基于Arduino平臺的網(wǎng)絡教學實驗模塊

吳杰

摘要：物聯(lián)網(wǎng)是當前電子信息技術重要發(fā)展領域，在高等教育進行教學改革之后，大量基于MOOC和微課的網(wǎng)絡課程投入到教學當中，但物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡實踐教學卻因為平臺差異大等原因而導致教學效果受限。利用Ar-duino單片機構建一個低成本通用教學平臺，通過與MOOC等網(wǎng)絡教學資源相配合，實現(xiàn)學生自主完成物聯(lián)網(wǎng)技術中設備網(wǎng)絡互連，遠程控制等多種實踐。就能極大增強MOOC教學翻轉課堂的實用性，提高網(wǎng)絡實踐教學效率，獲得更好的教學效果。

關鍵詞：Arduino；mooe；物聯(lián)網(wǎng)教學；實踐平臺；自主實驗

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.enki.1672-3198.2018.07.084

1物聯(lián)網(wǎng)與MOOC教學特點

目前MOOC等互聯(lián)網(wǎng)學習方式得到了迅猛發(fā)展，不少學科利用這一新的網(wǎng)絡教學模式，進行教學改革，獲得了顯著的教學成果。

MOOC是指大規(guī)模的開放在線課程，是其大規(guī)模（Massive），開放（Open），在線（Online），課程（Course）英文首字母縮寫，有時也簡稱為慕課。MOOC是不同于傳統(tǒng)的課程上網(wǎng)，該教學方式是利用翻轉課堂實現(xiàn)教學鏈的重構，利用移動互聯(lián)網(wǎng)時代的網(wǎng)絡條件，實現(xiàn)在課內外、線上線下進行立體化整合與創(chuàng)新。因此，已不再是傳統(tǒng)的“課堂教學”概念，而是一種“跨課堂”的、以課外為主的、以學生為中心的“泛在式學習”方式。

MOOC的教學需要構建新的“教學鏈”，將教師課堂精講、教師輔導、師生課內知識交流、實驗室實驗、實踐成果匯報評估；學生課外自學、學生在線學習、線上線下研討與交流等教學環(huán)節(jié)有機結合。讓學生在課程外完成實踐學習，成了MOOC教學中不可或缺的一環(huán)。但在部分工科課程學習中，利用MOOC微客等網(wǎng)絡教學手段實施學習方式遇到了相同的瓶頸：網(wǎng)絡實踐教學效果不佳。傳統(tǒng)文科或者理科的MOOC教學，一般不需要特定實踐條件。而實踐性強的工科科目，必須利用專業(yè)實驗條件或是實驗模塊做為教學支撐，才能較好完成實踐教學及線下自主訓練。同時物聯(lián)網(wǎng)技術相關專業(yè)課程不同于計算機或軟件工程等學科，無法使用類似計算機這樣成熟可靠的通用實踐平臺，其實踐設備往往采用不同智能平臺設計。當涉及實踐操作時，來自不同學校，不同基礎的學生面對MOOC和微客等教學內容很難完成線下自主實驗，形成完整的教學反饋過程。

而作為新興領域，物聯(lián)網(wǎng)課程特點是涉及覆蓋面廣，混合計算機、通信等多學科發(fā)展內容，知識與設備更新速度快，比較適合采用MOOC教學模式。但由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程實踐依賴網(wǎng)絡技術，實施實踐教學必須依托實訓室與MOOC的教學模式有所沖突，特別是在現(xiàn)有實訓室管理機制下，學生難以利用碎片化時間進行課程的學習與技能訓練。而不同的MOOC課程來自不同學校往往采用不同硬件控制平臺。由于平臺型號繁雜，基礎知識要求高，對網(wǎng)絡學生自學造成了額外困難。由于MOOC網(wǎng)絡平臺教學對象基礎不一，實踐條件不同。對于難度太大的實踐平臺，學習學生不一定掌握相關知識技能，無法保證獲得相應實踐條件，無法完成相關實踐訓練。

如果能利用簡單可靠的系統(tǒng)，連接通信模塊，構成一個低成本通用的實踐教學模塊，讓不同基礎的學生能夠擁有并能迅速掌握。這樣當MOOC實踐類項目以這種簡單模塊來進行教學時，所有的教學對象都能獲得良好的學習體驗，并實現(xiàn)完整教學訓練。

2 Arduino平臺特點

課下通用物聯(lián)網(wǎng)實踐平臺采用低成本易開發(fā)Ar-duino平臺。Arduino單片機開發(fā)平臺是近期比較流行的單片機開發(fā)平臺，封裝了ATMEL公司的8位系列單片機atmega 128。該單片機相比普通51系列單片機，性能好，穩(wěn)定性極高，廣泛智能家居等領域。該CPU采用AVR內核，擁有16MHz工作頻率，工作電壓為2.7—5.5V。工作于16 MHz、擁有4K字節(jié)的EEPROM與128K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash，運算速度快，存儲容量大，接口豐富適應連接各種無線通信模塊和智能控制模塊，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的模擬。

