基于Arduino技術復合型創(chuàng)新實訓室建設探究

陳梅 劉江越 李自臣

摘? 要：基于Arduino技術復合型創(chuàng)新實訓室建設方案，是以Arduino技術為平臺，將多種傳感器與由易到難的開發(fā)板相組合，建設傳感器技術、程序開發(fā)、嵌入式硬件等多課程教學，以及創(chuàng)意實現(xiàn)、興趣小組實訓并重的復合型創(chuàng)新實訓室。結合高職院校對創(chuàng)新創(chuàng)意實訓室建設的實際需求，探索復合型實訓室建設的目標、功能、設備、建設注意事項及后期維護和管理的內(nèi)容。此方案將專業(yè)課程實訓教學場所和創(chuàng)新創(chuàng)意應用空間進行融合，在實訓場地有限和建設資金有限的前提下，解決教學需求，提高實訓室利用率，給復合型實訓室建設提供一種可以借鑒的可行性方案。

關鍵詞：Arduino;實訓室;復合式

中圖分類號：TP307? ? ?文獻標識碼：A

Research on the Construction of Innovative Training Room?Based on Arduino Technology

CHEN Mei，LIU Jiangyue，LI Zichen

（Urumqi Vocational University，Urumqi 830002，China）

Abstract：Based on Arduino technology，the construction scheme of complex innovative training room is to combine various sensors with development boards from easy to difficult，to construct inter-disciplinary teaching courses such as sensor technology，program development，embedded hardware，and creative realization，as well as interest group training.Combining with the actual needs of higher vocational colleges for the construction of innovative and creative training rooms，this paper explores the objectives，functions，equipment，construction attentions and later maintenance and management of the construction of complex training rooms.This scheme integrates the teaching place and innovative creative application space of professional courses.On the premise of limited training space and limited construction funds，it meets the teaching demand，improves the utilization ratio of training room，and provides a feasible scheme for the construction of complextraining room.

Keywords：Arduino;training room;complex

1? ?引言（Introduction）

創(chuàng)新戰(zhàn)略已成為全球關注熱點?！丁笆濉眹铱萍紕?chuàng)新規(guī)劃》提出，我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，要把創(chuàng)新擺在國家發(fā)展全局的核心位置，堅持創(chuàng)新是引領發(fā)展的第一動力，以深入實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略、著力增強自主創(chuàng)新能力，著力建設創(chuàng)新型人才隊伍[1，2]?？萍紕?chuàng)新能力是一個地區(qū)經(jīng)濟結構調(diào)整和優(yōu)化、轉變經(jīng)濟發(fā)展方式的重要抓手。高職學生作為企業(yè)技術人才的主力軍，在學校學習期間進行創(chuàng)新課程的學習，擁有創(chuàng)新素質(zhì)，訓練創(chuàng)新技能，具有重要的實用意義。同時提供適當?shù)募夹g平臺和訓練環(huán)境，激發(fā)學生創(chuàng)新意識，提升學生解決問題的能力是學校教學環(huán)境的一項重要工作。

2? ?實訓室建設背景（Background of training room construction ）

高職院校的創(chuàng)新教育不是要求學生必須達到某種層次的創(chuàng)新水準，而是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新觀念，通過積極有效的方法使學生的創(chuàng)新素養(yǎng)得到提高，使其在以后的工作和生活中，能夠有思想，而不是呆板的、麻木的去做事。擁有創(chuàng)新素質(zhì)，訓練創(chuàng)新技能，對高職生今后的發(fā)展大有益處。因此，高職學校的創(chuàng)新教育重點是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提高高職生的動手動腦能力。目前高職院校的創(chuàng)新教育存在師資力量薄弱，課程設置、教材配備及教學方法不合理，實踐平臺建設不完善等問題[3]。

