基于开源平台Arduino的创业实践课程创新研究

张冲杰，林玉梅，郭 俊

（泉州信息工程学院 软件学院，福建 泉州 362000）

0 引 言

从2019年开始，在借鉴国内兄弟院校 Arduino 程序设计课程教学改革和创新创业实践课程教学改革的基础上[1-3]，我们利用开源平台Arduino的经济性和适用性，在物联网工程专业和软件工程专业的创新创业实务课程教学中，融入了Arduino的先进适用技术，开展了课程教学创新改革研究。经过三年多的研究实践，已经取得了一定的成效。

1 课题的核心概念及其界定

（1）Arduino中文可译为阿对诺，是近年来国外流行的开源电子产品创作平台系统，包含硬件和软件两个子系统。硬件子系统包括各种型号的Arduino主板和扩展板卡；软件子系统主要为Arduino IDE，使用类似Java和C语言开发环境。Arduino平台系统的特点一是跨平台，Arduino IDE可以在Windows、Linux等主流操作系统上运行；二是简易性，Arduino IDE编程语言简单；三是开放性，Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件（第三方控件）均开源，多数能够从网上免费下载[4-5]。

Arduino不同于树莓派（Raspberry Pi）。树莓派是只有信用卡大小的袖珍型电脑，基于Linux操作系统，工程项目设计需要借助专业板卡、专业软件和第三方控件。Arduino也不同于单片机（Micro Controllers），单片机只是一种小微集成电路芯片，具有集成技术等级比较低的CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O和中断系统等，适用于比较简单的实验和工程项目设计，复杂项目需要借助专业软件和第三方控件。

（2）开源平台。开源是指开放源代码（Open Source Code），是当今世界流行的软件发布模式。开源平台是指Arduino平台，它涉及的配套软件可从其专属网站免费下载，涉及的硬件则采用Creative Commons许可；这种许可允许任何使用者复制、改进和销售Arduino主板及其软件，无需缴纳费用，只是改进和销售者都必须声明其改进源于原始Arduino，并承诺新版Arduino系统也开源。

（3）创业实践课程。Arduino平台可以有机融合计算机类各专业涉及实验实训与创业实践的课程。例如，物联网工程、软件工程等专业的《创新创意实务专题制作》，物联网工程专业的《RFID原理与与应用》《传感器原理及应用》等，网络工程专业的《电子与电路基础》《路由与交换技术》等[6-8]。

2 研究系统设计

2.1 研究的目标、内容与重点

（1）研究目标。在准确把握“新工科”教学特点的基础上，针对计算机类工作岗位对相应专业人才工程能力的要求，充分利用Arduino的先进性和适用性，融合并改进现有计算机类本科教育相关课程教学内容，以尽可能有效的教学手段、尽可能低的实验成本和时间成本，提升专业教学质量和人才培养质量。计划在一个研究周期内（2年），有2个以上专业3门以上创业实践课程参与教学内容融合实验，有1门以上课程形成新的课程标准。

（2）内容与重点。研究内容包括计算机类各专业涉及的实验实训与创业实践课程的界定，课程可以融入Arduino平台技术；创业实践课程融入Arduino平台技术的教学模式和教学方法研究，采用云平台+移动终端的方式融合辅助教学方法研究；创业实践课程融入Arduino平台技术内容的新课程标准制定，融入Arduino平台技术的新课程教学效果评价研究。课题重点是创业实践课程融入Arduino平台技术的教学内容优化及其有效性研究。

2.2 研究的思路、过程与方法

（1）研究思路。根据国务院《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，“新工科”要培养具有历史使命感和社会责任心、富有创新精神和实践能力的创新型、应用型、复合型人才；针对民办应用型本科高校现有工科教育基础偏弱，师资力量和实验实践资源有限等实际情况，可充分利用Arduino平台开源、简易和跨平台等特性，让学习者能够以轻松的学习方式和较低的学习成本较好地完成学习任务和项目开发任务。

（2）研究过程和方法。①参考借鉴Arduino开源平台应用先进性和适用性研究成果，国外主要参考Arduino之家https：//www.arduino.cc/，国内主要参考Arduino中文社区https：//www.arduino.cn/，采用文献法和比较研究分析法。②计算机类各专业涉及实验实训与创业实践课程的界定，以及课程融入Arduino平台技术，对接工程认证标准和行业岗位规范，采用头脑风暴法和辨证归纳法。③融入Arduino项目的课程体系优化及其有效性研究，采用戴明环循环和系统架构优化方法[9]。

