基于開源硬件的嵌入式專業(yè)的教學(xué)改革

朱其慎　查英華

摘 要：針對嵌入式專業(yè)融合計算機、電子、自動控制等多學(xué)科，高職院校的嵌入式專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容難度大、實驗復(fù)雜性高、難以培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力和工程思維的問題，結(jié)合高職學(xué)生的認(rèn)知水平，將開源硬件引入嵌入式專業(yè)的專業(yè)課程教學(xué)。本文分析了Arduino、RaspberryPi等開源硬件的特點和優(yōu)勢，從教學(xué)內(nèi)容、嵌入式實驗室建設(shè)和創(chuàng)客教育等方面進(jìn)行了教學(xué)實踐，探討以開源硬件平臺為載體進(jìn)行嵌入式專業(yè)課程教學(xué)的可行性。

關(guān)鍵詞：開源硬件；嵌入式專業(yè)；教學(xué)改革；Arduino；Raspberry Pi

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1673-8454（2017）18-0027-04 一、 引言

自從2015年7月國務(wù)院印發(fā)《國務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》[1]，“互聯(lián)網(wǎng)+”概念提出以來，經(jīng)過近兩年的探索和發(fā)酵，“互聯(lián)網(wǎng)+”加速了傳統(tǒng)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，傳統(tǒng)制造企業(yè)和硬件設(shè)備企業(yè)的智能化與互聯(lián)網(wǎng)已深度融合。嵌入式專業(yè)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能手機、可穿戴設(shè)備、Android嵌入式開發(fā)和無人機等領(lǐng)域，使得企業(yè)對嵌入式專業(yè)的人才需求重新升溫，增長迅速；同時硬件的高度集成、模塊化對嵌入式人才的要求也隨即提升，但高職院校的嵌入式專業(yè)的人才培養(yǎng)卻相對滯后，無法滿足信息2.0時代對嵌入式人才的需求。高職的嵌入式專業(yè)屬于計算機、電子、自動控制等多專業(yè)的交叉學(xué)科，課程內(nèi)容包括底層硬件、軟件以及應(yīng)用程序的開發(fā)，專業(yè)課程的實踐教學(xué)因硬件復(fù)雜性高、學(xué)習(xí)難度大，大多以驗證性實驗為主，很難滿足企業(yè)對硬件設(shè)計人才的技術(shù)要求[2]。

為了提高高職院校的嵌入式人才的培養(yǎng)質(zhì)量以適應(yīng)當(dāng)今傳統(tǒng)行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型，必須對嵌入式專業(yè)的課程內(nèi)容更新優(yōu)化，引入新型的集成芯片和模塊化硬件設(shè)計等內(nèi)容，增加微電子學(xué)、自動控制和計算機等多學(xué)科交叉的知識內(nèi)容，提高課程的實踐性，這勢必使得課程的教學(xué)難度進(jìn)一步加大。高職院校的嵌入式專業(yè)學(xué)生的編程能力較強，但是電子、機械等硬件知識相對較差，解決兩者之間的矛盾成為高職院校嵌入式專業(yè)人才培養(yǎng)亟待解決的問題。

借助于開源軟件的發(fā)展思路，近幾年開源硬件開始受到嵌入式工程師、電子發(fā)燒友和創(chuàng)客等青睞和追捧[3]。Arduino作為最典型的開源硬件[4]，不僅提供交互良好的集成開發(fā)環(huán)境，也無需掌握單片機的底層設(shè)計和編碼，利用其提供的簡單函數(shù)即可實現(xiàn)功能，可以大大降低硬件知識薄弱的嵌入式專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，并能滿足當(dāng)今硬件集成化、模塊化的設(shè)計要求。本文在深入了解開源硬件的優(yōu)勢基礎(chǔ)上，探討開源硬件應(yīng)用于嵌入式專業(yè)的教學(xué)改革的可行性。