目前全國各地多所高職院校都開設了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程，主要教學定位分為兩個方向：（1）以創(chuàng)業(yè)為重心;（2）以創(chuàng)新能力提升為重心[4]。當前很多高職院校都在嘗試探索基于創(chuàng)新能力提升的實訓環(huán)境建設，但能提供學生動手操作，輔助學生實現(xiàn)創(chuàng)意的技術平臺和實訓場所卻不多見，或者部分高職高專院校創(chuàng)新實訓室還存在著設備不先進、技術掌握難度大、整體規(guī)劃能力不強、各功能分區(qū)分布不合理，以及實訓室利用率不高或者建設成本高、耗材損耗大的現(xiàn)象。要想保證高職高專院校學生能夠在實訓室中得到更好的培訓，激發(fā)創(chuàng)新意識，首先做好實訓室技術平臺定位，其次確定好實訓室的功能。在遵循創(chuàng)新實驗室技術定位和功能服務的基礎上，做好實訓室規(guī)劃布局、軟件、硬件等相關基礎設施建設。

3? 實訓室的建設目標（The construction target of?training room）

烏魯木齊職業(yè)大學作為世界銀行貸款新疆職業(yè)教育發(fā)展項目建設學校之一，在此項目的實訓室建設中依據(jù)學校發(fā)展需要，以Arduino技術為基礎規(guī)劃建設復合型創(chuàng)新實訓室，即面向全校創(chuàng)新創(chuàng)意課程實訓，又面向電子信息類專業(yè)進行專業(yè)課程實訓，同時滿足電子信息類創(chuàng)意設計比賽、興趣小組、社團等活動的實訓項目，同時實訓室還可以作為學校的一個窗口，承擔各類與本技術領域相關的培訓、交流等活動。

3.1? ?Arduino技術簡介

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。它包含硬件（多種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）[5，6]。它由一個歐洲開發(fā)團隊開發(fā)，很好地打破了軟件開發(fā)者不熟悉硬件，硬件開發(fā)者不熟悉軟件的技術壁壘[4]。因其具有跨平臺、簡單易學、開放性強、發(fā)展迅速等特點，獲得越來越多的專業(yè)硬件開發(fā)者及企業(yè)項目、產(chǎn)品開發(fā)者的認可;同時越來越多的軟件開發(fā)者也使用Arduino進入硬件、物聯(lián)網(wǎng)等開發(fā)領域;目前很多中小學，以及本科院校的自動化、軟件，甚至藝術專業(yè)，也紛紛開展了Arduino相關課程[6]。

通過Arduino平臺可以讓學生了解和掌握軟、硬相結合控制領域的基本知識和技能，包括機器人機械部分、傳感部分和控制部分的設計與搭建，以及在這個過程中需要運用的各種知識，可以培養(yǎng)學生良好的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實踐能力[7，8]。目前在內(nèi)地發(fā)達城市、網(wǎng)絡公眾平臺、電商平臺、智能化產(chǎn)品等領域都相繼出現(xiàn)了arduino技術與創(chuàng)新應用相結合的課題、學習資源、商業(yè)產(chǎn)品等[7，8]。

3.2? ?實訓室需要具備的功能

結合學校場地空間、資金額度，以及從項目建設性價比角度考慮，本實訓室主要滿足多個層次的服務功能：第一，滿足電子信息類傳感器課程實驗和實訓、開源技術應用項目實訓等專業(yè)課程和項目的實訓需求;第二，面向學校工科類專業(yè)學生進行創(chuàng)新創(chuàng)意類選修課程的實訓需求;第三，面向學生興趣小組及社團需要具有創(chuàng)意DIY實現(xiàn)的操作環(huán)境和討論區(qū)域;第四，實訓室需要具備有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡雙覆蓋功能;第五，實訓室需要有工具和耗材存放區(qū)、作品展示區(qū)、教學區(qū)、創(chuàng)意作品加工區(qū)、討論區(qū)等區(qū)域劃分，詳細布局參見圖1創(chuàng)新技術實訓室布局圖。