相比其他智能MCU開發(fā)平臺，Arduion平臺極為簡單，開發(fā)環(huán)境Arduino IDE是基于processing IDE開發(fā)，極易掌握，同時有著足夠的靈活性，同時在github上存在大量公共庫可供學習者使用。觀看MOOC的網(wǎng)絡學生，無論有著何種學歷層次與基礎，通過簡單學習后，學生也可以快速的進行物聯(lián)網(wǎng)自主實驗，加深對物聯(lián)網(wǎng)底層物理層的理解。

由于Arduino平臺可以使用4節(jié)1.5V供電，同時能對外提供3.3V和5V穩(wěn)壓輸出，所以可以給其他模塊供壓。整個系統(tǒng)簡單，便攜性好，適合學生方便在各種學習環(huán)境中結合MOOC自主學習實踐類操作。

3實踐模塊軟硬件特點

實踐模塊采用ARUDINO UNO最小系統(tǒng)板作為實驗平臺，以Arduino IDE為基礎開發(fā)平臺。ARUDI-NO UNO可以利用Arduino IDE很方便的打開串口連接通信模塊。采用Serial.begin（）命令可以在void set-up（）甚至函數(shù)中打開ARUDINO UNO的串行端口。Serial.begin（）為標準庫支持函數(shù)，無須加載第三方庫。通過設置Serial.begin（）函數(shù)參數(shù)選擇串口波特率為4800或9600。完成就可以在主函數(shù)void loop（）中打開串口完成與通信模塊的連接。而利用Serial.print（）與Serial.write（）就可以通過該串口進行寫操作與讀操作。例如利用串口與WlFI（ESP8266）模塊通信連接后，就可以用AT指令控制ESP8266連接wifi網(wǎng)絡或是連接物聯(lián)網(wǎng)控制對象。利用ARUDINO UNO本身的邏輯編程，實現(xiàn)負責控制邏輯，就能就可以作為控制端向物聯(lián)網(wǎng)對象發(fā)送指令?；蛘邔RUDINO UNO作為物聯(lián)網(wǎng)設備網(wǎng)絡控制設備，利用WIFI接受電腦或手機控制信號，經過邏輯處理以后，通過引腳和外電路控制物聯(lián)網(wǎng)設備的運行。

而為了在實踐中實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)多種網(wǎng)絡適應性，可以連接不同通信模塊。如需在ZIGBEE網(wǎng)絡下使用，可以讓ARUDINO UNO通過串口連接TI公司CC2530網(wǎng)絡模塊；如果需要WIFI網(wǎng)絡可以連接ESP8266模塊；如果需要連接RFID設備，可以連接FM]702或NXP RC532模塊。這樣利用ARUDINOUNO平臺就能實現(xiàn)多個網(wǎng)絡下的物聯(lián)網(wǎng)設備控制實驗，完成MOOC課程翻轉課堂所必須的線下自學與實踐能力訓練。

按照本設計，Arduino平臺除了提供功能強大以外，其總體硬件成本也比較低，便于學生獲得實踐條件。ARUDINO UNO的成品板價格在20元左右，如需液晶顯示增加12864單色屏模塊成本為70元左右。然后利用多人共享采購ZIGBEE（CC2530），WIFI（ESP8266），RFID（FM1702/NXP RC532）通信模塊。一個可以利用MOOC硬件平臺總成本可以控制在150元以下。同時硬件平臺和通信模塊還可以在單片機、計算機網(wǎng)絡、IC智能卡等課程實踐中重復利用，總體成本更易于學生接受。

4教學使用模式

完成本模塊設計之后，MOOC課程將基于本模塊錄制網(wǎng)絡實踐教學內容。當學生在MOOC上學習物聯(lián)網(wǎng)課程時，自行購置基于Arduino實踐模塊與配套網(wǎng)絡通信模塊，然后從MOOC中下載實驗程序和接線資料。學生在網(wǎng)絡課程中完成理論學習和觀看演示之后，可以立刻在Arduino實踐模塊上進行實驗和訓練。當學生熟悉基本功能之后，還能方便的利用ArduinoIDE修改源程序實踐新的功能或進行二次開發(fā)。有了本實驗模塊能較好解決物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程中MOOC網(wǎng)絡課程與實驗條件限制的矛盾，使實驗教學效率獲得顯著提高。

5結論

本設計方案能解決目前MOOC教學中基本實踐教學問題，獲得良好的教學體驗。但由于硬件條件限制，仍存在某些不足。例如Arduino UNO平臺性能有限，實現(xiàn)多個串口設備互通比較困難，編程復雜，所以現(xiàn)有設計均以單串口連接通信模塊，另外實踐中模塊管理的物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量也有限制，無法支持復雜應用。如果能使以有限的價格支持更強大Arduino平臺，實現(xiàn)更多功能，將更好的拓展實驗模塊的網(wǎng)絡教學功能，更好的視線MOOC類課程的教學效果。