基于開源平臺Arduino的大學創(chuàng)客實踐探索

引 言

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，早進課題，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) [1]。但在實際的教學過程中，大多數(shù)學生編程基礎(chǔ)薄弱，只是被動、機械地完成學習任務(wù)，再加上硬件實驗設(shè)備的封閉性，無法激發(fā)學生的學習興趣，抑制了學生的創(chuàng)新能力。

經(jīng)過廣泛調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn) Arduino作為一款開源電子原型平臺，有很強的易用性和擴展性，該實驗平臺無需學生掌握復(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。這款價格低廉，風靡于電子愛好者、設(shè)計師甚至藝術(shù)家們的硬件開發(fā)平臺已經(jīng)成為創(chuàng)客們的主要開發(fā)工具。本文以電子信息專業(yè)的 機器人基礎(chǔ) 課程為例，探索在創(chuàng)客理念指導下的本科生創(chuàng)新課程設(shè)計。

1 創(chuàng)客教育

“創(chuàng)客”是個舶來詞，源自英文“Maker”，主要指出于個人 愛好，借助各種現(xiàn)代信息技術(shù)將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的人 [2, 3]。 現(xiàn)在的創(chuàng)客已經(jīng)不僅僅局限于科技達人，本文所提倡的創(chuàng)客 是指利用開源軟硬件技術(shù)將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實的年輕人。當這種 創(chuàng)客文化進入校園，便形成了創(chuàng)客教育。在目前的課程標準體 系中，創(chuàng)客教育更多的應(yīng)用在學生社團中，但這并不能充分展 現(xiàn)其應(yīng)用價值。創(chuàng)客教育強調(diào)學生要主動思考，積極動手、設(shè)計， 這種理念對促進創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有重要意義。此外，創(chuàng)客教 育對課程設(shè)計的系統(tǒng)性和完整性也有重要作用。

2 Arduino 簡介 

Arduino 作為一款開源的電子制作平臺，具有重量輕、體 積小的特點，該平臺由包括各種型號的 Arduino 控制板的硬件 部分和包括 Arduino 集成開發(fā)環(huán)境和編程接口的軟件部分組 成 [3]。Arduino 控制板如圖1所示。基礎(chǔ)實驗示例見表 1所列。

圖1 Arduino控制板

Arduino 自帶的I/O 接口和擴展板能與各種傳感器、步進電機、藍牙、舵機等相連，而且 Arduino 也是獨立于其他軟件溝通的平臺，如 Flash，Processing，Max/Msp 等[4]。

由于是開源硬件，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。

3 機器人基礎(chǔ) 課程設(shè)計

為了培養(yǎng)學生的動手創(chuàng)新能力，我校從 2015 年秋開始設(shè)置 機器人基礎(chǔ) 課程，并為此配置了相關(guān)教學設(shè)備。

3.1 基礎(chǔ)課程

基礎(chǔ)課程配合使用Arduino中級套件，由教師講解表 2 所列的多個示例，讓學生由淺入深，逐漸培養(yǎng)興趣。該中級套件包括ArduinoUnoR3主控板和傳感器擴展板 V7，搭配17款常用的傳感器和執(zhí)行設(shè)備，構(gòu)成獨特的積木式接口元件。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。Arduino中級套件如圖 2所示。

圖 2 Arduino 中級套件

3.2 綜合實驗

在綜合實驗環(huán)節(jié)中，需要掌握智能小車的基本功能。主要器件是圖 3 所示的A4WD 四輪驅(qū)動機器人套件，它帶有一個多功能平臺，用于固定主控板、機械臂和傳感器支架等，同時在底盤上還安置了延伸平臺，可以添加巡線、超聲波和紅外等探測傳感器。相關(guān)實驗示例見表 2 所列。

3.3 自主創(chuàng)新 

在經(jīng)過第一部分和第二部分的學習后，學生能夠掌握基 本傳感器的使用，并能編程實現(xiàn)智能小車的基本運動，因此 在自主創(chuàng)新的教學模塊中主要以學生動手實踐為主，既能檢驗 之前的學習效果，又能讓學生的創(chuàng)造能力集中體現(xiàn)。以往的教學效果顯示，在本環(huán)節(jié)，學生的學習和實踐能力最好。下面 介紹兩個學生獨立完成的綜合實驗 ：

（1）基于 BLE-LINK 藍牙 4.0 模塊實現(xiàn) Android 手機對 智能小車的遙控，如圖 4 所示。

編寫 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，逐漸解決出現(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 生的合作能力、創(chuàng)造思維能力和學習能力。

（2）移動的溫度計如圖 5 所示。利用智能小車機器人在 尋跡的過程中自動感知溫濕度，并在 I2C LCD1602 液晶模塊 上顯示出當前的溫度和濕度。后續(xù)可使用 Raspberry Pi（樹莓 派）作為上位機 [5]，搭建嵌入式服務(wù)器，可實現(xiàn)實時發(fā)布與遠 程控制。

圖 3 A4WD 四輪驅(qū)動機器人套件

圖 4 基于藍牙模塊和 Android 的智能小車控制

圖 5 移動的溫度計

4 結(jié) 語

“機器人基礎(chǔ)”課程的開設(shè)是我校針對大學生創(chuàng)新能力培 養(yǎng)的一個探索，在這個過程中需要老師和學生共同參與。學生 經(jīng)過學習來認識機器人的實體，通過動手組裝、編程對開源硬件 Arduino 有了基本了解，為后續(xù)的課程和工作奠定了基礎(chǔ)。 經(jīng)過一學期的實施，可以得出下列結(jié)論 ： 

（1）將開源硬件 Arduino 作為創(chuàng)新能力培養(yǎng)的平臺，可有 效激發(fā)學生的學習興趣，增強學生的自信心。

（2）以創(chuàng)客教育為理念的教學思路可以在實驗類的課程中 大力推廣，積極響應(yīng)教育部對深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)改革的號召 [6]。 

（3）可在已有教學過程中積累相關(guān)教學資源，為完善“機 器人基礎(chǔ)”課程的教材奠定基礎(chǔ)。