基于开源平台Arduino的大学创客实践探索

引 言

近几年各用人单位越来越重视毕业生的动手能力和实践操作水平，因此各大高校十分重视实践教学管理，支持本科生参与科研活动，早进课题，早进团队，希望以科研促进教学， 以此促进创新型人才的培养 [1]。但在实际的教学过程中，大多数学生编程基础薄弱，只是被动、机械地完成学习任务，再加上硬件实验设备的封闭性，无法激发学生的学习兴趣，抑制了学生的创新能力。

经过广泛调研，我们发现 Arduino作为一款开源电子原型平台，有很强的易用性和扩展性，该实验平台无需学生掌握复杂的编程语言，只需了解其函数用法即可进行创新应用设计。这款价格低廉，风靡于电子爱好者、设计师甚至艺术家们的硬件开发平台已经成为创客们的主要开发工具。本文以电子信息专业的 机器人基础 课程为例，探索在创客理念指导下的本科生创新课程设计。

1 创客教育

“创客”是个舶来词，源自英文“Maker”，主要指出于个人 爱好，借助各种现代信息技术将自己的创意转变为现实的人 [2, 3]。 现在的创客已经不仅仅局限于科技达人，本文所提倡的创客 是指利用开源软硬件技术将创意变为现实的年轻人。当这种 创客文化进入校园，便形成了创客教育。在目前的课程标准体 系中，创客教育更多的应用在学生社团中，但这并不能充分展 现其应用价值。创客教育强调学生要主动思考，积极动手、设计， 这种理念对促进创新能力的培养有重要意义。此外，创客教 育对课程设计的系统性和完整性也有重要作用。

2 Arduino 简介 

Arduino 作为一款开源的电子制作平台，具有重量轻、体 积小的特点，该平台由包括各种型号的 Arduino 控制板的硬件 部分和包括 Arduino 集成开发环境和编程接口的软件部分组 成 [3]。Arduino 控制板如图1所示。基础实验示例见表 1所列。

图1 Arduino控制板

Arduino 自带的I/O 接口和扩展板能与各种传感器、步进电机、蓝牙、舵机等相连，而且 Arduino 也是独立于其他软件沟通的平台，如 Flash，Processing，Max/Msp 等[4]。

由于是开源硬件，Arduino 的很多案例代码都能在相关技术论坛得到，初学者只要下载、学习、修改、烧录、调试，即可得到自己的项目，这也使其很快在不同领域得到了越来越广泛的应用。

3 机器人基础 课程设计

为了培养学生的动手创新能力，我校从 2015 年秋开始设置 机器人基础 课程，并为此配置了相关教学设备。

3.1 基础课程

基础课程配合使用Arduino中级套件，由教师讲解表 2 所列的多个示例，让学生由浅入深，逐渐培养兴趣。该中级套件包括ArduinoUnoR3主控板和传感器扩展板 V7，搭配17款常用的传感器和执行设备，构成独特的积木式接口元件。只需将传感器直接插在扩展板上即可，相比传统面包板实验省去了搭电路的麻烦，学生可以直观感受，大大激发了学生的求知欲和创造力。Arduino中级套件如图 2所示。

图 2 Arduino 中级套件

3.2 综合实验

在综合实验环节中，需要掌握智能小车的基本功能。主要器件是图 3 所示的A4WD 四轮驱动机器人套件，它带有一个多功能平台，用于固定主控板、机械臂和传感器支架等，同时在底盘上还安置了延伸平台，可以添加巡线、超声波和红外等探测传感器。相关实验示例见表 2 所列。

3.3 自主创新 

在经过第一部分和第二部分的学习后，学生能够掌握基 本传感器的使用，并能编程实现智能小车的基本运动，因此 在自主创新的教学模块中主要以学生动手实践为主，既能检验 之前的学习效果，又能让学生的创造能力集中体现。以往的教学效果显示，在本环节，学生的学习和实践能力最好。下面 介绍两个学生独立完成的综合实验 ：

（1）基于 BLE-LINK 蓝牙 4.0 模块实现 Android 手机对 智能小车的遥控，如图 4 所示。

编写 Android 手机的终端程序，借助蓝牙模块实现对智 能小车的基本控制（前进、后退、左转、右转、停止）。学生 通过主动学习，反复实验，逐渐解决出现的各种问题，如通 讯不灵敏，小车速度调整等，在这个过程中可以迅速提升学 生的合作能力、创造思维能力和学习能力。

（2）移动的温度计如图 5 所示。利用智能小车机器人在 寻迹的过程中自动感知温湿度，并在 I2C LCD1602 液晶模块 上显示出当前的温度和湿度。后续可使用 Raspberry Pi（树莓 派）作为上位机 [5]，搭建嵌入式服务器，可实现实时发布与远 程控制。

图 3 A4WD 四轮驱动机器人套件

图 4 基于蓝牙模块和 Android 的智能小车控制

图 5 移动的温度计

4 结 语

“机器人基础”课程的开设是我校针对大学生创新能力培 养的一个探索，在这个过程中需要老师和学生共同参与。学生 经过学习来认识机器人的实体，通过动手组装、编程对开源硬件 Arduino 有了基本了解，为后续的课程和工作奠定了基础。 经过一学期的实施，可以得出下列结论 ： 

（1）将开源硬件 Arduino 作为创新能力培养的平台，可有 效激发学生的学习兴趣，增强学生的自信心。

（2）以创客教育为理念的教学思路可以在实验类的课程中 大力推广，积极响应教育部对深化高校创新创业改革的号召 [6]。 

（3）可在已有教学过程中积累相关教学资源，为完善“机 器人基础”课程的教材奠定基础。