基于开源硬件的电子实习教改初探

摘要：本文针对大学工程训练中心电子实习教学中学生创新思维培养的问题进行探讨，根据已有教学经验和实践教学，提出基于Arduino开源硬件平台的电子实习教学新方案。经过教学试讲，本教学方案的课堂反应效果明显，对于提高非电类专业学生对电子实习的学习兴趣具有明显提升作用。

关键词：电子实习；实验教学；Arduino

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）22-0039-04

电子实习是高等学校电类专业教学计划中的一个重要环节，是高等学校电子与电工技术课程教学的重要组成部分。它为学生的理论联系实际提供重要的实践活动，使学生能够了解并初步掌握一般电子产品的生产制作、调试与研制开发过程，并从中学到有关新技术、新工艺方面的知识和基本技能。电子实习课程的关键在于培养学生分析问题、解决问题的能力，提高学生的实际动手能力。学生在其中获得的感性认识可以为学习电子与电工技术课程、其他相关课程，以及后续电子产品制造与创新设计工作奠定基础。传统的电工和电子实习课程，已经足够重视实习中的动手能力。但高校的电子实习课程在过去的近10年中一直保持固定不变，与目前电子产品的快速更新换代脱节。目前的电子实习课程包括基础焊接训练、简单的电子设备组装训练、完成晶体管收音机的元器件识别、筛选、测试、焊接、组装和调试过程，这些是多数大学电子训练课程选择的主要实践方法。这些训练已经不能反应当前电子产品技术的进步，虽然在一定程度上能够达到培训学生的动手能力的目的，但导致学生缺乏兴趣，在实习中敷衍了事，因此不能引导和促进学生创新能力的培养。教学实践内容和现代电子产品的脱节将导致两方面的问题。首先，尽管作为目前电子实习课程主体的晶体管收音机仍然是世界上存在最广泛的电子设备，但随着电子技术、计算机技术和封装工艺的飞速发展，其所涉及的技术在工科电子类教学中所占比例正在不断减少，这减弱了对专业课程学习的支撑。其次，为降低实验难度，教学中使用的设备只具有单一的功能，与现有广泛使用的、功能强大的移动设备相比难于激发学生的兴趣。同时，教学内容陈旧、模式固化也限制了学生的创新能力培养。怎样使电子实习能够激发不同专业学生的学习兴趣，同时培养大学生的创造能力是现代高校电子实习课程亟待解决的问题。

针对目前这些问题，很多高校通过引入各种新型设备、建设新的创新实验室等措施提供后续的电子实习课程。这些课程为学生提供特定的创新实验平台，使其熟悉一些单片机和PLC系统的开发基础和技巧。但是受限设备成本，难于满足大多数学生的需求，且设备不易更换。近年来，随着开源运动的发展，开源思想从最初的软件领域逐步拓展到电子、机械领域。在带来各种创新的同时，也降低了相应设备的成本。本文通过引入开源硬件Arduino到现有的电子实习训练中，作为当前教学的有效补充，同时探索现代大学生电子实习教学的改进方向。

一、Arduino简介

Arduino是一套能用来实现传感和控制电路的开发工具，它由一个安装微处理器核心电路板和不同设备构成。作为一套电子开发套件，Arduino核心通过USB接口与电脑相连，采用类似Processing的语言进行应用开发，因此具有易学易用的特点。受到开源运动的影响，Massimo Banzi和David Cuartielles等人在2005年设计了最初的Arduino硬件，并将其设计资料公布于网络上。开源促进了Arduino本身的发展，截至目前为止，Arduino已经了近13个不同的版本，其应用范围涵盖从无人飞机到快速成型机等各个领域。已经成为一个新兴地、并且飞速发展的硬件开发平台。使用Arduino可以方便的构建通过传感器感知外界环境（比如温度、压强、湿度、颜色等等），并且当外界环境发生变化时，可以按照预先设定的程序通过控制马达、制动器、继电器等对环境进行干预。可以使用Arduino开发单独电子功能模块，也可以设计在运行时与电脑互动的应用。因此Arduino可以用于开发交互产品，例如支持外部开关、温度传感器、红外传感器等信号的读取，控制各式各样的LED电灯模块、触摸屏控制、蜂鸣器、电机和其他各种支持输入输出的物理设备。整个Arduino电子实验平台的成本可以控制在几百元之内，可以组装形式多样的功能模块，包括PWM调控灯亮度实验、交通灯设计实验、抢答器设计实验等十几种电子工作平台。而且随着各种Arduino社区的不断发展，可以得到低成本的技术支持。对于训练使用者的基础技能，激发其创造性具有非常好的价值。Arduino支持多种操作系统Windows、Macintosh、Linux，开发系统配置简单编程语言易学易用，具有电路设计经验的同学能够根据自己的设计思路设计新的模块，可以对其扩展或改进，开发独具特色的计算机与Arduino的交互平台。没经验的同学可以根据课堂讲解迅速掌握系统开发的技巧。对于工科院校的老师而言，Arduino易于理解和使用，适用于各类专业学生，因此是最合适教学设备之一。

二、实验课程

本文利用Arduino电子平台的开放性、低成本和易用性等优势，在电子实习课程中加入一个新的教学环节，以弥补电子实习中创新力度不够的问题。鉴于学生的参与教学过程的程度对能力培养的重要性，整个课程被设计为演示和实践两个部分。首先以开源平台Arduino为基础，结合计算机接口技术，为学生提供体现电子产品特点和发展趋势的电子实验课程。其次，在学生掌握电子的知识、数字电路和模拟电路的基础上，通过老师的对电子平台的讲解和实验演示，在实践环节中将自己所掌握的电路知识实践化。学生可以根据自己的想法任意设置电路，编写简单的程序，通过计算机控制整个电路运行过程。由于这个平台安装简单可以反复使用，像积木可以随意组合任意搭配，极大的提高了它使用性能，使学生积极参与到教学过程中，对电子电路方面知识得到最大限度的运用，同时动手能力和创新能力得到了锻炼。

