李?yuàn)≡S金　葉懋　吳姝芹

【摘 要】針對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)在電子認(rèn)知實(shí)習(xí)教學(xué)的實(shí)際情況，分析、探索開(kāi)源硬件平臺(tái)在機(jī)械電子工程教學(xué)的應(yīng)用模式，利用開(kāi)源硬件開(kāi)放性、易擴(kuò)展特性實(shí)現(xiàn)層次性、模塊化的課程應(yīng)用范圍，最終建立機(jī)電一體化并可柔性擴(kuò)展的電子認(rèn)知實(shí)習(xí)教學(xué)模式。

【關(guān)鍵詞】開(kāi)源硬件；機(jī)械電子工程；電子認(rèn)知實(shí)習(xí)

電子認(rèn)知實(shí)習(xí)作為一門面向高校工科專業(yè)開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)踐性教學(xué)課程，目的培養(yǎng)大一新生對(duì)電子基本知識(shí)的初步認(rèn)知能力和實(shí)際工程問(wèn)題的分析解決能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和追求創(chuàng)新的態(tài)度及意識(shí)，使學(xué)生掌握基本的創(chuàng)新方法，提高綜合運(yùn)用理論和技術(shù)手段設(shè)計(jì)系統(tǒng)和過(guò)程的能力，以適應(yīng)社會(huì)和企業(yè)對(duì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才的需求。

電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程現(xiàn)階段存在教學(xué)內(nèi)容較陳舊、單一，對(duì)不同專業(yè)普適性較差，不能很好的符合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的理念。要從基礎(chǔ)上提高學(xué)生的實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)，就必須結(jié)合學(xué)校不同專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、專業(yè)特色、專業(yè)實(shí)際，對(duì)電子認(rèn)知實(shí)習(xí)教學(xué)的內(nèi)容、環(huán)節(jié)、方法和手段等方面進(jìn)行針對(duì)性的改革。將行業(yè)前沿技術(shù)開(kāi)源硬件引入實(shí)踐教學(xué)，探索以學(xué)生為主體的實(shí)踐教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與創(chuàng)新性實(shí)習(xí)項(xiàng)目的積極性，增強(qiáng)專業(yè)培養(yǎng)對(duì)社會(huì)的適應(yīng)性，充分發(fā)揮我校電子信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成切合專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)要求的電子認(rèn)知實(shí)習(xí)教學(xué)新模式。

1 機(jī)械電子工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)

我校設(shè)置針對(duì)于機(jī)械電子工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生以機(jī)、電、光、算、控制一體化技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)專業(yè)多學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生具有一專多能，動(dòng)手操作技能強(qiáng)，具備較強(qiáng)的創(chuàng)意性設(shè)計(jì)和技術(shù)改造能力[1]。電子認(rèn)知實(shí)習(xí)是機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后參加的第一門電子實(shí)踐類課程，其在學(xué)生的電子技術(shù)興趣培養(yǎng)的啟蒙階段具有舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的教學(xué)操作中未做到因材施教，使用相同模式的批量重復(fù)式培養(yǎng)，嚴(yán)重制約學(xué)生個(gè)性發(fā)展和創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)。此外，實(shí)習(xí)過(guò)程還存在以下方面問(wèn)題：實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容陳舊單一，專業(yè)針對(duì)性不強(qiáng)，難以融合多個(gè)交叉學(xué)科實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力提升；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)備器材簡(jiǎn)單落后，未與當(dāng)代電子信息技術(shù)發(fā)展接軌，學(xué)生個(gè)性發(fā)展發(fā)揮受限。

因此，有機(jī)結(jié)合機(jī)械與電子專業(yè)知識(shí)，引入開(kāi)源硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，探索培養(yǎng)建立以機(jī)電一體化的教學(xué)應(yīng)用模式，是實(shí)施電子認(rèn)知實(shí)習(xí)教學(xué)改革的核心思想。本文以開(kāi)源Arduino開(kāi)發(fā)為例，探討將開(kāi)源硬件引入到機(jī)械電子工程專業(yè)的電子認(rèn)知實(shí)習(xí)教學(xué)，建立以學(xué)生為主體的一體化柔性實(shí)踐教學(xué)框架，作為專業(yè)教學(xué)的有效補(bǔ)充[2]。

