基于開源平臺(tái)Arduino的創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程創(chuàng)新研究

張沖杰，林玉梅，郭 俊

（泉州信息工程學(xué)院 軟件學(xué)院，福建 泉州 362000）

0 引 言

從2019年開始，在借鑒國(guó)內(nèi)兄弟院校 Arduino 程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)改革的基礎(chǔ)上[1-3]，我們利用開源平臺(tái)Arduino的經(jīng)濟(jì)性和適用性，在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)和軟件工程專業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)務(wù)課程教學(xué)中，融入了Arduino的先進(jìn)適用技術(shù)，開展了課程教學(xué)創(chuàng)新改革研究。經(jīng)過三年多的研究實(shí)踐，已經(jīng)取得了一定的成效。

1 課題的核心概念及其界定

（1）Arduino中文可譯為阿對(duì)諾，是近年來國(guó)外流行的開源電子產(chǎn)品創(chuàng)作平臺(tái)系統(tǒng)，包含硬件和軟件兩個(gè)子系統(tǒng)。硬件子系統(tǒng)包括各種型號(hào)的Arduino主板和擴(kuò)展板卡；軟件子系統(tǒng)主要為Arduino IDE，使用類似Java和C語言開發(fā)環(huán)境。Arduino平臺(tái)系統(tǒng)的特點(diǎn)一是跨平臺(tái)，Arduino IDE可以在Windows、Linux等主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行；二是簡(jiǎn)易性，Arduino IDE編程語言簡(jiǎn)單；三是開放性，Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件（第三方控件）均開源，多數(shù)能夠從網(wǎng)上免費(fèi)下載[4-5]。

Arduino不同于樹莓派（Raspberry Pi）。樹莓派是只有信用卡大小的袖珍型電腦，基于Linux操作系統(tǒng)，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要借助專業(yè)板卡、專業(yè)軟件和第三方控件。Arduino也不同于單片機(jī)（Micro Controllers），單片機(jī)只是一種小微集成電路芯片，具有集成技術(shù)等級(jí)比較低的CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O和中斷系統(tǒng)等，適用于比較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)和工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，復(fù)雜項(xiàng)目需要借助專業(yè)軟件和第三方控件。

（2）開源平臺(tái)。開源是指開放源代碼（Open Source Code），是當(dāng)今世界流行的軟件發(fā)布模式。開源平臺(tái)是指Arduino平臺(tái)，它涉及的配套軟件可從其專屬網(wǎng)站免費(fèi)下載，涉及的硬件則采用Creative Commons許可；這種許可允許任何使用者復(fù)制、改進(jìn)和銷售Arduino主板及其軟件，無需繳納費(fèi)用，只是改進(jìn)和銷售者都必須聲明其改進(jìn)源于原始Arduino，并承諾新版Arduino系統(tǒng)也開源。

（3）創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程。Arduino平臺(tái)可以有機(jī)融合計(jì)算機(jī)類各專業(yè)涉及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)業(yè)實(shí)踐的課程。例如，物聯(lián)網(wǎng)工程、軟件工程等專業(yè)的《創(chuàng)新創(chuàng)意實(shí)務(wù)專題制作》，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的《RFID原理與與應(yīng)用》《傳感器原理及應(yīng)用》等，網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的《電子與電路基礎(chǔ)》《路由與交換技術(shù)》等[6-8]。

2 研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 研究的目標(biāo)、內(nèi)容與重點(diǎn)

（1）研究目標(biāo)。在準(zhǔn)確把握“新工科”教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)計(jì)算機(jī)類工作崗位對(duì)相應(yīng)專業(yè)人才工程能力的要求，充分利用Arduino的先進(jìn)性和適用性，融合并改進(jìn)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)類本科教育相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容，以盡可能有效的教學(xué)手段、盡可能低的實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間成本，提升專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。計(jì)劃在一個(gè)研究周期內(nèi)（2年），有2個(gè)以上專業(yè)3門以上創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程參與教學(xué)內(nèi)容融合實(shí)驗(yàn)，有1門以上課程形成新的課程標(biāo)準(zhǔn)。

