Arduino在工科低年級開放實驗項目中的實踐探討

李結(jié)松

[摘 要]許多高校都開設(shè)了開放實驗室，但低年級學生參與度不高，主要原因在于開放實驗項目不能契合低年級學生的需求。為了滿足學生參加電子競賽和申報大學生創(chuàng)新項目的需要，廣州醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程實驗中心在開放實驗室中開設(shè)了Arduino項目，通過聘請高年級學生擔任助理實驗師的做法，開展了基礎(chǔ)實驗項目以及綜合拓展項目，使低年級學生的動手能力得到明顯提升。

[關(guān)鍵詞]Arduino;低年級;工科;開放實驗室

[中圖分類號] G642.423 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）06-0085-03

為了提升學生實踐動手能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，近年來很多高校對實驗室開放進行了探索和嘗試，開設(shè)了許多綜合性實驗和設(shè)計性實驗，各高校設(shè)立開放實驗室已經(jīng)成為共識， 開放實驗室成為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要基地[1]。但從實際運行效果看，部分學生參與度并不高，特別是低年級學生沒有太大積極性。筆者與大一、大二學生進行了深入交流，發(fā)現(xiàn)主要原因有兩點：一是面向低年級學生開放的實驗項目少且吸引力不足，二是指導開放實驗的師資不足。經(jīng)過幾年的摸索，廣州醫(yī)科大學在生物醫(yī)學工程專業(yè)低年級開設(shè)了Arduino的開放實驗項目，通過聘請高年級學生勤工儉學做助理實驗師的做法，極大地提升了低年級學生對開放實驗項目的參與度，取得了較好的成效。

一、Arduino簡介

Arduino 是一種開源電子平臺。該平臺起源于意大利，主要基于AVR單片機微控制器和相應(yīng)的開發(fā)軟件而設(shè)計，最初是為一些非電子工程專業(yè)的學生而設(shè)計。自從2005年Arduino推出以來，市場上已經(jīng)推出了各式各樣的Arduino版本，受到了許多電子發(fā)燒友的廣泛關(guān)注[2]。由于Arduino具有高度的模塊化特點，因此有時叫它“電子積木”[3]。

Arduino包括一塊具備I/O功能的電路板以及一套程序開發(fā)軟件[4]。Arduino可以用來開發(fā)交互式產(chǎn)品，比如它可以讀取開關(guān)和傳感器信號，也可以控制電燈、電機和其他各式各樣的物理設(shè)備[5];Arduino 還可以開發(fā)出與PC相連的外圍裝置，與PC進行通信。Arduino的硬件電路板可以采用下圖所示的現(xiàn)成電路板，也可以自行焊接組裝，而程序開發(fā)環(huán)境的軟件則可以從官網(wǎng)下載[6]。

Arduino主要核心資源是ATMEGA328，內(nèi)置Flash 32 KB ，時鐘頻率 16 MHz。主流UNO大都采用了USB to Serial 芯片，不僅降低了成本，更主要的是使得Arduino UNO 在PC 端可以顯示為一個USB 設(shè)備，使用更加便捷[7]。Arduino UNO 具有14個數(shù)字I/O口（其中帶～標號的6個數(shù)字端口可以作為PWM端口），6個模擬I/O 口，一個復(fù)位開關(guān)，一個ICSP下載口，支持USB接口，可通過USB 接口供電，也可以使用單獨的電源供電[8]。Arduino開發(fā)板如下圖所示：

二、Arduino在工科低年級專業(yè)開設(shè)的必要性

（一）提高工科生實踐動手能力的需要

近幾年各用人單位越來越重視畢業(yè)生的動手能力和實踐操作水平，因此各大高校十分重視實踐教學管理，支持本科生參與科研活動，早做課題，早進團隊，希望以科研促進教學，以此促進創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[9]。但在實際的教學過程中，大多數(shù)學生編程基礎(chǔ)薄弱，加上硬件實驗設(shè)備具有封閉性，無法激發(fā)學生的學習興趣，抑制了學生的創(chuàng)新能力。

（二）參加電子競賽和大學生創(chuàng)新項目的需要

每年有數(shù)以萬計的本科一、二年級學生參加全國或者省級的電子設(shè)計競賽活動，迫切需要學習單片機的相關(guān)知識。但目前國內(nèi)理工科院校的單片機原理與應(yīng)用課程，一般開設(shè)在第五學期，無法滿足低年級學生的需求。此外，還有部分學生申報大學生創(chuàng)新項目，也需要提前學習掌握單片機知識。

（三）Arduino平臺簡單易用、成本低

Arduino作為一款開源電子平臺，有很強的易用性和擴展性，該實驗平臺不需要學生掌握復(fù)雜的編程語言，只需了解其函數(shù)用法即可進行創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計，可以被初學者輕松掌握，對于高級用戶也具有足夠的靈活性。Arduino的官方Web站點包含豐富的源代碼，其中的代碼樣例和示例都是免費共享的，硬件也是開源的。Arduino的很多案例代碼都能在相關(guān)技術(shù)論壇得到，初學者只要下載、學習、修改、燒錄、調(diào)試，即可得到自己的項目，這也使其很快在不同領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[10]。

