張沖杰，林玉梅，郭 俊

（泉州信息工程學院 軟件學院，福建 泉州 362000）

0 引 言

從2019年開始，在借鑒國內(nèi)兄弟院校 Arduino 程序設計課程教學改革和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐課程教學改革的基礎上[1-3]，我們利用開源平臺Arduino的經(jīng)濟性和適用性，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)實務課程教學中，融入了Arduino的先進適用技術，開展了課程教學創(chuàng)新改革研究。經(jīng)過三年多的研究實踐，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中文可譯為阿對諾，是近年來國外流行的開源電子產(chǎn)品創(chuàng)作平臺系統(tǒng)，包含硬件和軟件兩個子系統(tǒng)。硬件子系統(tǒng)包括各種型號的Arduino主板和擴展板卡；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平臺系統(tǒng)的特點一是跨平臺，Arduino IDE可以在Windows、Linux等主流操作系統(tǒng)上運行；二是簡易性，Arduino IDE編程語言簡單；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)，工程項目設計需要借助專業(yè)板卡、專業(yè)軟件和第三方控件。Arduino也不同于單片機（Micro Controllers），單片機只是一種小微集成電路芯片，具有集成技術等級比較低的CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O和中斷系統(tǒng)等，適用于比較簡單的實驗和工程項目設計，復雜項目需要借助專業(yè)軟件和第三方控件。

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

（3）創(chuàng)業(yè)實踐課程。Arduino平臺可以有機融合計算機類各專業(yè)涉及實驗實訓與創(chuàng)業(yè)實踐的課程。例如，物聯(lián)網(wǎng)工程、軟件工程等專業(yè)的《創(chuàng)新創(chuàng)意實務專題制作》，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的《RFID原理與與應用》《傳感器原理及應用》等，網(wǎng)絡工程專業(yè)的《電子與電路基礎》《路由與交換技術》等[6-8]。

2 研究系統(tǒng)設計

2.1 研究的目標、內(nèi)容與重點

（1）研究目標。在準確把握“新工科”教學特點的基礎上，針對計算機類工作崗位對相應專業(yè)人才工程能力的要求，充分利用Arduino的先進性和適用性，融合并改進現(xiàn)有計算機類本科教育相關課程教學內(nèi)容，以盡可能有效的教學手段、盡可能低的實驗成本和時間成本，提升專業(yè)教學質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。計劃在一個研究周期內(nèi)（2年），有2個以上專業(yè)3門以上創(chuàng)業(yè)實踐課程參與教學內(nèi)容融合實驗，有1門以上課程形成新的課程標準。

（2）內(nèi)容與重點。研究內(nèi)容包括計算機類各專業(yè)涉及的實驗實訓與創(chuàng)業(yè)實踐課程的界定，課程可以融入Arduino平臺技術；創(chuàng)業(yè)實踐課程融入Arduino平臺技術的教學模式和教學方法研究，采用云平臺+移動終端的方式融合輔助教學方法研究；創(chuàng)業(yè)實踐課程融入Arduino平臺技術內(nèi)容的新課程標準制定，融入Arduino平臺技術的新課程教學效果評價研究。課題重點是創(chuàng)業(yè)實踐課程融入Arduino平臺技術的教學內(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)國務院《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，“新工科”要培養(yǎng)具有歷史使命感和社會責任心、富有創(chuàng)新精神和實踐能力的創(chuàng)新型、應用型、復合型人才；針對民辦應用型本科高?，F(xiàn)有工科教育基礎偏弱，師資力量和實驗實踐資源有限等實際情況，可充分利用Arduino平臺開源、簡易和跨平臺等特性，讓學習者能夠以輕松的學習方式和較低的學習成本較好地完成學習任務和項目開發(fā)任務。

（2）研究過程和方法。①參考借鑒Arduino開源平臺應用先進性和適用性研究成果，國外主要參考Arduino之家https：//www.arduino.cc/，國內(nèi)主要參考Arduino中文社區(qū)https：//www.arduino.cn/，采用文獻法和比較研究分析法。②計算機類各專業(yè)涉及實驗實訓與創(chuàng)業(yè)實踐課程的界定，以及課程融入Arduino平臺技術，對接工程認證標準和行業(yè)崗位規(guī)范，采用頭腦風暴法和辨證歸納法。③融入Arduino項目的課程體系優(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）研究準備階段。計劃期為2020年12月至2021年3月，主要工作是組織研究團隊，編制研究工作計劃，搜集研究資料。在這一階段，課題組成員收集了大量國內(nèi)外Arduino開源電子創(chuàng)作平臺系統(tǒng)研究資料，包括硬件和軟件兩個子系統(tǒng)的應用研究資料。硬件子系統(tǒng)包括各種型號的Arduino主板和擴展板卡，軟件子系統(tǒng)主要是Arduino IDE，以及核心庫文件（第三方控件）。還搜集了大量的國內(nèi)Arduino開源平臺應用案例。