（2）內(nèi)容與重點(diǎn)。研究?jī)?nèi)容包括計(jì)算機(jī)類各專業(yè)涉及的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程的界定，課程可以融入Arduino平臺(tái)技術(shù)；創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程融入Arduino平臺(tái)技術(shù)的教學(xué)模式和教學(xué)方法研究，采用云平臺(tái)+移動(dòng)終端的方式融合輔助教學(xué)方法研究；創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程融入Arduino平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容的新課程標(biāo)準(zhǔn)制定，融入Arduino平臺(tái)技術(shù)的新課程教學(xué)效果評(píng)價(jià)研究。課題重點(diǎn)是創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程融入Arduino平臺(tái)技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化及其有效性研究。

2.2 研究的思路、過程與方法

（1）研究思路。根據(jù)國(guó)務(wù)院《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》，“新工科”要培養(yǎng)具有歷史使命感和社會(huì)責(zé)任心、富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型人才；針對(duì)民辦應(yīng)用型本科高?，F(xiàn)有工科教育基礎(chǔ)偏弱，師資力量和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐資源有限等實(shí)際情況，可充分利用Arduino平臺(tái)開源、簡(jiǎn)易和跨平臺(tái)等特性，讓學(xué)習(xí)者能夠以輕松的學(xué)習(xí)方式和較低的學(xué)習(xí)成本較好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)和項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)。

（2）研究過程和方法。①參考借鑒Arduino開源平臺(tái)應(yīng)用先進(jìn)性和適用性研究成果，國(guó)外主要參考Arduino之家https：//www.arduino.cc/，國(guó)內(nèi)主要參考Arduino中文社區(qū)https：//www.arduino.cn/，采用文獻(xiàn)法和比較研究分析法。②計(jì)算機(jī)類各專業(yè)涉及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程的界定，以及課程融入Arduino平臺(tái)技術(shù)，對(duì)接工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)崗位規(guī)范，采用頭腦風(fēng)暴法和辨證歸納法。③融入Arduino項(xiàng)目的課程體系優(yōu)化及其有效性研究，采用戴明環(huán)循環(huán)和系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化方法[9]。

3 研究過程和取得的成果

3.1 研究過程

（1）研究準(zhǔn)備階段。計(jì)劃期為2020年12月至2021年3月，主要工作是組織研究團(tuán)隊(duì)，編制研究工作計(jì)劃，搜集研究資料。在這一階段，課題組成員收集了大量國(guó)內(nèi)外Arduino開源電子創(chuàng)作平臺(tái)系統(tǒng)研究資料，包括硬件和軟件兩個(gè)子系統(tǒng)的應(yīng)用研究資料。硬件子系統(tǒng)包括各種型號(hào)的Arduino主板和擴(kuò)展板卡，軟件子系統(tǒng)主要是Arduino IDE，以及核心庫文件（第三方控件）。還搜集了大量的國(guó)內(nèi)Arduino開源平臺(tái)應(yīng)用案例。

（2）研究實(shí)驗(yàn)階段。計(jì)劃期為2021年3月至2022年2月，主要工作是開展計(jì)算機(jī)類各專業(yè)課程融入Arduino平臺(tái)技術(shù)，創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程融入Arduino平臺(tái)技術(shù)的教學(xué)模式和教學(xué)方法研究，創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程融入Arduino平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容的新課程標(biāo)準(zhǔn)制定，融入Arduino平臺(tái)技術(shù)的新課程教學(xué)效果評(píng)價(jià)研究。計(jì)劃在一個(gè)研究周期內(nèi)，有一至兩個(gè)專業(yè)的創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程參與教學(xué)內(nèi)容融合實(shí)驗(yàn)，有一門以上課程形成新的課程標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 研究取得的成果