二、 嵌入式專業(yè)教學(xué)存在的問題

1.教學(xué)內(nèi)容難度大

高職院校的嵌入式專業(yè)一般在計算機院系開設(shè)，此專業(yè)是融合計算機、電子、自動控制等多專業(yè)的交叉學(xué)科，學(xué)生不僅需要學(xué)習(xí)計算機、電路電氣、自動控制等專業(yè)知識，還需要將這些知識融會貫通加以應(yīng)用。高職學(xué)生的基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)的主動性不足，計算機專業(yè)的高職學(xué)生面對相對較為深奧的電路、自控類知識，很容易知難而退，難以培養(yǎng)他們的專業(yè)技能和創(chuàng)新能力。目前，高職院校的嵌入式專業(yè)課程從《C語言程序設(shè)計》、《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》、《單片機與接口技術(shù)》、《ARM體系架構(gòu)》再到《嵌入式Linux開發(fā)》，教學(xué)內(nèi)容相對偏難，高職學(xué)生很難在有限的學(xué)時內(nèi)消化大量的知識，往往半途而廢。

2.教學(xué)方法變革小

嵌入式專業(yè)的專業(yè)課程實踐性很強，目前的教學(xué)方法多半是在完成理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行少量的驗證性實驗，學(xué)生實際動手組裝調(diào)試的實驗相對較少，很難完全理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法已完全不能適應(yīng)高職教育的要求。近幾年開展的嵌入式專業(yè)的省級、國家級技能大賽，大大促進(jìn)了嵌入式專業(yè)教學(xué)方法的改進(jìn)，通過大賽提高了學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)和動手實踐的興趣，并加快了專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的更新升級，使理論實踐教學(xué)有效融合。但競賽的作用依舊不能跟上行業(yè)發(fā)展的步伐，智能硬件的飛速發(fā)展對嵌入式專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容和方法都提出了更高的要求。

三、開源硬件的優(yōu)勢

1.開源硬件簡介

開源硬件（OpenSourceHardware）的概念源于開源軟件的許可方式，由開源運動發(fā)起人之一Bruce Perens在1997年首次發(fā)起的“開源硬件認(rèn)證計劃”正式確立[5]。開源硬件是指采用與開源軟件相同方式設(shè)計的計算機和電子硬件，硬件設(shè)計會公布電路原理圖、材料清單，設(shè)計圖以及軟件開發(fā)工具包等詳細(xì)信息[5]。

隨著FPGA、SoC設(shè)計的發(fā)展和嵌入式系統(tǒng)在各個行業(yè)的快速擴張，以及Google、Intel、Facebook等知名IT企業(yè)的推動，開源硬件的生產(chǎn)成本大大降低，各大企業(yè)都紛紛設(shè)立開源硬件平臺項目，代表性的開源硬件開發(fā)平臺包括：Arduino、樹莓派基金會的RaspberryPi、德州儀器的BeagleBone等，其中：Arduino體積小、價格低廉、良好的易用性和擴展性、活躍的技術(shù)社區(qū)、大量的示例項目和教程，是初學(xué)者進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)實現(xiàn)創(chuàng)意的入門級平臺工具，最適合硬件基礎(chǔ)弱的高職學(xué)生。

2.Arduino的特點和優(yōu)勢

Arduino是目前最受初學(xué)者歡迎的一款開源硬件開發(fā)平臺，秉承共享創(chuàng)意許可的開放源碼理念，由Massimo Banzi、David Cuartielles等人在2005年聯(lián)合設(shè)計完成[6]。Arduino的硬件包括Arduino官方板、硬件驅(qū)動、傳感器擴展板，軟件開發(fā)使用類似Java、C語言的ArduinoIDE，更有Scratch等圖形化開發(fā)軟件，進(jìn)一步降低了嵌入式開發(fā)的難度。

Arduino使用Atmel AVR單片機，盡管處理能力相對較弱，但它的優(yōu)勢更為明顯，包括：

（1）價格便宜，淘寶網(wǎng)的售價基本都在幾十元，加上常用傳感器、電機、二極管和電阻等的入門級開發(fā)套件也就一百多元，對于初學(xué)者和學(xué)校的實驗元器件投入都不是很大，完全能承受。endprint

