開源硬件電類專業(yè)大一新生綜合實驗設(shè)計

中南大學(xué)自動化學(xué)院 夏 鄂 劉旭明

設(shè)計基于開源硬件的大一專業(yè)新生綜合實驗，電類專業(yè)新生課上通過完成基于開源硬件巡邏機器人綜合實驗。分析了新生課中綜合實驗的平臺選擇、教學(xué)目標、教學(xué)過程與內(nèi)容。大一新生通過完成自主綜合實驗，提高了新生工程實踐和創(chuàng)新能力以及專業(yè)了解和認可。

新生研討課為大一新生開設(shè)課程，課程由專業(yè)課教師、教育管理教師、大一新生共同互動交流，通過適應(yīng)性、體驗式的教學(xué)模式，引導(dǎo)大一新生盡快適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)生活，增加學(xué)生對專業(yè)了解和認同，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

教學(xué)團隊結(jié)合高校教學(xué)改革和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實際需求，在電類專業(yè)新生課中開設(shè)基于開源硬件的新生綜合實驗。

文章針對電類專業(yè)新生課開設(shè)基于開源硬件的綜合實驗進行了探索與實踐，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)效果等方面進行探討和總結(jié)。

1 新生綜合實驗開設(shè)的目的

1.1 激發(fā)大一新生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣

新生綜合實驗通過在大一新生課中基于項目的體驗式學(xué)習(xí)，通過動手、實踐解決有價值的工程問題，培養(yǎng)工程意識，學(xué)習(xí)專業(yè)基本的知識、訓(xùn)練方法和技能，了解專業(yè)的發(fā)展方向、學(xué)習(xí)方法加強對專業(yè)和學(xué)科的認知認同，使學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)之前就對專業(yè)課程初步的感性認識。

1.2 培養(yǎng)大一新生自主學(xué)習(xí)能力

新生綜合實驗內(nèi)容采取分層設(shè)計，由教師引導(dǎo)學(xué)生逐步完成實驗任務(wù)，教師加強學(xué)生學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)，教師和同學(xué)線上線下交流溝通措施，轉(zhuǎn)變中學(xué)包辦式學(xué)習(xí)依賴思維，由被動學(xué)習(xí)到自主探研究學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，促使大學(xué)新生克服中學(xué)應(yīng)試教育影響為大學(xué)甚至終身學(xué)習(xí)打下良好的害礎(chǔ)。

1.3 培養(yǎng)大一新生創(chuàng)新精神實踐能力

新生綜合實驗注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，通過綜合性有挑戰(zhàn)度的實踐，無論學(xué)生最后結(jié)果、完成度創(chuàng)新性如何，實踐過程培養(yǎng)學(xué)生較強的動手實踐能力和創(chuàng)新能力，學(xué)生從而有信心和興趣完成更高難度的創(chuàng)新實踐。

2 實驗教學(xué)組織與實施

2.1 平臺選擇

大一新生僅學(xué)習(xí)高數(shù)、英語等基礎(chǔ)課程，理論知識薄弱，動手實踐能力差。因此實驗平臺選擇上手方便最具有代表性的開源硬件Arduino單片機。Arduino單片機是作為誕生意大利典型代表開源硬件平臺之一，價格低廉、方便攜節(jié)、擴展性強；與傳統(tǒng)51單片機不同，Arduino不需要了解單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和寄存器原理，尤其是學(xué)生只需事握最簡單C語言即可Arduino，大一新生可以快速上手。

2.2 教學(xué)目標

電類專業(yè)涉及軟件硬件，知識涵蓋廣，動手實踐能力要求高，結(jié)合電類專業(yè)的特點和教學(xué)的要求綜合實驗教學(xué)目標為基于開源硬件設(shè)計一款實驗室巡檢機器人，實現(xiàn)24h不間斷自主巡檢，收集實驗室環(huán)境信息監(jiān)控云平臺具體工作包括：①組裝機器人，實現(xiàn)自主尋跡巡檢運動；②實時采集環(huán)境參數(shù)：溫度、濕度、煙霧；③環(huán)境參數(shù)上傳存儲智能監(jiān)控云平臺，分析高危數(shù)據(jù)智能提醒工作人員。

2.3 實施過程與內(nèi)容

課程的課內(nèi)教學(xué)活動在實驗室環(huán)境中開展，課后實踐可安排宿舍教室圖書館，總學(xué)時16學(xué)時，具體實施過程與內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容如下：

2.3.1 基礎(chǔ)理論和實踐準備階段

準備階段：由教師主導(dǎo)，向?qū)W生講授基礎(chǔ)理論和和基礎(chǔ)實踐技能引導(dǎo)學(xué)生入門，學(xué)生完完成基礎(chǔ)實驗為課程完成打下基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)理論：Arduino開源軟硬件平臺簡介、Arduino的基本語法、數(shù)字量和模擬量的輸入、電腦通訊、各種常用和器的用途和使用方法、航機控制、LED燈。

基礎(chǔ)電路：基于Arduino 的機器人項目的開發(fā)案例和實例分析、仿真、電路、調(diào)試、焊接等基本知識和技巧。

2.3.2 項目創(chuàng)新工程實踐階段

采取“口袋實驗室”實驗實踐教學(xué)模式。近年來“口袋實驗室”方便快捷捷、隨時隨地、自主實驗顯著優(yōu)越性，較好地彌補了傳統(tǒng)實驗箱“四固定”實驗教學(xué)模式諸多限制，固定的場所、固定的時間、應(yīng)用固定的實驗箱、進行固定的實驗驗證。Arduino單片機體功能豐富、體積較小、攜帶方便、功能齊全擴展性，可作為單片機口袋實驗室，通過"口袋實驗室”實驗實踐教學(xué)模式下，學(xué)生不受限于傳統(tǒng)實驗器材，隨葉隨地便捷的，根據(jù)項目任務(wù)提出想法、設(shè)計方案、完成實驗設(shè)計任務(wù)。

設(shè)置若干次“中期檢查”環(huán)節(jié)，學(xué)生實驗室上介紹項目的進度、遇到的問題和解決辦法。這樣即方便學(xué)生之間交流學(xué)習(xí)，也便于老師對學(xué)生過程性評價。

增加了“提高擴展”內(nèi)容，鼓勵學(xué)生對實驗室巡檢機器人自由發(fā)揮的空間，鼓勵創(chuàng)新擴展，提課程的難度和挑戰(zhàn)性。

2.3.3 總結(jié)與驗收階段

教師現(xiàn)場驗收作品、驗收合格后，學(xué)生就本組設(shè)計通過PPT向教師和學(xué)生講解，并按照要求撰寫項目報告。教師根據(jù)作品完成度、創(chuàng)新性、難度、現(xiàn)場驗收情況、PPT匯報和項目報告文檔綜合評分。

電類專業(yè)大一新生完成基于開源硬件Arduino綜合實驗，有效激發(fā)了學(xué)生對電類專業(yè)課程學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐應(yīng)用能力?；陂_源硬件大一新生綜合實驗為后續(xù)電類專業(yè)課程打下了堅實的基礎(chǔ)。