基于Arduino的單片機(jī)智能控制創(chuàng)新課程教學(xué)改革與實(shí)踐

屈華炎

（浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，浙江 寧波 315012）

0 引 言

單片機(jī)智能控制作為高職院校電子、自動(dòng)化等專業(yè)的核心課程，在其專業(yè)中具有非常重要的地位，是一門綜合性課程?，F(xiàn)階段大多數(shù)高職院校單片機(jī)課程仍舊采用傳統(tǒng)的理論為主、實(shí)驗(yàn)為輔的教學(xué)模式。教師的整個(gè)教學(xué)過(guò)程缺乏新意，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)由于課程知識(shí)點(diǎn)相對(duì)抽象，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。近年，Arduino等開(kāi)源電子硬件大行其道，成為創(chuàng)客和各種創(chuàng)意設(shè)計(jì)的首選[1]。針對(duì)傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)，Arduino不需要大量的理論知識(shí)儲(chǔ)備，更容易入門，同時(shí)也更容易調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。以Arduino為載體進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)，學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)使其主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、拓展項(xiàng)目。因此，利用Arduino對(duì)單片機(jī)智能控制課程進(jìn)行改革，以學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)為主線，融入單片機(jī)技術(shù)、程序設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等知識(shí)體系，利用校內(nèi)各種平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與展示，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，加強(qiáng)實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]。

1 當(dāng)前課程開(kāi)展中存在的問(wèn)題

1.1 課程形式枯燥、內(nèi)容脫節(jié)，不利于學(xué)生積極性的培養(yǎng)

當(dāng)前單片機(jī)智能控制課程雖然經(jīng)過(guò)系列的改革，但由于課程本身的限制，仍要通過(guò)理論為主、實(shí)驗(yàn)為輔的教學(xué)模式。目前，不少高職院校采用的還是“先理論后實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)模式，課程模式很難有更深更高層次的突破。其次，課程在實(shí)施過(guò)程中仍舊像單片機(jī)技術(shù)課程一樣，強(qiáng)調(diào)單片機(jī)原理性知識(shí)的講解，忽視了智能控制具體的應(yīng)用。更為重要的是，缺少具體實(shí)際項(xiàng)目用于提高學(xué)生的知識(shí)水平。最終導(dǎo)致理論和實(shí)踐相互脫節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性得不到提高[3]。

1.2 學(xué)習(xí)自主性不足、干預(yù)過(guò)多，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)

目前，課程在實(shí)施過(guò)程中以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生只要按照老師的操作步驟即可完成。在此期間，學(xué)生被動(dòng)地接收知識(shí)，遇到問(wèn)題請(qǐng)教老師，缺少對(duì)于自己主動(dòng)獲取知識(shí)能力的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只需簡(jiǎn)單的進(jìn)行連線操作，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作缺少必要的動(dòng)手能力。同時(shí)，在課程實(shí)施過(guò)程中老師對(duì)學(xué)生的要求太低，由于課程時(shí)間限制，只能過(guò)多地干預(yù)指導(dǎo)，最終學(xué)生自主性得不到有效提高，不利于實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

1.3 實(shí)施過(guò)程不全、結(jié)構(gòu)模糊，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

首先，課程內(nèi)容、項(xiàng)目實(shí)施流程不夠細(xì)化，導(dǎo)致每節(jié)課在開(kāi)展過(guò)程中銜接不夠緊密；其次，項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)知識(shí)結(jié)構(gòu)模糊，導(dǎo)致學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)缺乏循序漸進(jìn)、主動(dòng)構(gòu)建的過(guò)程。當(dāng)課程結(jié)束之后，無(wú)法形成一個(gè)完整的知識(shí)鏈并衍生到其他實(shí)際項(xiàng)目中去；再次，單片機(jī)智能控制與程序設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相關(guān)聯(lián)的課程銜接不夠緊密，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)整個(gè)知識(shí)體系不清晰；最后，課程為后續(xù)特長(zhǎng)生培養(yǎng)、專題制作、技能競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目缺少支撐。最終導(dǎo)致整個(gè)實(shí)施流程不夠完善，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

2 Arduino平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

2.1 開(kāi)源性

Arduino是一款開(kāi)源的電子開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其對(duì)應(yīng)的電路設(shè)計(jì)圖、硬件原理圖、程序開(kāi)發(fā)界面以及核心庫(kù)文件等都是開(kāi)源的，現(xiàn)如今已經(jīng)成為最熱門的開(kāi)源硬件之一。Arduino的所有相關(guān)資料都對(duì)外開(kāi)放，用戶可以免費(fèi)下載，并且根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)與修改。電子愛(ài)好者可利用其開(kāi)源特性不斷地完善優(yōu)化Arduino的功能。