4? 實訓室的設備構成（Equipment composition of??training room ）

以學校常規(guī)班級人數(shù)規(guī)模40人為標準，實訓室建設需要至少滿足40-50人的教學需求。因實訓室中都是小型的、分散狀態(tài)的訓練模塊，在實訓室設備數(shù)量參數(shù)制定時要考慮實訓設備損耗問題，選購實訓設備時需要包括5%—10%設備冗余數(shù)量，資金充裕的情況下可以考慮所有基礎訓練設備一人一套，部分有難度的、復雜度偏高的實訓教學套件設備可以按照兩人一套為標準，共計25—30套基本滿足教學要求。

4.1? ?基礎教學設備

基礎教學設備包括：

①桌椅（2人一個工位）：本案例中采用180cm*80cm面積的桌面，這樣有利于學生在進行各實訓模塊探索時，有足夠的嘗試空間。

②投影：建議投影幕布與教室大小遵循適當?shù)谋壤x擇，如果經(jīng)費有限，可以只選用投影，在保障光線條件許可下，用白墻作為幕布即可。

③可移動式白板：建議選用防爆玻璃式白板，實訓室開展教學時可以避免因使用粉筆帶來的粉塵問題，小組活動時，也可以移動到討論區(qū)進行使用，增加設備利用率。

④電腦：建議兩個人使用一臺，實訓室中承擔課程多數(shù)為小組項目，教學過程中既包含軟件開發(fā)任務，同時也需要進行硬件組合搭建。實訓室的教學環(huán)境可以滿足兩人一組共用電腦的需求即可，一定程度上可以節(jié)約成本，同時也節(jié)約桌面場地。

⑤收納、展示設備：在實訓室中有各種套件、工具、耗材需要進行歸類整理，學生的優(yōu)秀作品可以擺放在實訓室中，增加學習氛圍。如果單獨設立實訓室耗材管理間，增加了管理空間，同時意味著需要增加實訓室管理人員，建議實訓室中為了便于管理，需要考慮實訓室中提供相應收納設備，在收納柜上做好標簽，或者在同一個空間中，將教學訓練區(qū)和收納區(qū)域隔離開。由于此類實訓室設備模塊品類多而雜，建議開展實訓課程教學的教師同時擔任此實訓室的設備管理工作。

4.2? ?專業(yè)實訓設備

專業(yè)實訓設備主要滿足教學活動需求：

①Arduino互動電子積木套件，套件包括核心控制板、基礎傳感器件等，主要滿足學校創(chuàng)意類選修課程基礎實訓需求。

②38種與Arduino技術兼容的傳感器模塊，包括溫度傳感器、觸摸傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器、灰度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、紅外傳感器、超聲波傳感器等，主要滿足傳感器課程實訓。

③ultimate高級機器人：多種組裝形態(tài)，滿足不同應用場景需求，通過此套設備了解機器人、電子、圖形編程、Arduino編程和Python編程。

④樹莓派套件：主控制是開源平臺產(chǎn)品內(nèi)置WiFi和藍牙功能，搭載了64位四核1.2GHz處理器，1GB LPDDR2內(nèi)存，為計算機編程教育而設計，是易于操作及具有豐富擴展功能的微型卡片電腦，并包含外殼、無線鍵盤、散熱片等基本配套使用產(chǎn)品。

上述設備中第③④種設備主要為滿足課程后期項目大作業(yè)，以及為興趣度較高的活動小組成員提供訓練和學習探索用的能力提升設備，套件數(shù)量可以依據(jù)實訓室建設資金投入和教學使用人數(shù)合理制定，建議3—4人使用一套較適合。

4.3? ?開放探索設備

從積極鼓勵學生進行嘗試探索的角度出發(fā)，實訓室除了滿足學校的課程教學活動，還需要給學生提供創(chuàng)新、創(chuàng)意實現(xiàn)的基礎設備及工具。建設時，開放探索設備包括：調(diào)溫電烙鐵、直流穩(wěn)壓電源、鉆臺、信號發(fā)生器、萬用表、亞克力切割機、熱風槍焊臺、3D打印機等，套數(shù)不需要太多，以滿足學生使用需求為考慮角度，建議以2—4套為宜。

5? 實訓室環(huán)境建設過程中注意事項（Attentions in?environmental construction of training room ）

