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应用型本科软件类专业硬件基础课程的研究

摘 要：随着工业互联网、智慧城市等新型网络的出现，物联网技术发展，应用型本科将面临新的挑战与机遇，也迎来了新的学科生长点，我院在软件类专业开设了物联网基础课程，而面向非硬件类专业的同类课程资源较少，本文阐述了基于开源硬件的物联网基础课程资源的开发，对课程目标、课程内容、课程实施及实验教学等方面的问题。
关键词：Arduino 物联网 实验教学
目前非硬件专业受专业和学科背景限制，且缺乏电子信息类基础课程的支撑，物联网技术基础课程的教学普遍停留在对于基础理论的介绍上，而承担课程教学的师资也缺乏硬件基础，所以很多此类课程的开出多流于形式，没有达到课程开设的目的。随着硬件技术向高度集成化、开源化和易用化的方向发展，越来越多的优秀的硬件平台出现在科研、教育与工程领域，极大的降低了硬件学习与开发的门槛，缩短了产生品原型设计时间，Arduino作为一个面向大众开源硬件平台已广泛的应用于科研、生产和教学中[1]，因此，本课程的教学资源均以Arduino进行开发与实现。
一、Arduino 简介
Arduino是一种开源的单片机控制器，使用AtmelAVR单片机，采用基于开源代码的硬件平台，构建开源代码simple I/O接口板，并且具有使用类似Java，C语言的开发环境，与传统的单片机平台相比具有以下几个优点：
1.开放性
具备硬件与软件的双重开源机制，除官方团队推出的十多个版本外，在全球的同时衍生出多个兼容版本，平台的生态圈健康有活力；
2.廉价
与传统的物联网实验平台动辄上万的价格相比，以Arduino平台搭建的物联网实验平台只需求千元以下，价格优势明显；
3.易用性
在零电子基础的情况下，只需要有一定的编程基础就可以写出相应的硬件控制程序，实现了“硬件即软件”的设计思想；
4.资源丰富
秉承了开源社区一贯的开放性和分享性，开发者可以在Arduino社区轻松找到自己想要使用的一些基本功能模块，特别一些模块供应商也开始越来越重视Arduino社区，为自己的产品提供了Arduino下的使用库，极大的方便了Arduino开发者，使开发者可以不必拘泥于一些基本功能的编写，而可以把自己的精力更多的放在自己想要的功能设计中去。
二、课程资源开发
1.课程性质与理念
物联网技术基础作为一门物联网技术的普及课程在网络工程本科专业的三年级开出，课程理念遵循STEM科学、技术、工程、数学四位一体的理念[2]，希望通过此课程提高学生将多学科知识融会贯通和综合应用的能力。
2.课程目标
课程目标旨在让学生了解物联网技术的基本原理、物联网应用的基本开发方法，具备一定的参与物联网应用开发的能力，在进行物联网应用开发实践的过程中让学生对硬件的开发有所了解，并建立学习兴趣，从而在学习过程中锻炼他们的创新能力、合作能力、解决问题的能力，培养学生动手动脑独立思考的学习习惯，为以后的个人职业发展开阔一定的视野。
3.课程内容
课程内容的设置遵循基础、应用和综合三个阶段。基础阶段涉及arduino控制器的基本操作方法，数字与模拟信号的输入输出方法、编程语法，必要的电子、数学基础知识；应用阶段通过验證性实验来开展教学，涉及传感器与数据采集、执行器控制（直流电机 、舵机）、无线通信、网络通信；综合阶段通过综合性（设计性）实验对前两个阶段掌握的知识与技能进行融会贯通，并鼓励学生在此阶段进行创新性的设计。以36个课时为标准的一体化教学方式为例，其执行计划如表1所示：
4. 课程实施建议
（1）教学开展前进行详细的学情分析
在第一个阶段教学中进行细致的学情分析，掌握学生对于硬件、软件和网络等技术的掌握情况，采取灵活多样的基础阶段教学，力求在此阶段克服大多数学生对于硬件的恐惧，树立进行硬件开发的自信心。
（2）将实践项目融入到课程中
在第二个阶段，引入实际的生活与生产项目，如：室内温度监测、红外控制空调等实践项目来开展教学。对前一个阶段掌握的基础理论与技术进行应用层面的训练。
（3）开展以学生为主导的探索式教学
在第三个阶段进行综合设计的训练，主要内容为软硬件协同设计及物联网应用原型开发，这一阶段采取以学生为主导的探索式教学，通过参阅硬件的DataSheet，进行论坛讨论，网络搜索等手段来解决项目开发过程的的关键性技术问题，对学生进行创新层面的锻炼。激发学生发明创造的热情，并为各类学科竞赛的项目进行初期的培育。
（4）教学器材
Arduino控制器建议选择标准版uno，uno版的arduino的外硬件硬件资源和学习资源最为丰富；传感器按数字与模拟采集两个类别来进行配置，每个类别至少3个；执行器按数字与模拟控制两个类别进行配置，每个类别至少2个；无线模块按近距离通信与近场通信来进行配置，包括zigBee、蓝牙、红外、NFC、RFID等；有线模块以标准的TCP/IP网络模块来进行配置。
结语
本文从课程的目标、内容、课程实施以及教学器材等方面，以物联网技术基础课程为例对Arduino开源硬件课程教学进行了介绍。目前，该课程已在我系网络工程专业开出2年，并孵化出大学生创新创业省级项目2项、全国大学生科技学术竞赛项目3项，在后续的课程实施中会进行调整与优化，我们将继续在实践中探索与完善该课程体系。
参考文献
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[2]王旭卿. 面向STEM教育的创客教育模式研究[J]. 中国电化教育，2015，（08）：36-41.
[3]杨振堃，胡春燕. 基于Arduino的智能专业实践教学设计[J]. 计算机教育，2015，（18）：95-98.
[4]易向东. 基于Arduino开源硬件的机器人课程资源开发与研究[J]. 科技创新导报，2016，（31）：70-71.
[5]刘中艳，刘晓. 探索物联网技术下计算机网络工程专业建设[J]. 通讯世界，2017，（01）：55-56.
[6]许浒. 基于物联网的《计算机网络工程》教学设计改革[J]. 电脑知识与技术，2014，（33）：7933-7935.
作者简介
王健（1981-），男，湖北人，讲师，硕士，主要研究方向为普适计算、机器学习。

-全文完-