“互聯(lián)網(wǎng)+”下電子創(chuàng)新設(shè)計在線課程實(shí)踐研究

王凡，程羽佳，彭芳，于楚泓

（電子科技大學(xué)中山學(xué)院，機(jī)電工程學(xué)院，中山528400）

0 引言

在傳統(tǒng)的電子設(shè)計實(shí)踐課程中，學(xué)生大多采用萬用電路板完成電路布線及焊接。需要學(xué)生充分了解元器件的電路特性，并且設(shè)計電路板時還需要考慮信號傳輸問題，對于學(xué)生的電路背景知識有著比較高的要求。而對于機(jī)電，自動化等非電子專業(yè)學(xué)生，由于前序課程安排有限，則需要一種能快速上手的工具應(yīng)用于產(chǎn)品原型設(shè)計，以滿足對于對機(jī)電控制需求。課題組根據(jù)“新工科”對于完善人才“創(chuàng)意-創(chuàng)新-創(chuàng)業(yè)”的要求[1]，一直對課程進(jìn)行改進(jìn)和提升[2-3]。對于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，能動手實(shí)踐一直是不可缺少的環(huán)節(jié)。但是當(dāng)環(huán)境有所限制，特別是學(xué)生無法返校時，采用新的教學(xué)方式及理念進(jìn)行教學(xué)改革就顯得非常必要。

隨著互聯(lián)網(wǎng)及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下[4]利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行課堂教學(xué)為“新工科”創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了新的思路。課程組將基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)采用互聯(lián)網(wǎng)視頻為主，同時融合線上的討論與答疑，并配合適合的仿真平臺完成動手實(shí)踐的過程。

1 基于在線教學(xué)課堂的實(shí)踐分析

電子創(chuàng)新實(shí)踐是機(jī)電與自動化開設(shè)的專業(yè)選修課，是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，該課程要求學(xué)生在學(xué)習(xí)完程序設(shè)計基礎(chǔ)，模擬電路及數(shù)字電路的知識后，能夠運(yùn)用所學(xué)完成一款具有工程應(yīng)用需求的電路設(shè)計及制作。但是在之前的教學(xué)設(shè)計中存在著以下不足。

（1）課程時間過于緊湊。傳統(tǒng)實(shí)踐課程由于時間和場地的限制，一般要求在學(xué)期后期集中授課和完成實(shí)踐作品。而對于創(chuàng)新類的實(shí)踐，則需要學(xué)生有更長時間用于作品的創(chuàng)新點(diǎn)思考，從知識中歸納要點(diǎn)，在生活中提取靈感，因此需要課程有著比較長的持續(xù)時間。

（2）師生交流匱乏。有限的時間和過多的人數(shù)導(dǎo)致老師與學(xué)生之間缺乏交流與協(xié)作。課程中老師作為單一主體，學(xué)生只是被動接受。無論是授課還是評分環(huán)節(jié)，學(xué)生缺乏參與度，從而降低了學(xué)生的積極性。

（3）缺乏優(yōu)秀實(shí)踐平臺。針對電子創(chuàng)新設(shè)計，如何能夠更便捷快速來檢驗(yàn)自己的想法，不間斷的創(chuàng)作過程，有利于激發(fā)創(chuàng)造力。但是單純采用數(shù)字邏輯電路的方案會涉及太多電路底層的內(nèi)容，過高的上手難度讓學(xué)生難以完成創(chuàng)意的轉(zhuǎn)化。

改革后的在線課程將原有在課堂上講授的內(nèi)容搬到了網(wǎng)絡(luò)，解決了時間的局限性。利用慕課資源[5]，實(shí)現(xiàn)了在線教材、在線評測、協(xié)作學(xué)習(xí)三者的統(tǒng)一。讓學(xué)生對于學(xué)習(xí)工具，時間，節(jié)奏都有了極大的靈活性。但是要讓學(xué)生能完成好這個自學(xué)的過程，好的課程節(jié)點(diǎn)設(shè)計非常重要，否則學(xué)生也只是為了學(xué)時刷視頻，實(shí)際并未提高認(rèn)知水平。因此根據(jù)學(xué)生前序課程的開出情況，本課題組專門設(shè)計了如表1的教學(xué)環(huán)節(jié)。