實訓室在建設過程是一個不斷探索、不斷學習的過程，一個實訓室建設完成需要學校方負責工作人員、開展實訓教學的專業(yè)教師與設備提供方項目實施人員不斷溝通、探索，共同面對和解決項目實施過程中的每一個問題。實訓室建設的最終目的是服務于教學，服務于學生。實訓室建設的合理性需要從便于使用、利用率、安全性、是否利于維護等多個角度進行衡量[9，10]。

5.1? ?網(wǎng)絡環(huán)境

創(chuàng)新實訓室是一個需要在開放的、網(wǎng)絡需求量較大的環(huán)境中運行，實訓室中主要上網(wǎng)設備包括：臺式電腦、筆記本電腦、手機等。本實訓室建設中，為每一個桌面規(guī)劃了兩個有線網(wǎng)絡點位，一個提供給桌面臺式電腦，另一個作為備用，如果學生自己準備筆記本電腦，也可以通過備用點接入。因在實訓教學訓練中，如果訓練項目需要進行網(wǎng)絡類測試和訓練，有線網(wǎng)絡更能保障信號的穩(wěn)定傳輸。同時，在實訓室中覆蓋無線WiFi，最大限度保障學習環(huán)境中的網(wǎng)絡環(huán)境支持。

5.2? ?教學服務環(huán)境

在實訓室建設過程中，每一個實施細節(jié)都要從使用者角度出發(fā)進行布局和設計，圖2中A表示講臺，B1—B5表示學生桌椅。

①重點考慮桌椅擺放的朝向、預留空間，是否滿足學生走動、人體活動習慣。如果實訓室空間足夠的前提下，建議將桌椅以講臺一側為中心，為了便于開展小組活動，將兩個桌椅或者四個桌椅為一組，進行有傾斜角度的組合擺放，具體布局如圖2所示。

②投影安放的位置要保障坐在最遠的學生也能看見投影邊界內(nèi)容為前提。

③在進行實訓室現(xiàn)場工程實施前期，建議一個實訓室內(nèi)先做好桌椅布局擺位后，再確定電源和網(wǎng)絡布線點位，然后進行布線規(guī)劃和設計。

④電源布線，需要考慮實訓設備用電的插頭需求和學生自己帶筆記本的用電需求。

⑤桌面電腦擺放，建議遵守多數(shù)人右手使用鼠標的習慣，將電腦放在桌面的右側為宜，同時考慮小組活動中，面對面小組成員之間交流討論時和教師開展集中教學時不要因電腦屏幕而遮擋視線。

6? 實訓室后期維護與管理（Later maintenance and??management of training room ）

實訓室的建設是一個系統(tǒng)工程，但是實訓室啟用后，維護和管理同樣是一個具有挑戰(zhàn)性的工作[11，12]。為更好保障實訓室的循環(huán)使用和管理，建議做好以下工作：

①實訓室建設時，留存實訓室電源布局圖和網(wǎng)絡布線點位標識圖，便于后期線路維護。

②實訓室教學用訓練套件及工具進行編號，登記，工位也進行對應編號，每次進行教學活動時，按照相應工位號，領取相應訓練套件，課程結束時進行歸還。

③對于課程訓練結束后對課程使用的設備進行及時清點和歸還，個別同學需要借用訓練套件時，為保證平行班級的教學活動有序開展，正在使用的套件留在實訓室內(nèi)，將備用的訓練套件借給學生使用，建議以一周為時限，進行領用登記。學生歸還設備時進行清點整理，保證套件齊全，為下次借用做好準備。

7? ?結論（Conclusion）

綜上所述，要想保證高職高專院校創(chuàng)新實訓室能夠滿足學生發(fā)展需求，院校領導及教師需要充分考慮實訓室的技術平臺定位、功能、設備選型、環(huán)境創(chuàng)建等因素，同時依據(jù)建設資金規(guī)劃好建設規(guī)模。實訓室建成后，實訓室如何管理、維護和有效利用，如何有效助推學生的創(chuàng)意作品能發(fā)揮更大作用，都是我們需要不斷探索并值得深入研究的課題。

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