此外，Arduino開發(fā)板價格低廉，在網(wǎng)上購買套件不足200元，在開放實驗室經(jīng)費緊張的情形下，推廣成本低。

三、Arduino實驗項目的開展流程

（一）選拔高年級學生作為實驗輔導的主干力量

Arduino項目雖然入門容易，但對于大一、大二的學生來說，仍然是有一定的門檻。在帶教開放實驗的師資不足之情形下，我們選定了數(shù)名基礎(chǔ)知識扎實的大三學生，對他們進行培訓，并為他們申請設(shè)立勤工助學崗位，讓他們以助理實驗師的身份，每周利用一次晚上的時間，帶著低年級學生開展實驗項目。

（二）加強學生實驗前的預(yù)習環(huán)節(jié)

為了減少實驗中的講授時間，將更多的時間留給學生進行實際操作，要求學生提前觀看教學視頻，視頻的內(nèi)容與該次實驗密切相關(guān)，教學視頻的內(nèi)容主要來源于網(wǎng)絡(luò)或者以前的教學內(nèi)容。

（三）加強實驗中的交流互動

開放實驗活動每周開展一次，每次持續(xù)3節(jié)課時間。第一節(jié)課前15分鐘用來和學生交流，了解和檢查課前觀看視頻的情況，并對上次的課后實驗作業(yè)進行檢查和探討;接下來的25分鐘用來講解實驗計劃中安排的授課內(nèi)容;第二、三節(jié)課開展1～2個實驗項目。因低年級學生尚未接觸專業(yè)基礎(chǔ)知識，在實驗項目過程中許多學生會提出各種問題，這時需要及時在課堂上予以解決，否則會影響學習積極性。為此，在前面幾次的實驗項目中，需要配備5～6名輔導人員，這期間會有大量雙向交流，學生們學起來不會感到十分費力，幾乎所有學生都能在實驗時間段內(nèi)完成基礎(chǔ)實驗。

（四）加強實驗后的效果評估與考核

所有學生都需要撰寫和提交實驗報告。此外，通過教學評估軟件，所有學生掃描二維碼，完成在線評價，用來評估本周的學習目標是否達到，并可提出實驗改進意見。

四、Arduino實驗項目的開展內(nèi)容

經(jīng)過摸索，我們設(shè)立了10個深入淺出的基礎(chǔ)實驗項目和1個綜合拓展實驗項目。這些項目，如果用傳統(tǒng)單片機平臺來做，冗長復(fù)雜的代碼早已讓學生望而卻步。而用Arduino平臺來完成，Arduino 自帶的 I/O 接口以及擴展板能與各種傳感器、步進電機、藍牙、舵機等相連。由于是開源硬件，各類軟件庫資源十分豐富，初學者只要根據(jù)示例代碼稍加修改調(diào)試，即可得到自己的項目，學生上手容易，極大提高了他們的興趣和自信心。

（一）基礎(chǔ)實驗項目示例

1.LED閃爍器

實驗效果：面包板上LED每隔1秒交替亮滅1次。該實驗項目類似于經(jīng)典編程語言的“Hello，World”。

2.交通信號燈

實驗效果：三色LED信號燈從綠燈亮變成黃燈亮，再變成紅燈亮，然后重新開始。

3.警報器

實驗效果：當有人經(jīng)過時，壓電揚聲器發(fā)出一高一低的警報聲。

4.簡單的電機控制系統(tǒng)

實驗效果：變阻器旋鈕旋轉(zhuǎn)到最左側(cè)，電機停止;向右旋轉(zhuǎn)，電機加速，直到旋轉(zhuǎn)到最右端，電機獲得最大速度。

5.二進制計數(shù)器

實驗效果：驅(qū)動8個獨立的LED，每個LED獨立點亮和熄滅，它們每秒變化1次，以二進制方式從0加到255，之后再重新開始。

6.LED點陣顯示簡單動畫

實驗效果：在8[×]8LED點陣矩陣上顯示一個心形圖案，持續(xù)時間大約半秒后，顯示器上原來亮的LED滅，滅的LED點亮，這種明暗轉(zhuǎn)換使圖案呈現(xiàn)出簡單的動畫效果。

7.基本LCD控制

實驗效果：在LCD上顯示“Guangzhou Medical University”。

8.溫度傳感器[11]

實驗效果：使用DS18B20采集溫度，并在LCD上顯示出來。當手指觸摸溫度傳感器時，實時顯示手指溫度。

9.簡單舵機控制

實驗效果：旋轉(zhuǎn)可變電位器，使舵機在0至180度范圍內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動。

10.超聲測距[12]

實驗效果：將傳感器靜放在桌子上，測量傳感器與天花板之間的距離，將距離顯示在LCD上。

（二）綜合拓展實驗項目示例：智能小車的組裝與設(shè)計

為了進一步培養(yǎng)學生的動手創(chuàng)新能力，我校開放實驗室還開展了綜合拓展項目：智能小車的組裝與設(shè)計。該項目包含了UNO主板、超聲模塊、紅光模塊、藍牙模塊、電機及電機驅(qū)動模塊，器件模塊都是套裝，無需焊接，只需將傳感器直接插在擴展板上即可，相比傳統(tǒng)面包板實驗，省去了搭電路的麻煩，學生可以直觀感受，大大激發(fā)了學生的求知欲和創(chuàng)造力。智能小車的主要構(gòu)造如下圖所示：

