將開源硬件引入電子實訓與創(chuàng)新實踐的教改初探

唐敏?金一鳴

摘 要：分析典型開源硬件特點，探討將其引入電子實訓與創(chuàng)新實踐的教學。筆者根據(jù)已開展的Arduino開源硬件進行電子實訓與創(chuàng)新的教學情況，認為將開源硬件引入電子實訓與創(chuàng)新實踐可以使更多學科、更大群體學生深入開展電子實訓，有利于激發(fā)和提高學生的創(chuàng)新能力，對于高校進行電子實訓與創(chuàng)新實踐教學改革具有借鑒意義。

關鍵詞：開源硬件；Arduino；BeagleBoard；Raspberry Pi；電子實踐與創(chuàng)新

中圖分類號：G420 文獻標識碼：B 收稿日期：2015-11-27

教育部在《教育部關于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中指出了在創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式與強化實踐育人環(huán)節(jié)方面的相關意見。[1]在電子實訓中，學生們普遍認為電子與電氣知識比較深奧，所以很難有自覺深入學習的興趣和動力，使得學生無法積極主動地進行實踐，抑制了學生創(chuàng)新的潛力。 [2][3][4]

開源硬件（Open Source Hardware）是指用與自由及開源軟件相同的方式設計的計算機和電子硬件。[5]開源硬件的出現(xiàn)，能在很大程度上解決了電子實踐方面的難題，并且對于改善現(xiàn)狀有著積極的影響。

目前常見的開源硬件有50余種，[6]從功能、價格、難度、擴展支持等角度進行考察，筆者認為在電子實訓與創(chuàng)新實踐教學中采用Arduino和Beagle Board開源硬件較為可行。

一、常見的開源硬件

1.Arduino開源硬件

Arduino開源硬件主要包含硬件Arduino控制板和軟件Arduino IDE。目前，控制板已經(jīng)發(fā)展到Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad、Arduino Mega2560、Arduino Ethernet、Arduino Due、Arduino Leonardo、Arduino Yun等。

Arduino開源硬件具有如下優(yōu)點[7]： ①Arduino及周邊產(chǎn)品相對質(zhì)廉價優(yōu)；②簡單易學的開發(fā)環(huán)境；③Arduino的可擴展性很強；④Arduino資料容易獲??；⑤良好的跨平臺性。

2.BeagleBoard開源硬件

Beagle Board是基于德州儀器OMAP3530芯片的低能耗開源硬件。2011年10月發(fā)布BeagleBoard初版，其CPU主頻為720MHz，RAM為256MB。2013年4月發(fā)布BeagleBoard Black升級版，其CPU主頻增至1GHz，RAM 增至512MB，還增加了HDMI輸出和2GB的eMMC閃存。[8]

BeagleBoard具有如下優(yōu)點：①CPU處理能力強，內(nèi)存大；②擴展性強，包含了HDMI接口、USB接口等通用接口，可兼容普通PC輸入輸出設備；③可運行Linux系統(tǒng)，作為準系統(tǒng)、微型桌面機運行。

3.Raspberry Pi開源硬件

Raspberry Pi即樹莓派開源硬件。它包含博通ARM11架構的BCM2835 CPU，主頻700MHz?？砂惭bLinux系統(tǒng)，支持1080P視頻硬解碼。[9]

樹莓派具有如下優(yōu)點：①價格適中，功能性價比高；②兼容性強，接口豐富，兼容PC外接設備；③與Arduino類似，擁有龐大的網(wǎng)絡社區(qū)用戶、大量的示例項目和教程。[10]

作者通過對以上常見的開源硬件平臺的特色優(yōu)勢分析認為，對于更多學科、更大的學生群體深入開展電子實訓教學而言，引入該平臺具有很強的可行性。

二、基于開源硬件的教學案例

1.電子實訓教學案例

采用Arduino開源硬件進行如下實訓內(nèi)容：①用LED實現(xiàn)閃爍、廣告燈效果；②用蜂鳴器模擬救護車、警笛等聲音；③用按鍵、傾斜開關控制LED燈；④實現(xiàn)火焰報警、煙霧報警、溫度報警功能；⑤實現(xiàn)搶答器功能；⑥實現(xiàn)紅外遙控器功能。

2. 創(chuàng)新實踐教學案例

學生基于Arduino完成的創(chuàng)新實踐項目。

（1）智能防盜門：用傳感器收集數(shù)據(jù)，滿足觸發(fā)警報條件時，系統(tǒng)進入倒計時。以計算機串口輸入密碼，密碼正確則關閉系統(tǒng)，當超時或者密碼錯誤時將觸發(fā)蜂鳴器警報。

（2）倉庫溫濕度監(jiān)測：探測溫濕度變化，定時將溫濕度數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送給手機。

3.教學效果與分析

根據(jù)教學情況，可以得出以下結(jié)論：①基于開源硬件的電子實訓是以學生為主的教學實踐；②基于開源硬件的創(chuàng)新實踐能充分調(diào)動學生的學習積極性和自主性，激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識；③基于開源硬件的電子實訓與創(chuàng)新實踐由于硬件的易用性與可擴展性，使得對于更多學科、更大的學生群體進行電子實訓與創(chuàng)新實踐變得切實可行。

三、結(jié) 語

本文分析了幾種典型開源硬件的特點，介紹了在學校工程訓練教育中引入開源硬件進行電子實訓與創(chuàng)新實踐的應用可行性，初步形成了以Arduino開源硬件平臺進行電子實訓與創(chuàng)新的教學模式。

實踐表明，在此模式下實現(xiàn)了對于更多學科、更大的學生群體開展電子實訓的教學，這不僅極大地激起了學生的學習興趣，調(diào)動了學生的積極性，提高了學生的實踐能力與理論水平，也激發(fā)了學生的想象力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識。

在以后的教學實踐中，我們將繼續(xù)探索其他典型開源硬件平臺如BeagleBoard、Raspberry Pi等在電子實訓與創(chuàng)新實踐方面的應用，不斷完善和改進具體實施措施，取得更好的教學改革效果。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.教育部關于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見[DB/oL].http：//www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s 6342/201301/xxgk_146673.html.

[2]趙廣元，王文慶，蔡秀梅.創(chuàng)客教育視野下“計算機網(wǎng)絡”課程實驗設計[J].現(xiàn)代教育技術，2015，25（9）：116-121.

[3]秦 健，閆 超，董長智.Arduino機器人在推進素質(zhì)教育方面的應用淺析[C].計算機與教育（實踐·創(chuàng)新·未來——全國計算機輔助教育學會學術年會），2014.225-232.

[4]袁 麗.基于開源硬件的電子實習教改初探[J].教育教學論壇， 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，徐曉慧，顧志華，等.基于Arduino的智能小車避障系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代電子技術，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. 開源硬件：撬動創(chuàng)客教育實踐的杠桿[J].中國電化教育，2015，（4）：7-14.