Arduino在單片機(jī)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)剖析

王文軍

摘 要： 高職電類專業(yè)教學(xué)中傳統(tǒng)單片機(jī)的教與學(xué)存在著諸多不足，而Arduino函數(shù)庫(kù)模塊化，程序代碼簡(jiǎn)單易學(xué)，代碼開放源，成本低廉的特點(diǎn)，使其應(yīng)用于高職電類專業(yè)教學(xué)更符合高職生知識(shí)和心理結(jié)構(gòu)，有利于高職生掌握單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué) Arduino特點(diǎn) 教學(xué)優(yōu)勢(shì)

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2016）09-0236-01

一、Arduino產(chǎn)生背景

Arduino是由意大利米蘭交互設(shè)計(jì)學(xué)院的兩位教師 David Cuartielles 和 Massimo Banzi 聯(lián)合創(chuàng)建，是一款便捷靈活、方便使用的開源電子原型平臺(tái)，它構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語(yǔ)言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。它包含兩個(gè)主要的部分：硬件部分是可以用來(lái)做電路連接的Arduino電路板；另外一個(gè)則是Arduino IDE，即計(jì)算機(jī)的程序開發(fā)環(huán)境。Arduino能通過各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過控制燈光、電機(jī)和其他裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境，支持多樣的互動(dòng)程序，如 Flash，Max/MSP，VVVV，PureData，C，Processin 等。

二、傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)中的困境

目前高職電類專業(yè)的課程設(shè)置中，單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用是專業(yè)基礎(chǔ)課程，是每個(gè)學(xué)生的必修課程，要求學(xué)生完成該課程后熟練掌握單片機(jī)相關(guān)知識(shí)，利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的單片機(jī)課程理論內(nèi)容多、難度大，超越了絕大多數(shù)高職學(xué)生的認(rèn)知水平，使得人才培養(yǎng)目標(biāo)常常不能實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)中編程語(yǔ)言一般是匯編語(yǔ)言或C51語(yǔ)言，其中匯編語(yǔ)言由于涉及到單片機(jī)硬件的底層結(jié)構(gòu)，需要熟悉掌握各類寄存器的讀寫等；C51語(yǔ)言相對(duì)匯編語(yǔ)言不需過多涉及單片機(jī)底層結(jié)構(gòu)，通過C51語(yǔ)言的學(xué)習(xí)能夠完成一般接口的控制和應(yīng)用，但是學(xué)習(xí)中涉及到專用傳感器、顯示器等器件時(shí)，復(fù)雜的代碼和高要求的時(shí)序就大大增加了學(xué)習(xí)的難度，但因?yàn)楸仨氁莆崭鞣N傳感器、顯示器實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生需要花費(fèi)大量時(shí)間學(xué)習(xí)各種協(xié)議和時(shí)序，客觀上影響了應(yīng)用和開發(fā)層面的學(xué)習(xí)，而且學(xué)習(xí)過程復(fù)雜且枯燥，也容易使學(xué)生失去單片機(jī)學(xué)習(xí)的興趣。實(shí)際上，從人才培養(yǎng)目標(biāo)來(lái)看，單片機(jī)技術(shù)應(yīng)該以應(yīng)用為主，學(xué)生掌握較深的單片機(jī)理論知識(shí)沒有必要。

三、Arduino在單片機(jī)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

高職教學(xué)應(yīng)該符合“實(shí)用、夠用，能用”的原則。簡(jiǎn)化單片機(jī)學(xué)習(xí)中復(fù)雜、繁雜的中間過程——硬件的制作和軟件的編程，掌握系統(tǒng)整合能力，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的電路功能，急需一種簡(jiǎn)單實(shí)用的開放式學(xué)習(xí)模式，而Arduino的出現(xiàn)，并且在高職教學(xué)中推廣應(yīng)用是一種較好的解決目前單片機(jī)教學(xué)困境的有效辦法，它相對(duì)傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)有不少優(yōu)勢(shì)。