表1 課程安排表

在課程視頻和教學(xué)的設(shè)計上主要以提高學(xué)生觀看的積極性為主。所以在課程安排上并未像傳統(tǒng)電子設(shè)計課程那樣，從語法基礎(chǔ)到I/O口，再到通信及庫的使用。而是圍繞控制LED燈，講述了不同的控制方式，及不同類型的LED燈，從而潛移默化地完成了I/O口及庫的使用。

與理論課不同，實(shí)踐課除了知識的獲取與理論的驗(yàn)證。更為主要的是訓(xùn)練如何綜合利用學(xué)習(xí)到的知識去創(chuàng)造一個實(shí)物作品的過程[6]。所以除了在線課程的視頻部分，加入學(xué)生的討論，讓課程與工程更加契合，引導(dǎo)學(xué)生去應(yīng)用所學(xué)，是課程組需要考慮的重要問題。課程組通過微信群和慕課討論區(qū)，讓學(xué)生可以及時將自己的疑問進(jìn)行反饋，而老師也可以根據(jù)最新反饋組織教學(xué)內(nèi)容。在直播答疑課，采用類似于翻轉(zhuǎn)課堂的形式，讓學(xué)生根據(jù)慕課的學(xué)習(xí)和練習(xí)情況，交流和反饋?zhàn)约簡卧鳂I(yè)。學(xué)生通過與老師互動鞏固知識內(nèi)化。

對于實(shí)踐工具的選擇，Arduino是一款方便快速原型設(shè)計的開源硬件平臺[7]。其開發(fā)過程簡便，基于開源的特性，分享與互助是該平臺的最大優(yōu)勢。友好的社區(qū)環(huán)境，可以和全球的工程師共同探討相關(guān)問題。

2 電子創(chuàng)新設(shè)計在線課程的實(shí)施

2.1 理論學(xué)習(xí)階段

Arduino作為開源項(xiàng)目，其豐富的I/O資源及簡單的開發(fā)語言，非常適合非電類專業(yè)進(jìn)行電子創(chuàng)新設(shè)計。理論學(xué)習(xí)階段旨在讓學(xué)生快速掌握開發(fā)板的特性及外圍器件的使用方式。在這一階段引入了中國大學(xué)MOOC平臺的在線課程，并設(shè)置為適合學(xué)生的SPOC課程。為了適應(yīng)課程安排及學(xué)生前期課程情況，首先需要對引入的原課程進(jìn)行了大量的改進(jìn)。包括錄制并添加新的視頻以補(bǔ)充在線仿真平臺的知識，修改原有的課程時間安排，重新設(shè)置與教學(xué)單元配合的習(xí)題與作業(yè)。并在微信群中根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度定期推送相關(guān)知識內(nèi)容，供學(xué)生查閱。

2.2 在線討論及答疑

電子創(chuàng)新設(shè)計不僅看重理論知識的學(xué)習(xí)，更主要的是將知識應(yīng)用于實(shí)踐之中。在每單元的課程之后，課程組都會根據(jù)該單元涉及的知識點(diǎn)安排對應(yīng)的實(shí)踐作業(yè)。該作業(yè)以電子設(shè)計作品為主，只規(guī)定了需要實(shí)現(xiàn)的功能，而對可采用的元器件并未做要求。學(xué)生基于理論課的學(xué)習(xí)，在實(shí)踐平臺完成電路的搭建和代碼的編寫，然后通過MOOC平臺上傳自己的作業(yè)。老師根據(jù)本次作業(yè)的詳情，在MOOC作業(yè)區(qū)設(shè)置對應(yīng)的得分項(xiàng)，每位學(xué)生需要按照評分標(biāo)準(zhǔn)至少完成5位同學(xué)作業(yè)的互評。同時老師可以在后臺看到學(xué)生提交的作業(yè)，通過同學(xué)的評分，老師就很容易發(fā)現(xiàn)該設(shè)計作品的優(yōu)缺點(diǎn)，從而在討論環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生歸納設(shè)計要點(diǎn)，提出改進(jìn)方案。

在實(shí)踐環(huán)節(jié)，由于每單元的作品都是由學(xué)生自己設(shè)計，學(xué)生在微信群中的互動和交流都比較主動，一方面促進(jìn)作品有著更高的完成度，另一方面又豐富了在線直播答疑的內(nèi)容，整個過程交替前進(jìn)如圖1所示，對課程效果有著較大的提高。

