基于開源平臺Arduino的大學(xué)創(chuàng)客實(shí)踐探索

孫秋鳳

摘 要：Arduino是一個開放源碼電子原型平臺，擁有靈活、易用的硬件和軟件，專為設(shè)計師、工藝美術(shù)人員、業(yè)余愛好者以及對開發(fā)互動裝置或互動式開發(fā)環(huán)境感興趣的人而設(shè)。Arduino可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以與計算機(jī)上運(yùn)行的軟件通信。Arduino基于開放源代碼開發(fā)IDE接口，適合在電子信息類專業(yè)中引入，可調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)意，開發(fā)出令人驚艷的互動作品。

關(guān)鍵詞：Arduino；開源硬件；創(chuàng)客；IDE接口

中圖分類號：TP482 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-0-02

0 引 言

近幾年各用人單位越來越重視畢業(yè)生的動手能力和實(shí)踐操作水平，因此各大高校十分重視實(shí)踐教學(xué)管理，支持本科生參與科研活動，早進(jìn)課題，早進(jìn)團(tuán)隊，希望以科研促進(jìn)教學(xué)，以此促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[1]。但在實(shí)際的教學(xué)過程中，大多數(shù)學(xué)生編程基礎(chǔ)薄弱，只是被動、機(jī)械地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，再加上硬件實(shí)驗設(shè)備的封閉性，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，抑制了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

經(jīng)過廣泛調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)Arduino作為一款開源電子原型平臺，有很強(qiáng)的易用性和擴(kuò)展性，該實(shí)驗平臺無需學(xué)生掌握復(fù)雜的編程語言，只需了解其函數(shù)用法即可進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計。這款價格低廉，風(fēng)靡于電子愛好者、設(shè)計師甚至藝術(shù)家們的硬件開發(fā)平臺已經(jīng)成為創(chuàng)客們的主要開發(fā)工具。本文以電子信息專業(yè)的“機(jī)器人基礎(chǔ)”課程為例，探索在創(chuàng)客理念指導(dǎo)下的本科生創(chuàng)新課程設(shè)計。

1 創(chuàng)客教育

“創(chuàng)客”是個舶來詞，源自英文“Maker”，主要指出于個人愛好，借助各種現(xiàn)代信息技術(shù)將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人[2， 3]。現(xiàn)在的創(chuàng)客已經(jīng)不僅僅局限于科技達(dá)人，本文所提倡的創(chuàng)客是指利用開源軟硬件技術(shù)將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的年輕人。當(dāng)這種創(chuàng)客文化進(jìn)入校園，便形成了創(chuàng)客教育。在目前的課程標(biāo)準(zhǔn)體系中，創(chuàng)客教育更多的應(yīng)用在學(xué)生社團(tuán)中，但這并不能充分展現(xiàn)其應(yīng)用價值。創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生要主動思考，積極動手、設(shè)計，這種理念對促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有重要意義。此外，創(chuàng)客教育對課程設(shè)計的系統(tǒng)性和完整性也有重要作用。

2 Arduino簡介

Arduino作為一款開源的電子制作平臺，具有重量輕、體積小的特點(diǎn)，該平臺由包括各種型號的Arduino控制板的硬件部分和包括Arduino集成開發(fā)環(huán)境和編程接口的軟件部分組成[3]。Arduino控制板如圖1所示?；A(chǔ)實(shí)驗示例見表1所列。

Arduino自帶的I/O接口和擴(kuò)展板能與各種傳感器、步進(jìn)電機(jī)、藍(lán)牙、舵機(jī)等相連，而且Arduino也是獨(dú)立于其他軟件溝通的平臺，如Flash，Processing，Max/Msp等[4]。

由于是開源硬件，Arduino的很多案例代碼都能在相關(guān)技術(shù)論壇得到，初學(xué)者只要下載、學(xué)習(xí)、修改、燒錄、調(diào)試，即可得到自己的項目，這也使其很快在不同領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

3 “機(jī)器人基礎(chǔ)”課程設(shè)計

為了培養(yǎng)學(xué)生的動手創(chuàng)新能力，我校從2015年秋開始設(shè)置“機(jī)器人基礎(chǔ)”課程，并為此配置了相關(guān)教學(xué)設(shè)備。