1.程序代碼簡(jiǎn)單易用

Arduino發(fā)明之初就是為了解決電子技術(shù)難學(xué)、程序代碼難編程的不足。Arduino IDE是基于processing IDE開發(fā)的，極易掌握，同時(shí)它又有著足夠的靈活性。Arduino語(yǔ)言基于wiring語(yǔ)言開發(fā)，是對(duì) AVRGCC庫(kù)的二次封裝，不需要太多的單片機(jī)知識(shí)，Arduino的程序語(yǔ)言類似于C/C++的語(yǔ)法，隨著IDE的更新，它包含了許多基本常用的函數(shù)庫(kù)，如EEPROM、網(wǎng)絡(luò)通信（Ethernet）、舵機(jī)控制（Servo）、步進(jìn)電機(jī)控制（Stepper）等。有了這些函數(shù)庫(kù)，可以節(jié)省大量的單片機(jī)繁瑣的底層知識(shí)學(xué)習(xí)和編程時(shí)間。只要了解函數(shù)的應(yīng)用及對(duì)參數(shù)設(shè)定，就可以輕松完成電路的設(shè)計(jì)。比如在智能機(jī)器人設(shè)計(jì)中，需要用到舵機(jī)控制，如果采用傳統(tǒng)單片機(jī)方式來(lái)設(shè)計(jì)，因舵機(jī)的控制需要產(chǎn)生PWM信號(hào)，編寫的代碼相當(dāng)復(fù)雜。而應(yīng)用Arduino時(shí)，只需直接調(diào)用頭文件，利用函數(shù)“**servo.write（i）”即完成舵機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，代碼簡(jiǎn)潔明了。

2.資源開放易于獲取

Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而大多數(shù)控制器只能在Windows上開發(fā)。所有軟硬件資源放在網(wǎng)絡(luò)上，有任何需要都可以在網(wǎng)絡(luò)上找到解答。在Arduino的發(fā)展中，由于源代碼的開放性，世界各地的電子愛好者或者電子積木創(chuàng)意者緊隨電子科技的發(fā)展，不斷開發(fā)出應(yīng)用程序，更新、添加Arduino庫(kù)函數(shù)，拓展了實(shí)踐應(yīng)用范圍。網(wǎng)上有許多社交網(wǎng)站供愛好者討論和學(xué)習(xí)，這種“互聯(lián)網(wǎng)+”的學(xué)習(xí)模式符合高職主流教學(xué)模式。對(duì)于高職院校電類專業(yè)學(xué)生，掌握Arduino編程，僅需掌握 C語(yǔ)言基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)后，就可以利用各種資源快速的進(jìn)行電路開發(fā)。

3.成本低廉方便推廣

Arduino應(yīng)用系統(tǒng)具備電子積木式特點(diǎn)，通過以Arduino開發(fā)板為核心，配合各種傳感器、電機(jī)等積木式外設(shè)，容易搭建出智能控制系統(tǒng)。由于代碼的開放性，同時(shí)Arduino硬件是基于AVR芯片發(fā)展而來(lái)，如網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)淘寶等電子P2P平臺(tái)有極其豐富的產(chǎn)品且發(fā)展迅速。根據(jù)不同應(yīng)用方向Arduino開發(fā)板有十幾種，各種積木式應(yīng)用模塊也是應(yīng)有盡有且價(jià)格低廉； Arduino的代碼開放性及發(fā)明人基本不收取專利費(fèi)，可以快速建設(shè)Arduino實(shí)訓(xùn)室；普通學(xué)生也購(gòu)得起，玩得起，課余時(shí)間也能夠自主學(xué)習(xí)，使得利用Arduino進(jìn)行學(xué)習(xí)、創(chuàng)意成本低廉、成效顯著，可以更好地提升單片機(jī)理論和實(shí)踐水平。

四、結(jié)束語(yǔ)

Arduino發(fā)展十年，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展及眾多電子設(shè)計(jì)人員的努力，Arduino作為互動(dòng)電子創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作的平臺(tái)，越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用。許多高職院校不斷地探索將Arduino應(yīng)用于教學(xué)中，也取得了一定的效果。由于易學(xué)易懂，成本低廉，高職院校電類專業(yè)學(xué)生甚至其他專業(yè)的學(xué)生，通過模塊化電子積木方式，自己創(chuàng)意創(chuàng)新完成設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，可以增加單片機(jī)技術(shù)學(xué)習(xí)樂趣，提高單片機(jī)技術(shù)水平，為就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

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