李姮 許金 李珊 李輝

【摘 要】基于樹莓派軟硬件開發(fā)環(huán)境，結(jié)合電子實踐課程培養(yǎng)現(xiàn)狀，提出了搭建具有創(chuàng)客理念、學(xué)科交叉融合優(yōu)勢的開源理實一體化創(chuàng)新教學(xué)平臺，將開源硬件引入電子訓(xùn)練實踐教學(xué)，實施開源創(chuàng)客的教學(xué)應(yīng)用模式，并構(gòu)建針對電子實踐課程的理實一體化評價機制，目的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維與技能，以提升綜合實踐創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】開源;電子實踐教學(xué);樹莓派

中圖分類號： TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）23-0097-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.043

0 引言

現(xiàn)階段國內(nèi)高校普遍開設(shè)的電子實訓(xùn)課程在大學(xué)生創(chuàng)客教育環(huán)節(jié)中具有公認(rèn)的重要性，是提高學(xué)生獨立動手能力、創(chuàng)新思維能力，造就創(chuàng)新型人才的有效途徑[1]。而創(chuàng)客教育重要的技術(shù)工具類型之一則是開源硬件[2]，開源硬件的出現(xiàn)降低了創(chuàng)造、創(chuàng)新的門檻和成本，將開源硬件教學(xué)作為一種新的教學(xué)模式引入到創(chuàng)客日常教學(xué)中來，有利于加深對課程體系和知識結(jié)構(gòu)的理解，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成實踐與探索相結(jié)伴的學(xué)習(xí)模式，充分體現(xiàn)創(chuàng)客教育理念。

1 電子實踐課程現(xiàn)狀分析

本校的基礎(chǔ)實驗教學(xué)單位——電子工程訓(xùn)練中心主要承擔(dān)著學(xué)校工科專業(yè)學(xué)生的電子工藝實習(xí)基礎(chǔ)教學(xué)和電子產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計制作指導(dǎo)[3]，面向高校工科專業(yè)開設(shè)有“電子認(rèn)知實習(xí)”、“電子工程訓(xùn)練I”、“電子工程訓(xùn)練II”三門電子實踐性教學(xué)課程如表1。

以上三門電子實踐課程的實習(xí)周期占據(jù)35-105個學(xué)時，基本是利用訓(xùn)練中心自身條件完成如門鈴電路、收音機、液晶電視機等若干個小型電子產(chǎn)品套件的拆裝、測量與調(diào)試工作。若繼續(xù)沿用當(dāng)前傳統(tǒng)的教學(xué)操作，難以突出學(xué)生個性特點，同時由于實踐條件受限導(dǎo)致學(xué)生實踐創(chuàng)新意識未能切實發(fā)揮[4]，創(chuàng)新氛圍不夠濃、途徑單一、成效不明顯;此外實踐課程相對獨立，缺乏有機聯(lián)系，多個實踐課程之間整合度不夠，缺少聯(lián)動交叉性，不利于學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)和鍛煉。因此，要從基礎(chǔ)上提高學(xué)生的實踐能力和工程素養(yǎng)，就需要結(jié)合學(xué)校多學(xué)科的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、專業(yè)實際，對傳統(tǒng)電子實訓(xùn)教學(xué)的教學(xué)環(huán)境平臺構(gòu)建、課程資源建設(shè)、教學(xué)評價體系等方面進(jìn)行交互創(chuàng)新與改革。