（2）研究實驗階段。計劃期為2021年3月至2022年2月，主要工作是開展計算機類各專業(yè)課程融入Arduino平臺技術，創(chuàng)業(yè)實踐課程融入Arduino平臺技術的教學模式和教學方法研究，創(chuàng)業(yè)實踐課程融入Arduino平臺技術內(nèi)容的新課程標準制定，融入Arduino平臺技術的新課程教學效果評價研究。計劃在一個研究周期內(nèi)，有一至兩個專業(yè)的創(chuàng)業(yè)實踐課程參與教學內(nèi)容融合實驗，有一門以上課程形成新的課程標準。

3.2 研究取得的成果

（1）創(chuàng)業(yè)實踐課程融入Arduino平臺系統(tǒng)。在2020—2021學年第二學期，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)的實踐課程“創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)實務”的教學中，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、樹莓派和單片機的異同點，Arduino系統(tǒng)應用于工程的解決方案，Arduino應用于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽的成功案例等。另一種是納入計劃課時，講授和實訓相結合，實訓內(nèi)容見表1所列。

表1 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程融入的Arduino實訓內(nèi)容

（2）物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程融入Arduino平臺技術內(nèi)容。在總結創(chuàng)業(yè)實踐課程融入Arduino平臺系統(tǒng)教學內(nèi)容經(jīng)驗的基礎上，課題組成員也在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程“RFID原理與應用”的實驗教學中，融入Arduino平臺技術內(nèi)容，編寫出課程實驗教學大綱和實驗指導書，并實施于2021—2022學年第一學期的教學班級。

“RFID原理與應用”實驗教學融入Arduino平臺技術的內(nèi)容包括驗證性實驗和綜合性實驗。驗證性實驗有雙色LED控制實驗、繼電器控制實驗、紅外線遙控實驗、傳感器控制實驗和液晶板顯示實驗等；綜合性實驗有門禁系統(tǒng)實驗、手機APP遠程控制實驗等。融入Arduino平臺技術內(nèi)容的課程實驗教學大綱如圖1所示。

圖1 融入Arduino平臺技術內(nèi)容的課程實驗教學大綱

（3）創(chuàng)業(yè)競賽和畢業(yè)設計融入Arduino平臺技術內(nèi)容。Arduino平臺系統(tǒng)的編程相對比較簡單，IDE軟件及核心庫文件開源；主板、擴展板以及硬件原理圖、電路圖均開放。從教學實際來看，學生的學習積極性普遍高漲。先后有2018級和2019級物聯(lián)網(wǎng)工程班的同學在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目競賽中融入Arduino平臺技術內(nèi)容，取得了不俗的成績。例如，2018級物聯(lián)網(wǎng)1班信風團隊應用Arduino平臺系統(tǒng)設計的景區(qū)導游機器人，獲得了2019年第九屆全國大學生智能設計競賽三等獎[10]。

也由于Arduino平臺系統(tǒng)的先進性和適用性，從2019年開始，在專業(yè)教師的指導下，不少物聯(lián)網(wǎng)工程和軟件工程專業(yè)的應屆畢業(yè)生選用Arduino平臺系統(tǒng)設計作為畢業(yè)設計項目。例如，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生完成的《基于Arduino的人臉識別門禁系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》《Arduino城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》，軟件工程專業(yè)學生完成的《Arduino智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》等，在畢業(yè)論文答辯時獲得企業(yè)專家的一致好評。

4 結 語

由于Arduino平臺系統(tǒng)的先進性、適用性和經(jīng)濟性，它將助力“新工科”各專業(yè)創(chuàng)業(yè)實踐課程不斷創(chuàng)新。Arduino平臺技術內(nèi)容對各專業(yè)教學內(nèi)容的融合，將徹底改變部分專業(yè)學生學習軟件不懂硬件，學習硬件不懂軟件的尷尬局面。它將幫助文科和商科學生，實現(xiàn)編程與硬件系統(tǒng)集成零的突破。可以肯定，對于那些在校期間就感悟到跨專業(yè)學習對職場成長重要性的優(yōu)秀學生而言，Arduino平臺系統(tǒng)就是通向成功的捷徑。

Arduino平臺系統(tǒng)的硬件包括主板和擴展板、配件（傳感器等）、面包板和連接線，只需花費幾百元；各實驗項目的源代碼和庫文件均開源（免費）。這對于比較講究學習成本的辦學單位，以及需要節(jié)省開支的學生而言，無疑是極大利好。講究教學質(zhì)量和學習質(zhì)量的單位和個人，都可以從中獲得顯著的學術價值和經(jīng)濟效益。