圖1 課程環(huán)節(jié)安排圖

2.3 實(shí)踐平臺選擇

Arduino作為開源硬件，其硬件設(shè)計采用了Creative Commons（CC）許可。因此在任何廠商都可以生產(chǎn)Arduino開發(fā)板的復(fù)制品而不需要支付版稅。這就促進(jìn)了很多廠商去提供低價優(yōu)質(zhì)的克隆版及改良版的產(chǎn)品，例如DFRobot[8]、KenRobot等產(chǎn)品。但是由于學(xué)生無法返回實(shí)驗(yàn)室，選擇一款合適的仿真工具在實(shí)踐練習(xí)中就顯的尤為重要。

在文獻(xiàn)[9]中提出了使用Protues來進(jìn)行Arduino的仿真實(shí)驗(yàn)。需要從Arduino IDE中導(dǎo)出HEX文件，再導(dǎo)入至Protues中，過程比較復(fù)雜。并且Protues元件庫中的傳感器類型比較有限，只適用于初期簡單I/O口實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。LinkBoy[10]是國人研發(fā)的一款圖形化編程仿真軟件，其仿真庫支持眾多的控制器及傳感器。但是只支持圖形化控件編程，并不支持Arduino語言。面對復(fù)雜控制時，圖像化編程就很難實(shí)現(xiàn)。

TinkerCAD是一款集3D建模，電子電路設(shè)計以及編程為一體的在線免費(fèi)平臺[11]。其開發(fā)商Autodesk公司為全球最大的設(shè)計和工程軟件公司。TinkerCAD采用Web客戶端方式，只要通過瀏覽器打開主頁就可使用，并不需安裝其他軟件。其主要模塊包括三維設(shè)計，電路電子設(shè)計，代碼塊。而電路電子設(shè)計模塊的“組件”窗口可以找到主流的Arduino原件模塊及開發(fā)板，如圖2所示。用戶可以直接搭建電路并編寫代碼仿真運(yùn)行，而且可以將3D模型與電路設(shè)計相結(jié)合，完成創(chuàng)意設(shè)計的全過程。所有設(shè)計采用云存檔的方式，只要設(shè)計者授權(quán)就能非常方便進(jìn)行作品的共享。

圖2 TinkerCAD部分組件庫

3 實(shí)踐設(shè)計案例

教學(xué)設(shè)計方法和實(shí)踐實(shí)施方案通過項(xiàng)目式的任務(wù)安排，讓學(xué)生完成從器件選擇，電路設(shè)計，程序編寫，仿真驗(yàn)證的全過程。本節(jié)以單元5中的超聲波測距報警為例，來說明方案實(shí)施過程。

3.1 教學(xué)設(shè)計

在學(xué)習(xí)完基本的I/O口應(yīng)用之后，Arduino通過其豐富的第三方庫函數(shù)及外設(shè)支持，體現(xiàn)其快速原型迭代的特性。本次任務(wù)就是要求學(xué)生利用Arduino作為核心控制器，設(shè)計一款超聲波測距及報警裝置。該裝置可顯示障礙物距離測量設(shè)備的距離，并且當(dāng)距離小于設(shè)定的報警值時，會有器件提示。

根據(jù)該測距設(shè)備的要求，教學(xué)內(nèi)容分為以下幾個步驟完成。

（1）超聲波測距的原理，如何通過回傳時間計算障礙物距離。

（2）超聲波模塊的引腳說明，與Arduino的連接方式；Arduino相關(guān)庫函數(shù)介紹及使用。

（3）通過串口輸出測量數(shù)據(jù)，檢查與實(shí)際值是否相符。

（4）LCD1602的顯示原理，與Arduino的連接方式；Arduino相關(guān)庫函數(shù)介紹及使用。

（5）可調(diào)報警模塊，通過改變電位器的模擬值從而設(shè)置報警距離。

通過以上五部分的相關(guān)討論。學(xué)生在接收設(shè)計作業(yè)之后，確定目標(biāo)，查閱資料，分解任務(wù)，確定方案。而老師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生完成自頂向下，逐步求精的過程，更多的是如何根據(jù)任務(wù)要求，將系統(tǒng)分解為模塊，模塊分解為自己掌握的知識點(diǎn)，而每部分的結(jié)果又是如何通過變量與參數(shù)進(jìn)行傳遞。

