李結(jié)松

[摘 要]許多高校都開(kāi)設(shè)了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，但低年級(jí)學(xué)生參與度不高，主要原因在于開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不能契合低年級(jí)學(xué)生的需求。為了滿足學(xué)生參加電子競(jìng)賽和申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的需要，廣州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)中心在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)設(shè)了Arduino項(xiàng)目，通過(guò)聘請(qǐng)高年級(jí)學(xué)生擔(dān)任助理實(shí)驗(yàn)師的做法，開(kāi)展了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及綜合拓展項(xiàng)目，使低年級(jí)學(xué)生的動(dòng)手能力得到明顯提升。

[關(guān)鍵詞]Arduino;低年級(jí);工科;開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室

[中圖分類號(hào)] G642.423 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）06-0085-03

為了提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，近年來(lái)很多高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放進(jìn)行了探索和嘗試，開(kāi)設(shè)了許多綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，各高校設(shè)立開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為共識(shí)， 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室成為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要基地[1]。但從實(shí)際運(yùn)行效果看，部分學(xué)生參與度并不高，特別是低年級(jí)學(xué)生沒(méi)有太大積極性。筆者與大一、大二學(xué)生進(jìn)行了深入交流，發(fā)現(xiàn)主要原因有兩點(diǎn)：一是面向低年級(jí)學(xué)生開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少且吸引力不足，二是指導(dǎo)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的師資不足。經(jīng)過(guò)幾年的摸索，廣州醫(yī)科大學(xué)在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)低年級(jí)開(kāi)設(shè)了Arduino的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)聘請(qǐng)高年級(jí)學(xué)生勤工儉學(xué)做助理實(shí)驗(yàn)師的做法，極大地提升了低年級(jí)學(xué)生對(duì)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的參與度，取得了較好的成效。

一、Arduino簡(jiǎn)介

Arduino 是一種開(kāi)源電子平臺(tái)。該平臺(tái)起源于意大利，主要基于AVR單片機(jī)微控制器和相應(yīng)的開(kāi)發(fā)軟件而設(shè)計(jì)，最初是為一些非電子工程專業(yè)的學(xué)生而設(shè)計(jì)。自從2005年Arduino推出以來(lái)，市場(chǎng)上已經(jīng)推出了各式各樣的Arduino版本，受到了許多電子發(fā)燒友的廣泛關(guān)注[2]。由于Arduino具有高度的模塊化特點(diǎn)，因此有時(shí)叫它“電子積木”[3]。

Arduino包括一塊具備I/O功能的電路板以及一套程序開(kāi)發(fā)軟件[4]。Arduino可以用來(lái)開(kāi)發(fā)交互式產(chǎn)品，比如它可以讀取開(kāi)關(guān)和傳感器信號(hào)，也可以控制電燈、電機(jī)和其他各式各樣的物理設(shè)備[5];Arduino 還可以開(kāi)發(fā)出與PC相連的外圍裝置，與PC進(jìn)行通信。Arduino的硬件電路板可以采用下圖所示的現(xiàn)成電路板，也可以自行焊接組裝，而程序開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟件則可以從官網(wǎng)下載[6]。

Arduino主要核心資源是ATMEGA328，內(nèi)置Flash 32 KB ，時(shí)鐘頻率 16 MHz。主流UNO大都采用了USB to Serial 芯片，不僅降低了成本，更主要的是使得Arduino UNO 在PC 端可以顯示為一個(gè)USB 設(shè)備，使用更加便捷[7]。Arduino UNO 具有14個(gè)數(shù)字I/O口（其中帶～標(biāo)號(hào)的6個(gè)數(shù)字端口可以作為PWM端口），6個(gè)模擬I/O 口，一個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)，一個(gè)ICSP下載口，支持USB接口，可通過(guò)USB 接口供電，也可以使用單獨(dú)的電源供電[8]。Arduino開(kāi)發(fā)板如下圖所示：