在綜合實驗環(huán)節(jié)中，首先需要掌握智能小車的基本功能，再讓學生由淺入深，逐一加上傳感器模塊完成以下實驗項目：

1.智能小車的組裝。在多功能平臺上固定主控板、四輪驅(qū)動套件和傳感器支架等，使小車能夠完成電動驅(qū)動行駛。

2.巡線小車。加入紅外探測模塊，使智能小車可以在畫有黑線的白色路面上行駛。由于黑色和白色對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”——黑線。

3.避障小車。避障模塊是通過超聲波傳感器和紅外傳感器實現(xiàn)的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，當遇到障礙物立即反射回來，通過發(fā)射與接收到超聲波的時間差可計算小車與障礙物之間的距離，從而實現(xiàn)避障功能。紅外避障的原理是當發(fā)射的紅外線遇到障礙物時，被反射到接收傳感器，傳感器檢測到這一信號，就可以確認正前方有障礙物。

4.手機APP遙控小車?；贐LE-LINK 藍牙4.0模塊實現(xiàn)Android手機對智能小車的遙控，通過Android手機的終端程序，借助藍牙模塊實現(xiàn)對智能小車的基本控制（前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止）。

學生通過主動學習，反復(fù)實驗，逐一解決出現(xiàn)的各種問題，如通訊不靈敏、小車速度調(diào)整等，在這個過程中可以迅速提升學生分析問題、解決問題的能力，有利于創(chuàng)造思維能力的培養(yǎng)。

五、實驗項目開展成效

通過在大學低年級中引入Arduino項目，建立開源硬件的創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺，引導學生盡可能早地接觸電子信息領(lǐng)域的專業(yè)知識，成效比較明顯。

（一）學生申報校級大學生創(chuàng)新項目數(shù)量增多

2016年開展Arduino項目之前，生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生每年申報成功的大學生創(chuàng)新項目為1～2項，2016～2018年這一數(shù)據(jù)增加為3～4項，其中有2項成功申報為省級大學生創(chuàng)新項目。

（二）在全國、省級大學生電子設(shè)計大賽中成績有所突破

2016年之前，我校僅獲得省級電子設(shè)計競賽三等獎1項。而近兩年在全國、省級大學生電子設(shè)計競賽中，我校獲得省級一等獎1項、二等獎2項、三等獎3項，其中有4個獎項都運用到Arduino平臺。2017年由大一、大二學生組隊完成的光定位項目，獲得了廣東省賽區(qū)二等獎，打破了低年級學生獲獎難的瓶頸。

（三）動手能力、編程能力和創(chuàng)新能力明顯提升

由于較早使用C語言編程，為后面的單片機開發(fā)和嵌入式系統(tǒng)學習打下了堅實的基礎(chǔ)，學生的知識應(yīng)用創(chuàng)新能力在大四的畢業(yè)設(shè)計中也得到了很好的體現(xiàn)。

因此，在工科低年級學生中開展Arduino開放實驗項目，可有效激發(fā)學生的學習興趣，充分調(diào)動學生的學習積極性，激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)新精神，對培養(yǎng)提升本科生的實踐應(yīng)用能力是值得探索的。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 鞏憲偉，陳亞敏，鞏天驕. 基于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的開放實驗室管理與建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2016（11）：271-273.

[2] 宋楠，韓廣義. Arduino開發(fā)從零開始學[M].北京：清華大學出版社， 2016.

[3] 孫駿榮，吳明展， 盧聰勇. Arduino一試就上手[M].北京：科學出版社，2012.

[4] Massimo Banzi. 愛上Arduino[M].于欣龍，郭浩赟，譯. 北京：人民郵電出版社， 2011.

[5] 楊繼志， 楊宇環(huán). 基于Arduino 的網(wǎng)絡(luò)互動產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012（1）：99-100.

[6] 鄧欣，王進，于洪，等.開源硬件在“智能機器人”實踐課程中的應(yīng)用[J].計算機教育，2015（18） ：105-110.

[7] Michael McRoberts. Arduino從基礎(chǔ)到實踐 [M]. 劉瑞陽， 譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[8] 李曠琦，黃梓釗，蔡志崗.基于Arduino 的XBee 與Yeelink結(jié)合的溫濕度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的搭建[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2017（6）：140-143.

[9] 孫秋鳳. 基于開源平臺Arduino的大學創(chuàng)客實踐探索[J].人才培養(yǎng)，2016（12）：112-115.

[10] 施志雄.Arduino在大學工科教學中應(yīng)用探索[J].西昌學院學報，2012（4）：50-53.

[11] 溫濤，范梅紅.基于Arduino和ZigBee的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 科技與創(chuàng)新，2017（21）：57+61.

[12] 康凌.基于arduino的超聲測距系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子世界，2013（20）：140-141.

[責任編輯：鐘 嵐]