等.基于创客文化的实验室开放平台建设研究与探索[J].实验技术与管理,2015,32(7):244-248.

[9] 贾杰.创客教育与高等院校工程训练的融合[J].实验技术与管理,2015,32(12):30-35.

[10] 团中央,全国学联.RoboMasters全国机器人大赛[EB/OL].http://www.cnrobocon.org/.

[11] 教育部学位与研究生发展中心.全国研究生创 新实践系列竞赛[EB/OL].http://zycx.chinadegrees.cn/.

[12] Innovative Research & Education of Asia. SPIED Website[EB/OL].http://ire-asia.org/ire/spied.

Exploration and practice of Maker skills training based on Android/Raspberry Pi/Arduino/robot

Zhu Yi1, Cao Qinghua1, Shan Tianhua1, Liu Huixia2, Pan Tianhong3

(1. School of Computer Science and Communication Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China;2. Engineering Training Center,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China;3. School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China)

In current China,training young Makers and innovative group is significant for expanding employment and developing economy. This paper proposes a new Maker skills training mode based on Android/Raspberry Pi/Arduino/Robot,and then introduces our innovative teaching practice and exploration surrounding this mode both at home and abroad. The teaching practical results show that this mode can obtain the favorable effect in innovative skills training,and its investment is quiet low.

Maker; innovative skills training; Android; Raspberry Pi; Arduino; robot

2015-12-26

2015中国学位与研究生教育学会面上课题(B1-2015Y0507-024)；2014江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题(JGZZ14-80)；教育部机械基础教指委教学研究项目(JJ-GX-jy201409)；2015江苏大学高等教育教改课题(2015JGZD 012)；2014江苏大学来华留学生教育研究项目(1221170043)； 2015江苏大学在线精品课程“移动互联网开发”

朱轶(1977—),男,江苏镇江,硕士，副教授,硕士生导师,主要从事未来网络与无人机技术研究.

E-mail：zhuyi@ujs.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2016)6-0172-05