二、Arduino在工科低年級(jí)專業(yè)開(kāi)設(shè)的必要性

（一）提高工科生實(shí)踐動(dòng)手能力的需要

近幾年各用人單位越來(lái)越重視畢業(yè)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐操作水平，因此各大高校十分重視實(shí)踐教學(xué)管理，支持本科生參與科研活動(dòng)，早做課題，早進(jìn)團(tuán)隊(duì)，希望以科研促進(jìn)教學(xué)，以此促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[9]。但在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，大多數(shù)學(xué)生編程基礎(chǔ)薄弱，加上硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有封閉性，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，抑制了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（二）參加電子競(jìng)賽和大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的需要

每年有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的本科一、二年級(jí)學(xué)生參加全國(guó)或者省級(jí)的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)，迫切需要學(xué)習(xí)單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)。但目前國(guó)內(nèi)理工科院校的單片機(jī)原理與應(yīng)用課程，一般開(kāi)設(shè)在第五學(xué)期，無(wú)法滿足低年級(jí)學(xué)生的需求。此外，還有部分學(xué)生申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，也需要提前學(xué)習(xí)掌握單片機(jī)知識(shí)。

（三）Arduino平臺(tái)簡(jiǎn)單易用、成本低

Arduino作為一款開(kāi)源電子平臺(tái)，有很強(qiáng)的易用性和擴(kuò)展性，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不需要學(xué)生掌握復(fù)雜的編程語(yǔ)言，只需了解其函數(shù)用法即可進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計(jì)，可以被初學(xué)者輕松掌握，對(duì)于高級(jí)用戶也具有足夠的靈活性。Arduino的官方Web站點(diǎn)包含豐富的源代碼，其中的代碼樣例和示例都是免費(fèi)共享的，硬件也是開(kāi)源的。Arduino的很多案例代碼都能在相關(guān)技術(shù)論壇得到，初學(xué)者只要下載、學(xué)習(xí)、修改、燒錄、調(diào)試，即可得到自己的項(xiàng)目，這也使其很快在不同領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[10]。

此外，Arduino開(kāi)發(fā)板價(jià)格低廉，在網(wǎng)上購(gòu)買套件不足200元，在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)緊張的情形下，推廣成本低。

三、Arduino實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)展流程

（一）選拔高年級(jí)學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)的主干力量

Arduino項(xiàng)目雖然入門容易，但對(duì)于大一、大二的學(xué)生來(lái)說(shuō)，仍然是有一定的門檻。在帶教開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的師資不足之情形下，我們選定了數(shù)名基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)的大三學(xué)生，對(duì)他們進(jìn)行培訓(xùn)，并為他們申請(qǐng)?jiān)O(shè)立勤工助學(xué)崗位，讓他們以助理實(shí)驗(yàn)師的身份，每周利用一次晚上的時(shí)間，帶著低年級(jí)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（二）加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)

為了減少實(shí)驗(yàn)中的講授時(shí)間，將更多的時(shí)間留給學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作，要求學(xué)生提前觀看教學(xué)視頻，視頻的內(nèi)容與該次實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)，教學(xué)視頻的內(nèi)容主要來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)或者以前的教學(xué)內(nèi)容。

（三）加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中的交流互動(dòng)

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)活動(dòng)每周開(kāi)展一次，每次持續(xù)3節(jié)課時(shí)間。第一節(jié)課前15分鐘用來(lái)和學(xué)生交流，了解和檢查課前觀看視頻的情況，并對(duì)上次的課后實(shí)驗(yàn)作業(yè)進(jìn)行檢查和探討;接下來(lái)的25分鐘用來(lái)講解實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中安排的授課內(nèi)容;第二、三節(jié)課開(kāi)展1～2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因低年級(jí)學(xué)生尚未接觸專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過(guò)程中許多學(xué)生會(huì)提出各種問(wèn)題，這時(shí)需要及時(shí)在課堂上予以解決，否則會(huì)影響學(xué)習(xí)積極性。為此，在前面幾次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，需要配備5～6名輔導(dǎo)人員，這期間會(huì)有大量雙向交流，學(xué)生們學(xué)起來(lái)不會(huì)感到十分費(fèi)力，幾乎所有學(xué)生都能在實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

