Arduino創(chuàng)客項目在工程訓練中的應用

饒珺

【摘要】工程訓練是提高學生創(chuàng)新實踐能力的重要課程，在工程訓練教學中，引入創(chuàng)客項目對“新工科”建設大背景下的高校教學改革有重要意義。創(chuàng)客項目既體現(xiàn)了創(chuàng)客教育，也融合了STEM理念。依托工程訓練中心搭建創(chuàng)客基地，不僅有利于培養(yǎng)創(chuàng)新技術(shù)人才，也能提高中心資源利用率。本文以“測距報警系統(tǒng)”項目的設計過程為例，提出學生基于Arduino平臺開發(fā)系統(tǒng)、搭建電路進行調(diào)試的要求，以此響應工程訓練的教學宗旨，提高學生的創(chuàng)新和實踐能力。

【關(guān)鍵詞】工程訓練 STEM教育 創(chuàng)客教育 實踐教學 Arduino

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）44-0226-02

1.STEM、創(chuàng)客教育

（1）STEM教育

為適應當今電子信息技術(shù)的發(fā)展，提高學生專業(yè)技能和就業(yè)率，高等院校越來越注重STEM教育，即科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）、數(shù)學（Mathematics）教育。STEM教育理念是包容性較強的跨學科綜合素養(yǎng)教育，包括計算機科學、調(diào)查研究、創(chuàng)造與革新、人文、藝術(shù)、體育等知識，旨在打破學科領(lǐng)域邊界，培養(yǎng)學生的科技理工素養(yǎng)和創(chuàng)新能力[1]。

STEM教育中心對STEM教育的解釋是“STEM教育是關(guān)于學生參與的學習，是基于項目的學習，它運用科學探究過程和工程設計過程，是跨學科的，是關(guān)于積極學習的，是關(guān)于合作和團隊工作的，是關(guān)于解決實際問題的……”。STEM教育是基于項目的學習，使學生在知識應用過程中不斷創(chuàng)造、設計、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問題[2]。

（2）創(chuàng)客教育

傳統(tǒng)的科技創(chuàng)新是以技術(shù)發(fā)展為向?qū)?、科研人員為主體、實驗室為載體，隨著社會的發(fā)展，以用戶為中心、社會為舞臺的創(chuàng)新2.0模式開始蓬勃發(fā)展。近年來在校園內(nèi)外發(fā)展起來的創(chuàng)客（Maker）熱潮就是創(chuàng)新模式的轉(zhuǎn)變[3]。“創(chuàng)客”指擁有特定知識含量，具備創(chuàng)新、實踐、共享、交流的意識，愿意挑戰(zhàn)技術(shù)難題并將創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的人。

創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，基于學生興趣，以項目學習的方式，使用數(shù)字化工具，倡導造物，鼓勵分享，培養(yǎng)跨學科解決問題能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育[4]。在高校開展創(chuàng)客教育不僅可以激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情、培養(yǎng)其實踐能力，也可以提高學生樂于分享的道德品質(zhì)[5]。

（3）STEM教育和創(chuàng)客教育的關(guān)系

STEM教育是教育改革的組成部分，創(chuàng)客教育起源于社會文化，兩者是從不同維度描述同一教育內(nèi)容。大部分創(chuàng)客項目都具有明顯的STEM特征，分散的學科知識通過創(chuàng)客項目的“造物”過程緊密結(jié)合。如圖1所示，兩個橢圓區(qū)域分別代表STEM教育、創(chuàng)客教育，重疊部分為“造物的跨學科學習”[4]。

STEM教育和創(chuàng)客教育的教學模式一般包括基于設計的學習（簡稱DBL）和基于項目的學習（簡稱PBL），兩種教學模式都能促進學生的創(chuàng)新、解決問題的能力。在教學過程中，不用刻意區(qū)分兩者區(qū)別，STEM、創(chuàng)客教育是相互補充相互促進的[1]。

2.將Arduino創(chuàng)客項目引入工程訓練的意義

工程訓練是高等教育改革發(fā)展中一門新型實踐課程，將基本的工藝理論知識和實踐相結(jié)合，是培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新意識的重要教育環(huán)節(jié)。訓練內(nèi)容從傳統(tǒng)的機械制造、電子工藝、工業(yè)自動化控制逐步擴大到3D打印、激光雕刻、機器人及智能制造等。將創(chuàng)客項目引入工程訓練能加深學生對工程訓練內(nèi)容的掌握程度，能提高學生創(chuàng)造及團隊合作能力，培養(yǎng)將科研成果轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的技能型人才，在項目創(chuàng)造過程中充分體現(xiàn)工程訓練中心的硬件和軟件資源優(yōu)勢[5][6]。