2 開源理實一體化創(chuàng)新教學(xué)平臺設(shè)計特色

本實訓(xùn)中心以電子實踐課程為基礎(chǔ)，設(shè)計開發(fā)了一套基于Raspberry Pi（樹莓派）環(huán)境[5]的開源理實一體化創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)平臺，采用跨平臺編譯、移植常用工具和開發(fā)環(huán)境構(gòu)建平臺的上層軟件架構(gòu)，選用合適的樹莓派版本及外圍接口模塊，搭建實現(xiàn)基本交互能力的操作系統(tǒng)。設(shè)計基本原則是依據(jù)開設(shè)課程定額的學(xué)生人數(shù)，在現(xiàn)有實訓(xùn)機房硬件資源基礎(chǔ)上，通過顯示器、樹莓派、外設(shè)以及外圍接口構(gòu)建具有可擴(kuò)展、可開發(fā)、可移植特點的教學(xué)平臺，滿足批量化多人次教學(xué)。其不僅能像普通PC一樣作為教學(xué)開發(fā)工具，還能作為應(yīng)用開發(fā)平臺，進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)外設(shè)擴(kuò)展，豐富平臺功能。平臺特色之處在于通過低投入成本的樹莓派進(jìn)行硬件設(shè)計與系統(tǒng)開發(fā)，既可以作為上位機實現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)終端，也可以作為下位機完成現(xiàn)場外設(shè)控制，具有共享、開放、協(xié)作等特點，是實現(xiàn)集常用工具、應(yīng)用開發(fā)、編程擴(kuò)展等一體化的綜合實訓(xùn)平臺。

3 課程改革總體方案及在實踐教學(xué)體系中的應(yīng)用

開源理實一體化創(chuàng)新教學(xué)總體思路是基于樹莓派環(huán)境設(shè)計一套可用于軟件教學(xué)、硬件擴(kuò)展、應(yīng)用編程的多功能綜合性開源創(chuàng)客教學(xué)訓(xùn)練平臺，探索一種將應(yīng)用融入于開源硬件教學(xué)，實施開源創(chuàng)客的教學(xué)應(yīng)用模式，即在對學(xué)生動手操作技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，以通過增加專業(yè)多學(xué)科基礎(chǔ)應(yīng)用的學(xué)習(xí)與開源項目設(shè)計實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的比重，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生探索與創(chuàng)新精神，從而使其具備較強的創(chuàng)意性設(shè)計和技術(shù)改造能力。

3.1 面向“電子認(rèn)知實習(xí)”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

開源理實一體化創(chuàng)新教學(xué)平臺應(yīng)用于“電子認(rèn)知實習(xí)”中，該平臺可通過HDMI接口連接樹莓派與外設(shè)顯示器，樹莓派USB接口連接鍵鼠構(gòu)成人機交互界面，來搭建學(xué)生制作裝配的Arduino硬件開發(fā)板的軟硬件開發(fā)環(huán)境。如表2所示，開源教學(xué)在電子認(rèn)知實習(xí)課程中的教學(xué)過程具體分為演示、制造、實踐、驗收等四個應(yīng)用創(chuàng)新模式，變枯燥無味的測量性實驗為創(chuàng)新型探究性實驗，充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。整個教學(xué)過程均采用演示教學(xué)和實踐操作相鋪結(jié)合的教學(xué)方法，課程內(nèi)容以項目為載體，涉及電子裝配工藝、元器件焊接、外圍電路設(shè)計、程序編寫、傳感器應(yīng)用等多項技能的培養(yǎng)。

學(xué)生首先通過開源硬件的樣例作品演示，形成課堂演示案例，以興趣為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)。面向電子類專業(yè)學(xué)生，演示階段的作品選取如光立方、激光雕刻機、自平衡兩輪小車等專業(yè)性和趣味性都較強的項目，培養(yǎng)學(xué)生對電子技術(shù)、控制技術(shù)、光電信息技術(shù)的認(rèn)知能力;而針對于機電專業(yè)學(xué)生，演示階段的作品選擇多維運動平臺、3D打印機等機電結(jié)合的項目，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識機電結(jié)合的應(yīng)用場合，使學(xué)生初步了解專業(yè)定向，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性;針對非電類專業(yè)，則應(yīng)選擇創(chuàng)意性較強、形象化的作品如跟隨復(fù)寫系統(tǒng)、智能花盆、旋轉(zhuǎn)LED等，重在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)意和想法。其次再利用SMT工藝制造實訓(xùn)環(huán)節(jié)中自制開源硬件開發(fā)板，最后實現(xiàn)電路搭建、IDE環(huán)境編程學(xué)習(xí)、創(chuàng)意項目開發(fā)。