（四）加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)后的效果評(píng)估與考核

所有學(xué)生都需要撰寫和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。此外，通過(guò)教學(xué)評(píng)估軟件，所有學(xué)生掃描二維碼，完成在線評(píng)價(jià)，用來(lái)評(píng)估本周的學(xué)習(xí)目標(biāo)是否達(dá)到，并可提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)意見(jiàn)。

四、Arduino實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)展內(nèi)容

經(jīng)過(guò)摸索，我們?cè)O(shè)立了10個(gè)深入淺出的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和1個(gè)綜合拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目，如果用傳統(tǒng)單片機(jī)平臺(tái)來(lái)做，冗長(zhǎng)復(fù)雜的代碼早已讓學(xué)生望而卻步。而用Arduino平臺(tái)來(lái)完成，Arduino 自帶的 I/O 接口以及擴(kuò)展板能與各種傳感器、步進(jìn)電機(jī)、藍(lán)牙、舵機(jī)等相連。由于是開(kāi)源硬件，各類軟件庫(kù)資源十分豐富，初學(xué)者只要根據(jù)示例代碼稍加修改調(diào)試，即可得到自己的項(xiàng)目，學(xué)生上手容易，極大提高了他們的興趣和自信心。

（一）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目示例

1.LED閃爍器

實(shí)驗(yàn)效果：面包板上LED每隔1秒交替亮滅1次。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類似于經(jīng)典編程語(yǔ)言的“Hello，World”。

2.交通信號(hào)燈

實(shí)驗(yàn)效果：三色LED信號(hào)燈從綠燈亮變成黃燈亮，再變成紅燈亮，然后重新開(kāi)始。

3.警報(bào)器

實(shí)驗(yàn)效果：當(dāng)有人經(jīng)過(guò)時(shí)，壓電揚(yáng)聲器發(fā)出一高一低的警報(bào)聲。

4.簡(jiǎn)單的電機(jī)控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)效果：變阻器旋鈕旋轉(zhuǎn)到最左側(cè)，電機(jī)停止;向右旋轉(zhuǎn)，電機(jī)加速，直到旋轉(zhuǎn)到最右端，電機(jī)獲得最大速度。

5.二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

實(shí)驗(yàn)效果：驅(qū)動(dòng)8個(gè)獨(dú)立的LED，每個(gè)LED獨(dú)立點(diǎn)亮和熄滅，它們每秒變化1次，以二進(jìn)制方式從0加到255，之后再重新開(kāi)始。

6.LED點(diǎn)陣顯示簡(jiǎn)單動(dòng)畫

實(shí)驗(yàn)效果：在8[×]8LED點(diǎn)陣矩陣上顯示一個(gè)心形圖案，持續(xù)時(shí)間大約半秒后，顯示器上原來(lái)亮的LED滅，滅的LED點(diǎn)亮，這種明暗轉(zhuǎn)換使圖案呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的動(dòng)畫效果。

7.基本LCD控制

實(shí)驗(yàn)效果：在LCD上顯示“Guangzhou Medical University”。

8.溫度傳感器[11]

實(shí)驗(yàn)效果：使用DS18B20采集溫度，并在LCD上顯示出來(lái)。當(dāng)手指觸摸溫度傳感器時(shí)，實(shí)時(shí)顯示手指溫度。

9.簡(jiǎn)單舵機(jī)控制

實(shí)驗(yàn)效果：旋轉(zhuǎn)可變電位器，使舵機(jī)在0至180度范圍內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

10.超聲測(cè)距[12]