3.1 基礎(chǔ)課程

基礎(chǔ)課程配合使用Arduino中級套件，由教師講解表2所列的多個示例，讓學(xué)生由淺入深，逐漸培養(yǎng)興趣。該中級套件包括Arduino Uno R3主控板和傳感器擴(kuò)展板V7，搭配17款常用的傳感器和執(zhí)行設(shè)備，構(gòu)成獨(dú)特的積木式接口元件。只需將傳感器直接插在擴(kuò)展板上即可，相比傳統(tǒng)面包板實(shí)驗省去了搭電路的麻煩，學(xué)生可以直觀感受，大大激發(fā)了學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造力。Arduino中級套件如圖2所示。

3.2 綜合實(shí)驗

在綜合實(shí)驗環(huán)節(jié)中，需要掌握智能小車的基本功能。主要器件是圖3所示的A4WD四輪驅(qū)動機(jī)器人套件，它帶有一個多功能平臺，用于固定主控板、機(jī)械臂和傳感器支架等，同時在底盤上還安置了延伸平臺，可以添加巡線、超聲波和紅外等探測傳感器。相關(guān)實(shí)驗示例見表2所列。

3.3 自主創(chuàng)新

在經(jīng)過第一部分和第二部分的學(xué)習(xí)后，學(xué)生能夠掌握基本傳感器的使用，并能編程實(shí)現(xiàn)智能小車的基本運(yùn)動，因此在自主創(chuàng)新的教學(xué)模塊中主要以學(xué)生動手實(shí)踐為主，既能檢驗之前的學(xué)習(xí)效果，又能讓學(xué)生的創(chuàng)造能力集中體現(xiàn)。以往的教學(xué)效果顯示，在本環(huán)節(jié)，學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力最好。下面介紹兩個學(xué)生獨(dú)立完成的綜合實(shí)驗：

（1）基于BLE-LINK藍(lán)牙4.0模塊實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)對智能小車的遙控，如圖4所示。

—→

編寫Android手機(jī)的終端程序，借助藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)對智能小車的基本控制（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止）。學(xué)生通過主動學(xué)習(xí)，反復(fù)實(shí)驗，逐漸解決出現(xiàn)的各種問題，如通訊不靈敏，小車速度調(diào)整等，在這個過程中可以迅速提升學(xué)生的合作能力、創(chuàng)造思維能力和學(xué)習(xí)能力。

（2）移動的溫度計如圖5所示。利用智能小車機(jī)器人在尋跡的過程中自動感知溫濕度，并在I2C LCD1602液晶模塊上顯示出當(dāng)前的溫度和濕度。后續(xù)可使用Raspberry Pi（樹莓派）作為上位機(jī)[5]，搭建嵌入式服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時發(fā)布與遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié) 語

“機(jī)器人基礎(chǔ)”課程的開設(shè)是我校針對大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個探索，在這個過程中需要老師和學(xué)生共同參與。學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)來認(rèn)識機(jī)器人的實(shí)體，通過動手組裝、編程對開源硬件Arduino有了基本了解，為后續(xù)的課程和工作奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過一學(xué)期的實(shí)施，可以得出下列結(jié)論：

（1） 將開源硬件Arduino作為創(chuàng)新能力培養(yǎng)的平臺，可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的自信心。

（2） 以創(chuàng)客教育為理念的教學(xué)思路可以在實(shí)驗類的課程中大力推廣，積極響應(yīng)教育部對深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)改革的號召[6]。

（3）可在已有教學(xué)過程中積累相關(guān)教學(xué)資源，為完善“機(jī)器人基礎(chǔ)”課程的教材奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧欣，王進(jìn)，于洪，等.開源硬件在“智能機(jī)器人”實(shí)踐課程中的應(yīng)用[J].計算機(jī)教育，2015（18）：105-110.

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

[3] 祝智庭，孫妍妍.創(chuàng)客教育：信息技術(shù)使能的創(chuàng)新教育實(shí)踐場[J].中國電化教育， 2015（1）：14-21.

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

[5] 朱軼，曹清華，單田華，等.基于Android、樹莓派、Arduino、機(jī)器人的創(chuàng)客技能教育探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗技術(shù)與管理，2016，33（6）：172-176.

[6] 賈杰.創(chuàng)客教育與高等院校工程訓(xùn)練的融合[J].實(shí)驗技術(shù)與管理，2015，32（12）：30-32.

[7]李嘉秀.基于Arduino平臺的足球機(jī)器人在RCJ中的應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（3）：97-100.

[8]謝杰騰，顏曉文.基于Android手機(jī)語音和Arduino控制板的機(jī)器人控制系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（3）：101-102.