在電子認(rèn)知實習(xí)課程中引入開源硬件進(jìn)行教學(xué)具備較強的可行性。一方面，向課程中注入新的血液，彌補電子認(rèn)知實習(xí)課程創(chuàng)新性不足的問題，另一方面，極大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，變測量性實驗為探究性實驗，學(xué)生在此課程中不再是僅僅測量電子元器件裝配電子產(chǎn)品，而是需要利用在制造階段制作的電子產(chǎn)品作為主控制中心，配合相關(guān)外圍電路，自主探究設(shè)計一個具有創(chuàng)意的產(chǎn)品[3]，旨在從大一新生開始培育建立“共享、開放、協(xié)作”的理實一體化工程思維。

3.2 面向“電子工程訓(xùn)練I”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

開源理實一體化創(chuàng)新教學(xué)平臺應(yīng)用于“電子工程訓(xùn)練I”中，該平臺可通過GPIO擴(kuò)展接口制作FM調(diào)頻無線電發(fā)射器，實現(xiàn)小型電臺，與本課程學(xué)生完成的電子產(chǎn)品——AM/FM收音機結(jié)合設(shè)計一部無線電臺收發(fā)裝置，有力激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生立體化理解通信原理基本理論知識。進(jìn)而再通過獨立完成收音機套件的電路設(shè)計、裝配調(diào)試，鍛煉學(xué)生動手實踐能力的同時，也能夠鍛煉學(xué)生電子電路設(shè)計、應(yīng)用開發(fā)、軟件編程等工程開發(fā)能力。此外，采用新的基于結(jié)果型和過程型的綜合考核評價體系，客觀且直觀的評價學(xué)生學(xué)習(xí)情況，可以更全面培養(yǎng)考核學(xué)生創(chuàng)新能力，開展理實一體化教育。

3.3 面向“電子工程訓(xùn)練II”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

開源理實一體化創(chuàng)新教學(xué)平臺應(yīng)用于“電子工程訓(xùn)練II”中，該平臺融合了Linux系統(tǒng)、開放軟件，可基于軟件虛擬搭建網(wǎng)絡(luò)電視播放器，配合GPIO擴(kuò)展接口解碼紅外遙控，開發(fā)智能電視盒子，進(jìn)而與本課程學(xué)生完成的電子產(chǎn)品——液晶電視相結(jié)合，可實現(xiàn)“閉環(huán)”式專業(yè)知識教育，讓學(xué)生能充分理解電視機工作原理、電視發(fā)射機工作原理。通過PCB設(shè)計制造、元件測試焊接、系統(tǒng)組裝調(diào)試、電氣參數(shù)測試等多個環(huán)節(jié)，學(xué)生以分組形式共同完成一部綜合性電子產(chǎn)品的制作。整體教學(xué)過程以產(chǎn)品過程，項目的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行全生命周期為背景的教育理念為載體，以主動地、實踐地、學(xué)習(xí)舉一反三的運行機制培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語

圍繞創(chuàng)客教育的開展理念與開源硬件的新興技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢，本項目設(shè)計提供的向于電子實訓(xùn)教學(xué)系列課程中的開源創(chuàng)新教學(xué)平臺，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維、工程素養(yǎng)、實踐能力和創(chuàng)新精神為目標(biāo)，以開放性、綜合性、實踐性、創(chuàng)造性為特征，是為解決高校教育體制中創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足而實施的一系列創(chuàng)新動手技能訓(xùn)練的綜合教學(xué)平臺，在探索完善電子實訓(xùn)教學(xué)體系建設(shè)中起著關(guān)鍵樞紐作用。

【參考文獻(xiàn)】

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