2 開(kāi)源硬件優(yōu)勢(shì)

開(kāi)源硬件Arduino是一種基于開(kāi)放原代碼的電子平臺(tái)，主要為非電子專業(yè)學(xué)生和業(yè)余愛(ài)好者使用而設(shè)計(jì)的。它作為新興的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其開(kāi)源、廉價(jià)、易上手、可擴(kuò)展的特性尤其適合零基礎(chǔ)的入門新手使用。其中，面向于機(jī)械電子工程專業(yè)的應(yīng)用，Arduino優(yōu)越性在于：

1）硬件成本低。Arduino實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可自制完成，即使是購(gòu)買成品，其價(jià)格控制在幾百元之內(nèi)。

2）軟件跨平臺(tái)，簡(jiǎn)易的編程環(huán)境。初學(xué)者很容易能操作Arduino編程環(huán)境，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言基于過(guò)程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)易掌握，且能為一定基礎(chǔ)的學(xué)生提供足夠豐富的高級(jí)應(yīng)用。

3）軟硬件開(kāi)源且可擴(kuò)展。Arduino無(wú)論硬件結(jié)構(gòu)還是系統(tǒng)軟件都完全開(kāi)源，源碼資源的開(kāi)放共享使得學(xué)生可將其應(yīng)用到自己的開(kāi)發(fā)當(dāng)中，還可根據(jù)需要對(duì)硬件功能模塊擴(kuò)展和改進(jìn)[3]。

4）外設(shè)豐富。Arduino官方提供的極為豐富的外設(shè)，如可與電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器、LED、點(diǎn)陣顯示、觸摸屏控制[3]等外設(shè)進(jìn)行交互，迅速設(shè)計(jì)制作出屬于自己的創(chuàng)意作品。

3 開(kāi)源硬件在電子實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用實(shí)施

基于Arduino特性和優(yōu)勢(shì)，Arduino平臺(tái)在電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程中的教學(xué)方案分別從課堂資源開(kāi)發(fā)、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和課程評(píng)價(jià)體系等方面來(lái)進(jìn)行改革實(shí)施。整個(gè)教學(xué)過(guò)程采用演示教學(xué)和實(shí)踐操作相鋪結(jié)合，教學(xué)環(huán)節(jié)圍繞以項(xiàng)目為載體，涉及電子裝配工藝、元器件焊接、外圍電路設(shè)計(jì)、程序編寫、傳感器應(yīng)用等多項(xiàng)技能的培養(yǎng)。

面向課堂資源開(kāi)發(fā)的改革上，需以Arduino UNO開(kāi)源硬件為模板設(shè)計(jì)一款面向教學(xué)的開(kāi)發(fā)板。此開(kāi)發(fā)板一方面需從接口、功能兼容、器件采購(gòu)等方面上擇優(yōu)選用適合初學(xué)者，另一方面需考慮能夠使用實(shí)訓(xùn)環(huán)境中現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。在面向機(jī)械電子工程專業(yè)的電子認(rèn)知實(shí)習(xí)課程中所使用的是自主優(yōu)化設(shè)計(jì)的Arduino UNO開(kāi)發(fā)板，核心微控制器選取支持ISP在線編程的AVR系列單片機(jī)，其在使用前在需在Flash中固化一段引導(dǎo)程序（bootloader）以完美兼容Arduino。

面向課程內(nèi)容設(shè)計(jì)的改革上，整個(gè)實(shí)習(xí)過(guò)程的教學(xué)環(huán)節(jié)主要分為以下3個(gè)方面：

1）開(kāi)發(fā)板功能演示。主要是讓學(xué)生認(rèn)知Arduino，了解Arduino的功能和應(yīng)用場(chǎng)合，通過(guò)Arduino的樣例作品演示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，以興趣為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)。演示階段的作品是基于Arduino、W5100網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)手機(jī)微信發(fā)送控制指令，遠(yuǎn)程控制三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，模擬智能加工，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)機(jī)電結(jié)合的應(yīng)用場(chǎng)合，使學(xué)生更加充分了解專業(yè)定向，提高學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