（1）創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程融入Arduino平臺(tái)系統(tǒng)。在2020—2021學(xué)年第二學(xué)期，課題組成員先后在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)和軟件工程專業(yè)的實(shí)踐課程“創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)實(shí)務(wù)”的教學(xué)中，融入Arduino開源系統(tǒng)內(nèi)容。融入的方式有兩種，一種是專題講座，講授內(nèi)容包括Arduino硬件和軟件介紹，Arduino、樹莓派和單片機(jī)的異同點(diǎn)，Arduino系統(tǒng)應(yīng)用于工程的解決方案，Arduino應(yīng)用于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽的成功案例等。另一種是納入計(jì)劃課時(shí)，講授和實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容見表1所列。

表1 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程融入的Arduino實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

（2）物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程融入Arduino平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容。在總結(jié)創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程融入Arduino平臺(tái)系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，課題組成員也在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程“RFID原理與應(yīng)用”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，融入Arduino平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容，編寫出課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，并實(shí)施于2021—2022學(xué)年第一學(xué)期的教學(xué)班級(jí)。

“RFID原理與應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入Arduino平臺(tái)技術(shù)的內(nèi)容包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)有雙色LED控制實(shí)驗(yàn)、繼電器控制實(shí)驗(yàn)、紅外線遙控實(shí)驗(yàn)、傳感器控制實(shí)驗(yàn)和液晶板顯示實(shí)驗(yàn)等；綜合性實(shí)驗(yàn)有門禁系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)等。融入Arduino平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱如圖1所示。

圖1 融入Arduino平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱

（3）創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)融入Arduino平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容。Arduino平臺(tái)系統(tǒng)的編程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，IDE軟件及核心庫文件開源；主板、擴(kuò)展板以及硬件原理圖、電路圖均開放。從教學(xué)實(shí)際來看，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性普遍高漲。先后有2018級(jí)和2019級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程班的同學(xué)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目競(jìng)賽中融入Arduino平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容，取得了不俗的成績(jī)。例如，2018級(jí)物聯(lián)網(wǎng)1班信風(fēng)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用Arduino平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的景區(qū)導(dǎo)游機(jī)器人，獲得了2019年第九屆全國(guó)大學(xué)生智能設(shè)計(jì)競(jìng)賽三等獎(jiǎng)[10]。

也由于Arduino平臺(tái)系統(tǒng)的先進(jìn)性和適用性，從2019年開始，在專業(yè)教師的指導(dǎo)下，不少物聯(lián)網(wǎng)工程和軟件工程專業(yè)的應(yīng)屆畢業(yè)生選用Arduino平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。例如，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生完成的《基于Arduino的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》《Arduino城市井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》，軟件工程專業(yè)學(xué)生完成的《Arduino智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》等，在畢業(yè)論文答辯時(shí)獲得企業(yè)專家的一致好評(píng)。

4 結(jié) 語

由于Arduino平臺(tái)系統(tǒng)的先進(jìn)性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，它將助力“新工科”各專業(yè)創(chuàng)業(yè)實(shí)踐課程不斷創(chuàng)新。Arduino平臺(tái)技術(shù)內(nèi)容對(duì)各專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的融合，將徹底改變部分專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)軟件不懂硬件，學(xué)習(xí)硬件不懂軟件的尷尬局面。它將幫助文科和商科學(xué)生，實(shí)現(xiàn)編程與硬件系統(tǒng)集成零的突破?？梢钥隙?，對(duì)于那些在校期間就感悟到跨專業(yè)學(xué)習(xí)對(duì)職場(chǎng)成長(zhǎng)重要性的優(yōu)秀學(xué)生而言，Arduino平臺(tái)系統(tǒng)就是通向成功的捷徑。

Arduino平臺(tái)系統(tǒng)的硬件包括主板和擴(kuò)展板、配件（傳感器等）、面包板和連接線，只需花費(fèi)幾百元；各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的源代碼和庫文件均開源（免費(fèi)）。這對(duì)于比較講究學(xué)習(xí)成本的辦學(xué)單位，以及需要節(jié)省開支的學(xué)生而言，無疑是極大利好。講究教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)質(zhì)量的單位和個(gè)人，都可以從中獲得顯著的學(xué)術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。