開發(fā)創(chuàng)客項目的工具有很多，例如Raspberry，Eddison， Arduino等。不同工具對應的特點和適用人群不同，基于 Arduino平臺的創(chuàng)客項目，有操作簡單、拓展性強、價格低廉等特點[7][8][9]，具體如下：

（1）Arduino電路板具有體積小、易于擺放，具有豐富的外圍模塊，能很好的實現(xiàn)與其它電子元器件的對接，從而實現(xiàn)項目開發(fā)和應用。

（2）Arduino平臺開發(fā)語言簡單清晰，適合初學者入門學習。

（3）Arduino平臺開發(fā)環(huán)境支持Windows、Mac OS、Linux等系統(tǒng)，可在大多數(shù)計算機操作系統(tǒng)運行。

（4）Arduino平臺堅持開源理念，在網(wǎng)絡上容易找到大量共享資源，在協(xié)議范圍內(nèi)，也可以對源程序和代碼進行二次開發(fā)[10][11]。

3.測距報警系統(tǒng)設計

為推動汽車安全技術(shù)的發(fā)展，以傳感器和電子信息技術(shù)為基礎的智能駕駛安全輔助控制技術(shù)成為智能車輛研究和開發(fā)設計的焦點。在創(chuàng)客實驗室條件下，可以使用智能小車模擬真實汽車，對測距報警系統(tǒng)進行設計研究[12]。以超聲波測距報警系統(tǒng)的設計過程為例，學生在工程訓練中通過軟硬件環(huán)境的搭建，自主設計完成簡單的創(chuàng)客項目。測距報警系統(tǒng)項目涉及的外圍硬件產(chǎn)品包括：

（1）超聲波傳感器

超聲波傳感器可實時測量障礙物的距離，有敏感范圍大、無視覺盲區(qū)、不受障礙物干擾等特點。超聲波是頻率高于20KHz的機械波，超聲波傳感器利用晶體的壓電效應和電致伸縮效應，將機械能與電能相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對各參量的測量[13]。參照圖2（b），超聲波測距傳感器觸發(fā)信號后發(fā)射超聲波，當超聲波投射到障礙物反射回來時，輸出回響信號，通過計算觸發(fā)信號和回響信號間的時間差，來計算障礙物的距離。

（2）共陽極RGB LED燈

RGB（紅綠藍）LED封裝內(nèi)，有三個LED，包括紅色、綠色和藍色。通過控制各個LED的亮度，可以混合顯示所需顏色。共陽極RGB LED共有4個引腳，最長的引腳為正極，連接+5V，其他3個引腳可連接Arduino的PWM輸出口。

（3）面包板和杜邦線

面包板和杜邦線是創(chuàng)客項目中的必需品，面包板上的小插孔可根據(jù)需要隨意插入或拔出，免去了焊接，使電子元器件可以重復使用。杜邦線用于面包板的引腳擴展，可牢靠地和插針連接，耐用性高。在電子電路的組裝、調(diào)試中，通過面包板和杜邦線的連接，可節(jié)省電路的組裝時間，有利于電子電路項目的開展。

結(jié)合項目要求，學生首先對測距報警系統(tǒng)制作流程圖，如圖3。根據(jù)流程圖，使用Arduino IDE編寫程序并通過連接硬件進行調(diào)試，直到完成項目目標。

4.結(jié)束語

工程訓練的目標是培養(yǎng)創(chuàng)新應用型和技術(shù)技能型人才，創(chuàng)客項目是達到此目標的有效舉措。Arduino的學習是一種基于項目的學習模式，既體現(xiàn)了創(chuàng)客教育，也融合了STEM理念。將Arduino創(chuàng)客項目引入工程訓練的教學方法不僅能激發(fā)學生的創(chuàng)新性思維和創(chuàng)造熱情，也有利于學生交叉學科的學習。在“新工科”建設的大背景下，高校應依托工程訓練中心搭建Arduino創(chuàng)客項目平臺，通過不斷改革、探索，培養(yǎng)更多高質(zhì)量人才。

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