（2）入門容易，Arduino作為目前最易上手、入門級的開源硬件開發(fā)平臺，提供的ArduinoIDE開發(fā)工具包對硬件底層的操作進(jìn)行了封裝，屏蔽了單片機的硬件編程細(xì)節(jié)，大大降低了學(xué)習(xí)難度，是高職學(xué)生作為初學(xué)者學(xué)習(xí)嵌入式最好的平臺。

（3）可擴展性好，Arduino提供了豐富的I/O接口，通過擴展板和自帶的I/O接口可以與鍵盤、鼠標(biāo)、常用傳感器、電機、顯示屏、藍(lán)牙、WiFi等模塊連接，實現(xiàn)功能擴展。

（4）學(xué)習(xí)資料豐富、產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈完整，Arduino的開源的第三方擴展函數(shù)庫眾多，不僅有豐富的教程和文檔，技術(shù)社區(qū)也非常活躍，初學(xué)者既能很容易找到相關(guān)的學(xué)習(xí)資料，開發(fā)問題也能在社區(qū)得到及時反饋，這將大大激發(fā)初學(xué)者的學(xué)習(xí)興趣。

3.RaspberryPi的特點

Raspberry Pi是由英國樹莓派基金會開發(fā)的基于ARM11架構(gòu)的開發(fā)平臺，自帶USB、HDMI、以太網(wǎng)、SD卡等常用接口，預(yù)裝Linux操作系統(tǒng)，支持Java、C、Python等開發(fā)語言，相當(dāng)于一臺微型化的低成本電腦，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、機器人、智能家居等領(lǐng)域[7]。盡管成本比Arduino高一些，但功能比Arduino強大很多，可以看作是升級版的Arduino。RaspberryPi具備以下特點：

（1）模塊化硬件結(jié)構(gòu)，基于RaspberryPi的所有擴展功能都只需購買成品模塊，可以像搭積木一樣將模塊插入相應(yīng)的接口即可工作，這就大大減少了學(xué)生對電子和硬件知識的要求，非常適合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

（2）價格適中，盡管RaspberryPi在淘寶網(wǎng)的價格大約是兩百多元，比Arduino貴一些，但在ARM11架構(gòu)開發(fā)板中價格相對便宜，加上自帶的豐富接口和強大的功能，使其具有很高的性價比，也能節(jié)省大筆的教學(xué)設(shè)備的采購費用。

（3）資源共享，全世界眾多的開源社區(qū)都有無數(shù)的極客、技術(shù)牛人和RaspberryPi發(fā)燒友將自己的設(shè)計、資源無私地分享出來，這種開源、分享、開放的力量不僅能幫助學(xué)生獲取更多的資源，也會使他們加入開源的隊伍，學(xué)會分享。

四、開源硬件在嵌入式專業(yè)的教學(xué)實踐

通過以上對Arduino和RaspberryPi優(yōu)勢的分析，嵌入式專業(yè)引入這些開源硬件平臺輔助教學(xué)，建立基于開源硬件的專業(yè)課程教學(xué)模式，將有助于學(xué)生從復(fù)雜的硬件設(shè)計解脫出來，降低難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)工程意識，本部分將從教學(xué)內(nèi)容、實驗室建設(shè)和創(chuàng)客教育等方面探討基于Arduino和RaspberryPi的教學(xué)實踐。

1.更新教學(xué)內(nèi)容

嵌入式專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課包括《C語言程序設(shè)計》、《單片機與接口技術(shù)》等，傳統(tǒng)教學(xué)方法都是按照知識點講解C語言的基本語法和運算、流程控制、數(shù)組和字符串、MCS-51單片機的組成結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)、串行通信、AD轉(zhuǎn)換等內(nèi)容，學(xué)生只能學(xué)到基本的編程知識，無法與嵌入式的實際工程應(yīng)用相關(guān)聯(lián)，容易喪失學(xué)習(xí)興趣。