3 研究过程和取得的成果

3.1 研究过程

（1）研究准备阶段。计划期为2020年12月至2021年3月，主要工作是组织研究团队，编制研究工作计划，搜集研究资料。在这一阶段，课题组成员收集了大量国内外Arduino开源电子创作平台系统研究资料，包括硬件和软件两个子系统的应用研究资料。硬件子系统包括各种型号的Arduino主板和扩展板卡，软件子系统主要是Arduino IDE，以及核心库文件（第三方控件）。还搜集了大量的国内Arduino开源平台应用案例。

（2）研究实验阶段。计划期为2021年3月至2022年2月，主要工作是开展计算机类各专业课程融入Arduino平台技术，创业实践课程融入Arduino平台技术的教学模式和教学方法研究，创业实践课程融入Arduino平台技术内容的新课程标准制定，融入Arduino平台技术的新课程教学效果评价研究。计划在一个研究周期内，有一至两个专业的创业实践课程参与教学内容融合实验，有一门以上课程形成新的课程标准。

3.2 研究取得的成果

（1）创业实践课程融入Arduino平台系统。在2020—2021学年第二学期，课题组成员先后在物联网工程专业和软件工程专业的实践课程“创新与创业实务”的教学中，融入Arduino开源系统内容。融入的方式有两种，一种是专题讲座，讲授内容包括Arduino硬件和软件介绍，Arduino、树莓派和单片机的异同点，Arduino系统应用于工程的解决方案，Arduino应用于创新创业竞赛的成功案例等。另一种是纳入计划课时，讲授和实训相结合，实训内容见表1所列。

表1 创新创业课程融入的Arduino实训内容

（2）物联网工程专业核心课程融入Arduino平台技术内容。在总结创业实践课程融入Arduino平台系统教学内容经验的基础上，课题组成员也在物联网工程专业核心课程“RFID原理与应用”的实验教学中，融入Arduino平台技术内容，编写出课程实验教学大纲和实验指导书，并实施于2021—2022学年第一学期的教学班级。

“RFID原理与应用”实验教学融入Arduino平台技术的内容包括验证性实验和综合性实验。验证性实验有双色LED控制实验、继电器控制实验、红外线遥控实验、传感器控制实验和液晶板显示实验等；综合性实验有门禁系统实验、手机APP远程控制实验等。融入Arduino平台技术内容的课程实验教学大纲如图1所示。

图1 融入Arduino平台技术内容的课程实验教学大纲

（3）创业竞赛和毕业设计融入Arduino平台技术内容。Arduino平台系统的编程相对比较简单，IDE软件及核心库文件开源；主板、扩展板以及硬件原理图、电路图均开放。从教学实际来看，学生的学习积极性普遍高涨。先后有2018级和2019级物联网工程班的同学在创新创业项目竞赛中融入Arduino平台技术内容，取得了不俗的成绩。例如，2018级物联网1班信风团队应用Arduino平台系统设计的景区导游机器人，获得了2019年第九届全国大学生智能设计竞赛三等奖[10]。

也由于Arduino平台系统的先进性和适用性，从2019年开始，在专业教师的指导下，不少物联网工程和软件工程专业的应届毕业生选用Arduino平台系统设计作为毕业设计项目。例如，物联网工程专业学生完成的《基于Arduino的人脸识别门禁系统的设计与实现》《Arduino城市井盖监测系统的设计与实现》，软件工程专业学生完成的《Arduino智能家居系统的设计与实现》等，在毕业论文答辩时获得企业专家的一致好评。

4 结 语

由于Arduino平台系统的先进性、适用性和经济性，它将助力“新工科”各专业创业实践课程不断创新。Arduino平台技术内容对各专业教学内容的融合，将彻底改变部分专业学生学习软件不懂硬件，学习硬件不懂软件的尴尬局面。它将帮助文科和商科学生，实现编程与硬件系统集成零的突破。可以肯定，对于那些在校期间就感悟到跨专业学习对职场成长重要性的优秀学生而言，Arduino平台系统就是通向成功的捷径。

Arduino平台系统的硬件包括主板和扩展板、配件（传感器等）、面包板和连接线，只需花费几百元；各实验项目的源代码和库文件均开源（免费）。这对于比较讲究学习成本的办学单位，以及需要节省开支的学生而言，无疑是极大利好。讲究教学质量和学习质量的单位和个人，都可以从中获得显著的学术价值和经济效益。