3.2 作業(yè)設(shè)計

根據(jù)功能模塊的劃分、電路的設(shè)計及驗(yàn)證分為了3個步驟。如圖3所示。

圖3 超聲波測距設(shè)計過程

（1）超聲波測距

根據(jù)超聲波測距原理，通過對模塊的信號引腳輸入10us的高電平信號，即可觸發(fā)模塊的測距功能。模塊完成測距之后會返回給信號引腳一段高電平，通過測量該高電平脈沖寬度即可得知超聲波整個反射時間，從而通過音速公式推算出障礙物的距離。

該部分的電路連接比較簡單，模塊除了供電部分，只有一個引腳與Arduino控制板連接。但是編程部分需要通過代碼產(chǎn)生10us的脈沖信號，而且考慮到代碼復(fù)用，還需要封裝成函數(shù)的形式，以方便在其他數(shù)字信號引腳使用。

對于測得的數(shù)據(jù)，學(xué)生可以利用之前所學(xué)的串口通信原理，將距離以厘米及英寸為單位進(jìn)行串口輸出顯示。

（2）LCD1602顯示

LCD1602引腳復(fù)雜，需要進(jìn)行眾多寄存器操作，才能顯示需要內(nèi)容。不過Arduino官方已經(jīng)封裝好相關(guān)的LiquidCrystal.h的頭文件。只需要根據(jù)引腳接線正確初始化，就可以非常輕松地使用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行顯示設(shè)置。

這部分需要特別注意LCD1602與Arduino控制板的連接。不過程序編寫相對簡單，可以將模擬輸入口讀取的電位器值在LCD顯示，作為之后的報警設(shè)置。

（3）具有液晶顯示及報警功能的超聲波測距

有了前2步的積累，這一步只需要進(jìn)行代碼和電路的融合。同時需要根據(jù)電位器設(shè)定值通過數(shù)字引腳觸發(fā)報警信號。

這部分需要特別注意代碼內(nèi)部的邏輯順序關(guān)系，因?yàn)锳rduino采用Loop（）循環(huán)函數(shù)放置需要運(yùn)行的主代碼。如果功能模塊順序混淆，在不同的操作時序下很容易出現(xiàn)結(jié)果時好時壞的情況，這種邏輯錯誤是代碼編寫最難發(fā)現(xiàn)的。

3.3 作業(yè)評測

根據(jù)作業(yè)設(shè)計的要點(diǎn)，在線交流環(huán)節(jié)中就會根據(jù)以上三點(diǎn)去與學(xué)生進(jìn)行互動，聽取學(xué)生關(guān)于該功能實(shí)現(xiàn)的想法。但是創(chuàng)新設(shè)計不應(yīng)拘泥于一種實(shí)現(xiàn)方式，教師在該過程中更多的是話題的領(lǐng)引著，而并非講述者，控制好局面和氛圍，是整個環(huán)節(jié)的主要工作。

在作業(yè)提交與考核階段，利用了MOOC平臺的互評功能。對超聲波串口顯示、LCD顯示及融合設(shè)計分別提供了量化評價標(biāo)準(zhǔn)，讓同學(xué)之間既可相互評價又可相互學(xué)習(xí)。而對于一些評分相差較大的情況，老師則可單獨(dú)查看已提交作業(yè)，以確定評分的嚴(yán)謹(jǐn)性。

4 結(jié)語

本課程改革采用“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維和技術(shù)將開源硬件與在線仿真平臺相結(jié)合，并通過課程環(huán)節(jié)設(shè)計，解決了實(shí)踐課程難以在家開展的問題。使非電類專業(yè)的學(xué)生通過在線課程的學(xué)習(xí)，也可以快速完成產(chǎn)品原型設(shè)計，并通過仿真平臺進(jìn)行驗(yàn)證。在課程設(shè)計流程中注重師生互動，學(xué)習(xí)與實(shí)踐相互推進(jìn)，是特殊時期實(shí)踐課程改革的創(chuàng)新嘗試。通過課程作業(yè)完成情況及課后的調(diào)查反饋，改進(jìn)后的課程提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新活力。