2）元器件認(rèn)知和裝配工藝能力培養(yǎng)。以Arduino開(kāi)發(fā)板為對(duì)象，介紹SMT生產(chǎn)工藝和TMT工藝流程，使學(xué)生了解焊錫膏機(jī)、普通自動(dòng)貼片、回流焊等的使用，并進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐，每個(gè)學(xué)生在基本掌握手工焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上，制作一塊Arduino開(kāi)發(fā)板。

3）Arduino開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)。利用Arduino開(kāi)源硬件形成課堂演示案例，如炫酷的光立方、雕刻機(jī)、平衡車等小項(xiàng)目演示，利用易上手的Arduino開(kāi)源硬件，引導(dǎo)學(xué)生逐步熟悉各項(xiàng)模塊功能，其中，項(xiàng)目選擇具有層次化、模塊化由易到難、由既定到拓展，要求學(xué)生基于Arduino平臺(tái)完成以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

（1）數(shù)字溫度計(jì)。為每一個(gè)學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)所需硬件1602LCD液晶顯示器、DS18B20單總線溫度傳感器、按鍵、電位器、杜邦線若干、面包板等。在介紹LCD驅(qū)動(dòng)原理、1602引腳接口功能和控制指令、DS18B20引腳功能、上拉電阻作用等內(nèi)容的基礎(chǔ)上指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)際電路搭建，講解開(kāi)發(fā)語(yǔ)言語(yǔ)法、庫(kù)函數(shù)調(diào)用步驟和編譯下載的方法，要求學(xué)生在課程上完成環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)采集及顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)字溫度計(jì)功能。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生利用其他現(xiàn)有外設(shè)豐富數(shù)字溫度計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型教學(xué)。

（2）電機(jī)控制。提供RB-412舵機(jī)若干個(gè)，跳線若干，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)或個(gè)人方式進(jìn)行組隊(duì)完成任務(wù)。講授電機(jī)結(jié)構(gòu)原理，介紹直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)工作原理以及Arduino控制舵機(jī)的兩種方法[4]。學(xué)生設(shè)計(jì)控制電路，以舵機(jī)為基礎(chǔ)結(jié)合機(jī)械知識(shí)搭建控制平臺(tái)，完成生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化加工設(shè)備或者過(guò)程的模擬，比如數(shù)控機(jī)床。

面向課程評(píng)價(jià)體系的改革上，采用整體過(guò)程和作品綜合評(píng)價(jià)方法，建立完善評(píng)價(jià)體系，突出個(gè)體差異化。在對(duì)學(xué)生元（下轉(zhuǎn)第53頁(yè)）（上接第73頁(yè)）器件識(shí)別，測(cè)試工具使用，參數(shù)測(cè)量，焊接工藝，程序優(yōu)化，電路調(diào)試等各訓(xùn)練環(huán)節(jié)的考察基礎(chǔ)上，給予學(xué)生充分發(fā)揮空間，將本實(shí)習(xí)提供的實(shí)踐系統(tǒng)原型豐富拓展成為具有更多功能的電子控制系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)揮結(jié)果綜合評(píng)定成績(jī)，由此反映出個(gè)體的創(chuàng)造性和能動(dòng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

電子認(rèn)知實(shí)習(xí)是高校培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和動(dòng)手實(shí)踐能力的重要手段[5]。針對(duì)機(jī)械電子專業(yè)的特點(diǎn)，在電子認(rèn)知實(shí)習(xí)中融入開(kāi)源硬件，分別從課堂資源、課程內(nèi)容和課程評(píng)價(jià)體系等方面來(lái)進(jìn)行改革，建立了機(jī)電一體化并可柔性擴(kuò)展的教學(xué)模式。改革后的電子認(rèn)知實(shí)習(xí)，不但可以使學(xué)生能清楚的認(rèn)識(shí)到專業(yè)定向，了解機(jī)械和電子融合的作用，拓寬知識(shí)面，提高動(dòng)手實(shí)踐能力，更重要的是學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中培養(yǎng)了創(chuàng)新思維，理解了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為后期專業(yè)學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]