實(shí)驗(yàn)效果：將傳感器靜放在桌子上，測(cè)量傳感器與天花板之間的距離，將距離顯示在LCD上。

（二）綜合拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目示例：智能小車的組裝與設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手創(chuàng)新能力，我校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室還開(kāi)展了綜合拓展項(xiàng)目：智能小車的組裝與設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目包含了UNO主板、超聲模塊、紅光模塊、藍(lán)牙模塊、電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，器件模塊都是套裝，無(wú)需焊接，只需將傳感器直接插在擴(kuò)展板上即可，相比傳統(tǒng)面包板實(shí)驗(yàn)，省去了搭電路的麻煩，學(xué)生可以直觀感受，大大激發(fā)了學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造力。智能小車的主要構(gòu)造如下圖所示：

在綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，首先需要掌握智能小車的基本功能，再讓學(xué)生由淺入深，逐一加上傳感器模塊完成以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

1.智能小車的組裝。在多功能平臺(tái)上固定主控板、四輪驅(qū)動(dòng)套件和傳感器支架等，使小車能夠完成電動(dòng)驅(qū)動(dòng)行駛。

2.巡線小車。加入紅外探測(cè)模塊，使智能小車可以在畫有黑線的白色路面上行駛。由于黑色和白色對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”——黑線。

3.避障小車。避障模塊是通過(guò)超聲波傳感器和紅外傳感器實(shí)現(xiàn)的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，當(dāng)遇到障礙物立即反射回來(lái)，通過(guò)發(fā)射與接收到超聲波的時(shí)間差可計(jì)算小車與障礙物之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。紅外避障的原理是當(dāng)發(fā)射的紅外線遇到障礙物時(shí)，被反射到接收傳感器，傳感器檢測(cè)到這一信號(hào)，就可以確認(rèn)正前方有障礙物。

4.手機(jī)APP遙控小車。基于BLE-LINK 藍(lán)牙4.0模塊實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)對(duì)智能小車的遙控，通過(guò)Android手機(jī)的終端程序，借助藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的基本控制（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止）。

學(xué)生通過(guò)主動(dòng)學(xué)習(xí)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，逐一解決出現(xiàn)的各種問(wèn)題，如通訊不靈敏、小車速度調(diào)整等，在這個(gè)過(guò)程中可以迅速提升學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，有利于創(chuàng)造思維能力的培養(yǎng)。

五、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展成效

通過(guò)在大學(xué)低年級(jí)中引入Arduino項(xiàng)目，建立開(kāi)源硬件的創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生盡可能早地接觸電子信息領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，成效比較明顯。

（一）學(xué)生申報(bào)校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目數(shù)量增多

2016年開(kāi)展Arduino項(xiàng)目之前，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生每年申報(bào)成功的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目為1～2項(xiàng)，2016～2018年這一數(shù)據(jù)增加為3～4項(xiàng)，其中有2項(xiàng)成功申報(bào)為省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。

（二）在全國(guó)、省級(jí)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中成績(jī)有所突破

2016年之前，我校僅獲得省級(jí)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。而近兩年在全國(guó)、省級(jí)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，我校獲得省級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)，其中有4個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)都運(yùn)用到Arduino平臺(tái)。2017年由大一、大二學(xué)生組隊(duì)完成的光定位項(xiàng)目，獲得了廣東省賽區(qū)二等獎(jiǎng)，打破了低年級(jí)學(xué)生獲獎(jiǎng)難的瓶頸。

（三）動(dòng)手能力、編程能力和創(chuàng)新能力明顯提升

由于較早使用C語(yǔ)言編程，為后面的單片機(jī)開(kāi)發(fā)和嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用創(chuàng)新能力在大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)中也得到了很好的體現(xiàn)。

因此，在工科低年級(jí)學(xué)生中開(kāi)展Arduino開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)新精神，對(duì)培養(yǎng)提升本科生的實(shí)踐應(yīng)用能力是值得探索的。

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]