2.2 易入門

Arduino不需要很強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)背景，也不用了解內(nèi)部工作情況，只需要有一定興趣，這對(duì)于剛?cè)腴T的學(xué)生來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一個(gè)非常好的工具，可以根據(jù)自己的能力設(shè)計(jì)作品；另一方面，網(wǎng)絡(luò)上大量的資源使得利用單片機(jī)智能控制進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單。

2.3 擴(kuò)展性

Arduino可以非常簡(jiǎn)便地與各種元器件或者傳感器相連。在平時(shí)設(shè)計(jì)制作項(xiàng)目時(shí)，硬件只需連接相應(yīng)的擴(kuò)展模塊，軟件只要調(diào)用庫(kù)函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。同時(shí)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，Arduino可以被設(shè)計(jì)成特定的功能，包括智能小車、智能家居控制、智能物聯(lián)等。

2.4 創(chuàng)新性

項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)需要具有創(chuàng)新性，通過(guò)利用Arduino以及各種傳感器來(lái)制作創(chuàng)意作品解決實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)制作實(shí)物、軟件設(shè)計(jì)等不斷提高自身的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力。Arduino通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知周圍環(huán)境，利用控制燈光、電機(jī)等其他裝置進(jìn)行反饋，同時(shí)可以控制物聯(lián)網(wǎng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

3 具體的改革措施

3.1 融合相關(guān)課程，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程

單片機(jī)智能控制作為一門綜合性課程勢(shì)必要與普通的單片機(jī)課程進(jìn)行區(qū)分，更應(yīng)突出智能控制理念。Arduino作為當(dāng)今最熱門的智能控制平臺(tái)之一，融合了單片機(jī)技術(shù)、程序設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)，非常符合本課程作為工具使用。同時(shí)，Arduino的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛和前沿，包括智能控制小車、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)控制、智能機(jī)器人等，都是當(dāng)今社會(huì)比較流行及熱門的領(lǐng)域[4]。因此，把Arduino融入課程設(shè)計(jì)中，使之整合成為一門全新的綜合性、創(chuàng)意性課程，讓學(xué)生了解智能控制的具體應(yīng)用，拓展知識(shí)面，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

另一方面，Arduino作為開(kāi)源電子平臺(tái)，具有易入門的特點(diǎn)，大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)智能控制的門檻，使學(xué)生更加容易滲透到課程中。課程在實(shí)施過(guò)程中一改傳統(tǒng)的課程形式，以學(xué)生興趣入手，結(jié)合創(chuàng)意設(shè)計(jì)，不再依附于課堂教學(xué)時(shí)間和場(chǎng)地安排。同時(shí)，以學(xué)生能力為本位設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，采用“創(chuàng)意引導(dǎo)學(xué)習(xí)，實(shí)踐帶動(dòng)理論”的教學(xué)模式，依靠Arduino擴(kuò)展性的特點(diǎn)，讓學(xué)生設(shè)計(jì)出各種富有創(chuàng)意的作品。在課程實(shí)施過(guò)程中結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)，豐富教學(xué)手段，開(kāi)展多形式、多樣化的教學(xué)模式。整個(gè)教學(xué)過(guò)程采取分階段、有層次、循序漸進(jìn)地開(kāi)展，始終強(qiáng)調(diào)“以創(chuàng)意激發(fā)興趣、以興趣促進(jìn)教學(xué)”，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高課程教學(xué)效果。

3.2 整合項(xiàng)目資源，實(shí)踐帶動(dòng)理論

在進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，摒棄陳舊項(xiàng)目，將各種資源融入其中，鼓勵(lì)學(xué)生參與到實(shí)際的項(xiàng)目中[5]。每年學(xué)校會(huì)有各種創(chuàng)新項(xiàng)目的申報(bào)，包括特長(zhǎng)生、專題制作、技能競(jìng)賽、科技創(chuàng)新等。利用Arduino設(shè)計(jì)制作項(xiàng)目后，可以參與這類項(xiàng)目的申報(bào)、展示、評(píng)比。這樣不僅可以完成課程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與制作，還可以把項(xiàng)目稍加完善和優(yōu)化，參加各種項(xiàng)目的申報(bào)。經(jīng)資源整合后所設(shè)計(jì)的課程項(xiàng)目見(jiàn)表1所列。最終目的一方面是使學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候更具有針對(duì)性，另一方面通過(guò)引入案例用來(lái)拓展學(xué)生視野和創(chuàng)意空間。

