基于開源平臺(tái)Arduino的大學(xué)創(chuàng)客實(shí)踐探索

引 言

近幾年各用人單位越來越重視畢業(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)，早進(jìn)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) [1]。但在實(shí)際的教學(xué)過程中，大多數(shù)學(xué)生編程基礎(chǔ)薄弱，只是被動(dòng)、機(jī)械地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，再加上硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的封閉性，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，抑制了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

經(jīng)過廣泛調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn) Arduino作為一款開源電子原型平臺(tái)，有很強(qiáng)的易用性和擴(kuò)展性，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無需學(xué)生掌握復(fù)雜的編程語言，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)。這款價(jià)格低廉，風(fēng)靡于電子愛好者、設(shè)計(jì)師甚至藝術(shù)家們的硬件開發(fā)平臺(tái)已經(jīng)成為創(chuàng)客們的主要開發(fā)工具。本文以電子信息專業(yè)的 機(jī)器人基礎(chǔ) 課程為例，探索在創(chuàng)客理念指導(dǎo)下的本科生創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)。

1 創(chuàng)客教育

“創(chuàng)客”是個(gè)舶來詞，源自英文“Maker”，主要指出于個(gè)人 愛好，借助各種現(xiàn)代信息技術(shù)將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人 [2, 3]。 現(xiàn)在的創(chuàng)客已經(jīng)不僅僅局限于科技達(dá)人，本文所提倡的創(chuàng)客 是指利用開源軟硬件技術(shù)將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的年輕人。當(dāng)這種 創(chuàng)客文化進(jìn)入校園，便形成了創(chuàng)客教育。在目前的課程標(biāo)準(zhǔn)體 系中，創(chuàng)客教育更多的應(yīng)用在學(xué)生社團(tuán)中，但這并不能充分展 現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值。創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生要主動(dòng)思考，積極動(dòng)手、設(shè)計(jì)， 這種理念對(duì)促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有重要意義。此外，創(chuàng)客教 育對(duì)課程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性和完整性也有重要作用。

2 Arduino 簡介 

Arduino 作為一款開源的電子制作平臺(tái)，具有重量輕、體 積小的特點(diǎn)，該平臺(tái)由包括各種型號(hào)的 Arduino 控制板的硬件 部分和包括 Arduino 集成開發(fā)環(huán)境和編程接口的軟件部分組 成 [3]。Arduino 控制板如圖1所示?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)示例見表 1所列。

圖1 Arduino控制板

Arduino 自帶的I/O 接口和擴(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，而且 Arduino 也是獨(dú)立于其他軟件溝通的平臺(tái)，如 Flash，Processing，Max/Msp 等[4]。

由于是開源硬件，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)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

3 機(jī)器人基礎(chǔ) 課程設(shè)計(jì)

為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手創(chuàng)新能力，我校從 2015 年秋開始設(shè)置 機(jī)器人基礎(chǔ) 課程，并為此配置了相關(guān)教學(xué)設(shè)備。

3.1 基礎(chǔ)課程

基礎(chǔ)課程配合使用Arduino中級(jí)套件，由教師講解表 2 所列的多個(gè)示例，讓學(xué)生由淺入深，逐漸培養(yǎng)興趣。該中級(jí)套件包括ArduinoUnoR3主控板和傳感器擴(kuò)展板 V7，搭配17款常用的傳感器和執(zhí)行設(shè)備，構(gòu)成獨(dú)特的積木式接口元件。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。Arduino中級(jí)套件如圖 2所示。

圖 2 Arduino 中級(jí)套件

3.2 綜合實(shí)驗(yàn)

在綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，需要掌握智能小車的基本功能。主要器件是圖 3 所示的A4WD 四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人套件，它帶有一個(gè)多功能平臺(tái)，用于固定主控板、機(jī)械臂和傳感器支架等，同時(shí)在底盤上還安置了延伸平臺(tái)，可以添加巡線、超聲波和紅外等探測傳感器。相關(guān)實(shí)驗(yàn)示例見表 2 所列。

3.3 自主創(chuàng)新 

在經(jīng)過第一部分和第二部分的學(xué)習(xí)后，學(xué)生能夠掌握基 本傳感器的使用，并能編程實(shí)現(xiàn)智能小車的基本運(yùn)動(dòng)，因此 在自主創(chuàng)新的教學(xué)模塊中主要以學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐為主，既能檢驗(yàn) 之前的學(xué)習(xí)效果，又能讓學(xué)生的創(chuàng)造能力集中體現(xiàn)。以往的教學(xué)效果顯示，在本環(huán)節(jié)，學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力最好。下面 介紹兩個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成的綜合實(shí)驗(yàn) ：

（1）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，如圖 4 所示。

編寫 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 通過主動(dòng)學(xué)習(xí)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，逐漸解決出現(xiàn)的各種問題，如通 訊不靈敏，小車速度調(diào)整等，在這個(gè)過程中可以迅速提升學(xué) 生的合作能力、創(chuàng)造思維能力和學(xué)習(xí)能力。

（2）移動(dòng)的溫度計(jì)如圖 5 所示。利用智能小車機(jī)器人在 尋跡的過程中自動(dòng)感知溫濕度，并在 I2C LCD1602 液晶模塊 上顯示出當(dāng)前的溫度和濕度。后續(xù)可使用 Raspberry Pi（樹莓 派）作為上位機(jī) [5]，搭建嵌入式服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)發(fā)布與遠(yuǎn) 程控制。

圖 3 A4WD 四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人套件

圖 4 基于藍(lán)牙模塊和 Android 的智能小車控制

圖 5 移動(dòng)的溫度計(jì)

4 結(jié) 語

“機(jī)器人基礎(chǔ)”課程的開設(shè)是我校針對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新能力培 養(yǎng)的一個(gè)探索，在這個(gè)過程中需要老師和學(xué)生共同參與。學(xué)生 經(jīng)過學(xué)習(xí)來認(rèn)識(shí)機(jī)器人的實(shí)體，通過動(dòng)手組裝、編程對(duì)開源硬件 Arduino 有了基本了解，為后續(xù)的課程和工作奠定了基礎(chǔ)。 經(jīng)過一學(xué)期的實(shí)施，可以得出下列結(jié)論 ： 

（1）將開源硬件 Arduino 作為創(chuàng)新能力培養(yǎng)的平臺(tái)，可有 效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的自信心。

（2）以創(chuàng)客教育為理念的教學(xué)思路可以在實(shí)驗(yàn)類的課程中 大力推廣，積極響應(yīng)教育部對(duì)深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)改革的號(hào)召 [6]。 

（3）可在已有教學(xué)過程中積累相關(guān)教學(xué)資源，為完善“機(jī) 器人基礎(chǔ)”課程的教材奠定基礎(chǔ)。