在教學(xué)中引入Arduino，簡化工程應(yīng)用的復(fù)雜性，將知識點融入Arduino的實驗，設(shè)計趣味實驗案例向?qū)W生講解C語言的基本運算、流程控制、單片機接口技術(shù)等的編程實現(xiàn)[8]，不僅能幫助學(xué)生理解知識點，還能促進(jìn)學(xué)生了解這些知識點在工程中的應(yīng)用，讓學(xué)生盡早快速獲得成就感，提高學(xué)習(xí)興趣，增強開發(fā)體驗，可設(shè)置如表1所示的一些實驗增加教學(xué)的趣味性。

由此可見，Arduino開源硬件平臺作為嵌入式專業(yè)基礎(chǔ)課的入門級教學(xué)和實驗平臺，能有效地將教學(xué)內(nèi)容融入工程應(yīng)用中，增加高職學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。Arduino有處理各種傳感器數(shù)據(jù)的能力，在硬件開發(fā)上優(yōu)勢明顯，但是在《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》、《ARM體系結(jié)構(gòu)》和《嵌入式Linux開發(fā)》等偏重軟件開發(fā)的專業(yè)課教學(xué)比較困難。

傳統(tǒng)的嵌入式Linux開發(fā)教學(xué)一般都采用基于ARM9的S3C2410開發(fā)板，基于ARM開發(fā)板講解Linux移植裁剪、交叉編譯、驅(qū)動編程和應(yīng)用編程，這些教學(xué)內(nèi)容可以幫助學(xué)生深入理解Linux系統(tǒng)，但是開發(fā)的復(fù)雜性與教學(xué)難度都較大，高職學(xué)生很難學(xué)好。RaspberryPi可以在Linux系統(tǒng)應(yīng)用Java、Python等開發(fā)模式，如：使用Java語言和pi4j類庫，不需要編寫GPIO的Linux驅(qū)動，便可快速實現(xiàn)GPIO的操作，比傳統(tǒng)的S3C2410開發(fā)板的“驅(qū)動編寫 ->C語言編程 ->交叉編譯”的開發(fā)過程更容易掌握和實施，開發(fā)效率也大大提高；RaspberryPi推薦的Python語言只需幾行代碼就可實現(xiàn)TCP/IP通信，無需模擬器和交叉編譯即可運行[9]，開發(fā)過程比S3C2410開發(fā)板簡單高效，適合高職學(xué)生的教育，而且Python有相應(yīng)的類庫支持機器人、機械臂等的編程，很容易拓展到智能家居、智能機器人和智能可穿戴設(shè)備等項目。

2.建立基于開源硬件的嵌入式開發(fā)實驗室

高職院校目前普遍推行“項目引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動、學(xué)做合一”的教學(xué)模式，嵌入式專業(yè)是典型的工學(xué)結(jié)合的專業(yè)，在更新教學(xué)內(nèi)容的同時，也要注重實踐教學(xué)，實驗室的建設(shè)就顯得至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的嵌入式專業(yè)的實驗室建設(shè)都會購置價值五六千元的成套實驗箱，不僅成本高、學(xué)校投入大，而且學(xué)生只能按照實驗箱的要求進(jìn)行驗證性實驗，無法動手組裝相關(guān)模塊，動手實踐能力不能得到訓(xùn)練，創(chuàng)新意識得不到充分挖掘。

建立基于開源硬件的嵌入式開發(fā)實驗室，不僅成本大大降低，節(jié)省大筆的實驗室設(shè)備的投入，還能有效提高學(xué)生的動手能力。一個實驗室一般配置八到十組實驗臺，每個實驗臺配置價格低廉的Arduino開發(fā)板、RaspberryPi的開發(fā)板、常用傳感器、通訊模塊、OLED顯示模塊、面包板、杜邦線、電源和必要的電子元器件即可，成本不超過一千元，整個實驗過程無須焊接，學(xué)生可以利用面包板直接連線完成組裝、調(diào)試到應(yīng)用的全過程，各種模塊可以循環(huán)使用，也減輕了實驗室設(shè)備的維護(hù)成本和工作量[10]。endprint