表1 課程項(xiàng)目

利用各種項(xiàng)目進(jìn)行資源整合后引入課程，學(xué)生在項(xiàng)目制作過(guò)程中更具有針對(duì)性。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格遵循“學(xué)生為主，教師為輔”，教師主要任務(wù)是給予引導(dǎo)，盡量讓學(xué)生自主解決設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題[6]。當(dāng)學(xué)生在實(shí)際過(guò)程中碰到問(wèn)題時(shí)，更加容易也更主動(dòng)地去分析解決問(wèn)題。另一方面由于Arduino的開(kāi)源特性，學(xué)生可以自主查找資料分析問(wèn)題。因此，項(xiàng)目實(shí)施前期主要是讓學(xué)生積極參與到設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，加上項(xiàng)目具有的針對(duì)性，后期遇到問(wèn)題時(shí)會(huì)主動(dòng)查找資料，反過(guò)來(lái)補(bǔ)充所欠缺的理論知識(shí)。最終目的是鍛煉學(xué)生項(xiàng)目制作的實(shí)踐能力，包括在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、處理問(wèn)題的能力。

3.3 總結(jié)擴(kuò)展項(xiàng)目，構(gòu)建實(shí)施過(guò)程

項(xiàng)目完成之后，在班級(jí)內(nèi)部進(jìn)行演示評(píng)比，通過(guò)班級(jí)講演、討論的模式了解整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作的情況，相互分析設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題以及如何優(yōu)化。一方面可以讓設(shè)計(jì)的學(xué)生回顧整個(gè)制作過(guò)程，讓其形成項(xiàng)目制作的完整框架；另一方面可以讓其他同學(xué)提出合理化的改進(jìn)意見(jiàn)，以便后續(xù)再進(jìn)一步完善。主要的目的是讓學(xué)生通過(guò)更加形象的方式掌握項(xiàng)目制作過(guò)程中所涉及到的知識(shí)點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。最后根據(jù)個(gè)人能力對(duì)項(xiàng)目進(jìn)一步擴(kuò)展延伸，形成一個(gè)相對(duì)成熟的作品，并且鼓勵(lì)學(xué)生去參加學(xué)校各種項(xiàng)目申報(bào)、評(píng)比、競(jìng)賽[7]。

課程實(shí)施過(guò)程中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是循序漸進(jìn)的過(guò)程，不能僅靠某一門課程，而是要靠一系列課程不斷給予能力上的培養(yǎng)，逐步提升和完善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，使之形成一個(gè)科學(xué)的教學(xué)體系。因此，單片機(jī)智能控制課程一方面要橫向拓展知識(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)課程之間的結(jié)構(gòu)融合；另一方面要縱向銜接創(chuàng)新項(xiàng)目，包括各種人才培養(yǎng)項(xiàng)目、科技創(chuàng)新項(xiàng)目以及技能競(jìng)賽項(xiàng)目，進(jìn)一步提升綜合性項(xiàng)目的實(shí)踐能力[8]。最終目的是不斷完善課程模式的構(gòu)建，以實(shí)際運(yùn)用為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)，采用多元化、復(fù)合型人才培養(yǎng)方式，更好更快地推進(jìn)學(xué)生綜合能力的提高。課程具體的實(shí)施過(guò)程如圖1所示。

圖1 課程實(shí)施過(guò)程

4 結(jié) 語(yǔ)

總之，課程改革過(guò)程中利用Arduino平臺(tái)，使其融入單片機(jī)智能控制，結(jié)合其他課程的知識(shí)形成一個(gè)全新的課程架構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的主體地位。在課程實(shí)施過(guò)程中優(yōu)化教學(xué)模式和教學(xué)手段，強(qiáng)調(diào)“以創(chuàng)意激發(fā)興趣、以興趣促進(jìn)教學(xué)”，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，分階段、有層次、循序漸進(jìn)地開(kāi)展教學(xué)，突出“學(xué)中做、做中學(xué)”，逐步提升學(xué)生的技能水平[9]。同時(shí)，在設(shè)計(jì)課程過(guò)程中整合相關(guān)資源，加強(qiáng)課程之間的相互融合，以各種項(xiàng)目和競(jìng)賽為依托，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。對(duì)于完成的項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)分析，以便進(jìn)一步優(yōu)化，鼓勵(lì)學(xué)生參加各類項(xiàng)目的評(píng)比。最終完成整個(gè)課程體系的構(gòu)建，學(xué)生在項(xiàng)目制作中經(jīng)歷了遇到問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的整個(gè)過(guò)程，使學(xué)生在理論知識(shí)、實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神等方面得到全面提升[10]。