演示环节中包含两个实验，分别为传感器电路和灯光控制电路。前者利用所搭建的传感器电路通过USB口与计算机相连，将外部数据显示在网页中。而后者则提供计算机控制接口，通过网页控制外部搭建的LED灯光。在后续的实践环节，学生将在这两个电路的基础上自行扩展，并可以修改程序改变输入输出的参数和控制方法。以下将对实验平台和实验设计进行详细介绍。

（一）演示环节

在演示环节安排的两个实验按照难易程度进行安排。第一个传感器电路演示了计算机如何读取外部传感器电路的信息。实验以简单的电路向学生展示基本元器件的识别、检测和连接方法，同时介绍Arduino的安装、使用和开发的基本知识。第二个灯光控制电路则在第一个实验的基础上，演示了如何构造计算机控制的电子功能模块。为增加实验的趣味性和实用性，这两个实验都计算机中运行的浏览器作为显示和控制终端。

1.传感器电路。传感器是测量物理量的主要手段，在现代智能控制中占据非常重要的地位。如图1所示本实验演示设计为传感器电路，接口服务和浏览器界面三个部分，演示了以光线传感器控制LED灯光亮度，并将当前亮度数据通过USB接口送入计算机，并在网页界面中动态显示。

传感器电路由LED灯、光敏电阻、10千欧、470欧、面包板和面包板跳线搭建，可独立运行，同时将传感器以每秒10次的速率送往上位机（如图2所示）。上位机运行的接口服务通过USB端口接收数据，并通过socket服务和http协议将其送往浏览器。这个模块通过NodeJS实现，因此可以方便的运行于各种不同的系统中。最后通过浏览器中运行的网页将实时接收到的传感器数据以图形方式动态的显示出来。

在演示过程中将依次向学生讲解系统结构设计、电路实现、控制程序的编制方法，以及接口服务器的原理以及网页界面的实现方法。演示过程中让学生改变室内灯光，并观察LED和计算机界面中的显示信息。这个演示应用可以方便的扩展为智能室内灯光调节系统，或者更改为根据室内灯光自动调节显示器亮度的智能家庭助手系统。

2.灯光控制电路。计算机控制是现代电子产品的特征，在第一个实验的基础上，本演示增加了与计算机连接的双向控制，演示了通过将计算机控制电路的过程。在演示过程中，可在课堂上直接在第一个电路的基础上现场搭建本实验的硬件部分。与第一个演示类似，本实验仍分为灯光控制电路、接口服务和浏览器界面三个部分，如图3所示。

电路部分增加了多个LED光源，以实现控制功能的演示。在浏览器、接口服务和电路之间增加了反向回路，使控制命令可以从网页传递到电路。在演示过程中则反复强调系统结构设计、电路实现、控制程序的编制方法。由于本实验采用网页控制实际物理电路的特性，演示过程中可采用本地控制和远程控制两种方式。首先让学生在本地的浏览器界面中控制电路中的各路LED，观察LED和计算机界面中的显示信息。然后让学生在网络上模拟异地控制，观察物理电路中的灯光变化情况。这个演示应用可以方便的扩展为智能室内灯光调节系统，或者更改为根据室内灯光自动调节显示器亮度的助手系统。

（二）实践环节

实践环节主要作用是巩固学生对课堂内容的理解，使学生通过改变电路、改变控制程序和应用形式等不同手段发挥自身创造性，达到锻炼学生思考和动手能力的目的。根据课程的时间可酌情安排元器件识别、电路板设计、制作、电路调试和实验报告撰写等训练环节。

锻炼学生思考和动手能力是实践环节的重点，同时应向学生介绍现代电子产品的发展趋势。例如，如何将微处理器和计算机技术引入家电设备后形成智能家居；如何将本节课提供的实验系统原型扩展成为具有自动监测自身故障、自动测量、自动控制、自动调节，并具有远程控制功能的现代集成控制系统。可以结合实际课堂上的移动设备控制的演示和多媒体演示，激发学生的学习兴趣和能动性，鼓励他们总结实验心得，将本节课的内容用于感光灯、窗帘控制等与实际生活息息相关的产品制作中。

三、小结

从本门课程的教学实践中可以看出，Arduino开源平台应用简单，但形式多样，在课堂中使学生完全可以根据自己的兴趣，创新制作一些电子模块，然后运用编程语言进行交互。这套平台具有可接受的成本和逐渐成熟的开源社区的支持，可以通过反复实验提高学生创新能力和动手能力。从实验安排中看，这两个实验保持的新颖性，其功能原型与当前最新的电子产品接近，在这两个实验的基础上，可以进一步开发先进的智能家电和智能控制应用，通过网页直观的演示实践过程，能够大大提高学生对电子电路的学习兴趣。通过新旧两种课程的设置方案的对比，可以看出本方案更注重实践和创新能力的培养，增加了设计电路、编写程序、通过计算机端口让电子设备与计算机互动，充分的把计算机和电路知识结合起来，通过课堂实践发现新的课程安排，在课堂中学生积极性能更好的发挥其能动性。

电子实习为工科学生的实践的重要一环，对培养学生的动手能力和创新能力具有重要作用。因此，我们要重视工程技术训练中心在实践课程中的安排，坚持以学生为中心，把教学重点从传统的技能传授转变为培养学生的实践能力和创新精神上来，培养适应社会和企业需要的新型工科人才。

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作者简介：袁丽（1983-），女，上海大学机械工程与自动化学院，助理实验师。