3.構(gòu)建以開源硬件為支撐的創(chuàng)客教育模式

近兩年隨著互聯(lián)網(wǎng)浪潮、3D打印技術(shù)、Arduino等開源硬件日漸成熟，創(chuàng)客運動席卷全球。創(chuàng)客源自英語“Maker”，當(dāng)今賦予它的含義是指利用網(wǎng)絡(luò)、開源硬件、3D打印等新興技術(shù)，把具備技術(shù)挑戰(zhàn)的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實、勇于創(chuàng)新的一群人[10]。創(chuàng)客的創(chuàng)新、融合、實踐、開放和分享的精神與當(dāng)今高職院校的人才培養(yǎng)理念相契合，創(chuàng)客教育正在掀起教育變革的新浪潮，傳統(tǒng)的教學(xué)理念、教學(xué)模式正在被悄悄地改變[11]。

在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的政策引領(lǐng)下，高職教育如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，成為高職教育面臨的重大課題，將創(chuàng)客教育模式融入高職院校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育不失為一個全新的探索[12]。以Arduino、RaspberryPi為代表的開源硬件、3D打印等為技術(shù)支撐、以“師生創(chuàng)新工作室”為載體，構(gòu)建高職學(xué)生的科技創(chuàng)新體系，吸引不同專業(yè)背景、不同年級的學(xué)生加入，實現(xiàn)跨專業(yè)的協(xié)作和創(chuàng)新。圍繞Arduino等開源硬件開發(fā)“創(chuàng)新應(yīng)用原型展示中心”提升項目的原型交付能力、綜合實訓(xùn)的互動性和可操作性，幫助學(xué)生盡早獲得成就感，增強開發(fā)體驗和學(xué)習(xí)動力，通過“創(chuàng)意體驗和分享平臺”讓學(xué)生學(xué)會分享和協(xié)作。

五、基于開源硬件的教學(xué)實踐的效果

嵌入式專業(yè)的《C語言程序設(shè)計》、《單片機與接口技術(shù)》和《嵌入式Linux開發(fā)》等課程，利用Arduino、RaspberryPi這兩個開源硬件平臺，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計和整合，編寫了相應(yīng)的實驗指導(dǎo)講義，經(jīng)過兩年的教學(xué)實踐，這些課程的教學(xué)內(nèi)容和實驗指導(dǎo)已基本完善，同時通過實驗室的持續(xù)建設(shè)和創(chuàng)客教育的引導(dǎo)，取得了良好的教學(xué)實踐效果，學(xué)生在職業(yè)技能、團隊協(xié)作、工程思維和創(chuàng)新意識等方面都得到了提高，畢業(yè)生也受到企業(yè)的歡迎，畢業(yè)生的就業(yè)率一直穩(wěn)居計算機學(xué)院的前列，并有多名學(xué)生創(chuàng)立了自己的公司。學(xué)生畢業(yè)論文、各類競賽等成績都非常突出，多次榮獲省級一、二等獎。創(chuàng)客教育模式也培養(yǎng)了學(xué)生的想象力和創(chuàng)新意識，部分學(xué)生課后繼續(xù)完善實訓(xùn)項目，將自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實，多個項目申報了省級、校級的大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目，有的還申請了專利，取得了積極的成效。

六、 結(jié)束語

在分析了嵌入式專業(yè)課程教學(xué)存在的問題的基礎(chǔ)上，提出了基于開源硬件進(jìn)行教學(xué)實踐改革的思路，將Arduino和RaspberryPi分別引入嵌入式專業(yè)的相關(guān)專業(yè)課的教學(xué)中。Arduino、RaspberryPi等開源硬件的易用性、可擴展性和價格優(yōu)勢，使得嵌入式專業(yè)的課程教學(xué)變得生動有趣，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提高了學(xué)生的動手實踐能力，也激發(fā)了學(xué)生主動參與項目設(shè)計和參加各類競賽的積極性。

后續(xù)工作中，我們將繼續(xù)積累Arduino、RaspberryPi等開源硬件平臺的教學(xué)經(jīng)驗，逐步更新《ARM體系結(jié)構(gòu)》和《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》的教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步細(xì)化嵌入式專業(yè)的人才培養(yǎng)體系，建設(shè)有特色的嵌入式實驗室，不斷完善創(chuàng)客教育和專業(yè)教學(xué)的銜接，期望取得更好的教學(xué)效果。

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