摘 要：隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等新型網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用型本科將面臨新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，也迎來了新的學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)，我院在軟件類專業(yè)開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)課程，而面向非硬件類專業(yè)的同類課程資源較少，本文闡述了基于開源硬件的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)課程資源的開發(fā)，對(duì)課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程實(shí)施及實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面的問題。

關(guān)鍵詞：Arduino 物聯(lián)網(wǎng) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前非硬件專業(yè)受專業(yè)和學(xué)科背景限制，且缺乏電子信息類基礎(chǔ)課程的支撐，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)普遍停留在對(duì)于基礎(chǔ)理論的介紹上，而承擔(dān)課程教學(xué)的師資也缺乏硬件基礎(chǔ)，所以很多此類課程的開出多流于形式，沒有達(dá)到課程開設(shè)的目的。隨著硬件技術(shù)向高度集成化、開源化和易用化的方向發(fā)展，越來越多的優(yōu)秀的硬件平臺(tái)出現(xiàn)在科研、教育與工程領(lǐng)域，極大的降低了硬件學(xué)習(xí)與開發(fā)的門檻，縮短了產(chǎn)生品原型設(shè)計(jì)時(shí)間，Arduino作為一個(gè)面向大眾開源硬件平臺(tái)已廣泛的應(yīng)用于科研、生產(chǎn)和教學(xué)中[1]，因此，本課程的教學(xué)資源均以Arduino進(jìn)行開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

一、Arduino 簡(jiǎn)介

Arduino是一種開源的單片機(jī)控制器，使用AtmelAVR單片機(jī)，采用基于開源代碼的硬件平臺(tái)，構(gòu)建開源代碼simple I/O接口板，并且具有使用類似Java，C語言的開發(fā)環(huán)境，與傳統(tǒng)的單片機(jī)平臺(tái)相比具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1.開放性

具備硬件與軟件的雙重開源機(jī)制，除官方團(tuán)隊(duì)推出的十多個(gè)版本外，在全球的同時(shí)衍生出多個(gè)兼容版本，平臺(tái)的生態(tài)圈健康有活力；

2.廉價(jià)

與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)輒上萬的價(jià)格相比，以Arduino平臺(tái)搭建的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只需求千元以下，價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯；

3.易用性

在零電子基礎(chǔ)的情況下，只需要有一定的編程基礎(chǔ)就可以寫出相應(yīng)的硬件控制程序，實(shí)現(xiàn)了“硬件即軟件”的設(shè)計(jì)思想；

4.資源豐富

秉承了開源社區(qū)一貫的開放性和分享性，開發(fā)者可以在Arduino社區(qū)輕松找到自己想要使用的一些基本功能模塊，特別一些模塊供應(yīng)商也開始越來越重視Arduino社區(qū)，為自己的產(chǎn)品提供了Arduino下的使用庫，極大的方便了Arduino開發(fā)者，使開發(fā)者可以不必拘泥于一些基本功能的編寫，而可以把自己的精力更多的放在自己想要的功能設(shè)計(jì)中去。

二、課程資源開發(fā)

1.課程性質(zhì)與理念

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)作為一門物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及課程在網(wǎng)絡(luò)工程本科專業(yè)的三年級(jí)開出，課程理念遵循STEM科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四位一體的理念[2]，希望通過此課程提高學(xué)生將多學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通和綜合應(yīng)用的能力。

2.課程目標(biāo)

課程目標(biāo)旨在讓學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基本開發(fā)方法，具備一定的參與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的能力，在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)實(shí)踐的過程中讓學(xué)生對(duì)硬件的開發(fā)有所了解，并建立學(xué)習(xí)興趣，從而在學(xué)習(xí)過程中鍛煉他們的創(chuàng)新能力、合作能力、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦獨(dú)立思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣，為以后的個(gè)人職業(yè)發(fā)展開闊一定的視野。

3.課程內(nèi)容

課程內(nèi)容的設(shè)置遵循基礎(chǔ)、應(yīng)用和綜合三個(gè)階段。基礎(chǔ)階段涉及arduino控制器的基本操作方法，數(shù)字與模擬信號(hào)的輸入輸出方法、編程語法，必要的電子、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)；應(yīng)用階段通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來開展教學(xué)，涉及傳感器與數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行器控制（直流電機(jī) 、舵機(jī)）、無線通信、網(wǎng)絡(luò)通信；綜合階段通過綜合性（設(shè)計(jì)性）實(shí)驗(yàn)對(duì)前兩個(gè)階段掌握的知識(shí)與技能進(jìn)行融會(huì)貫通，并鼓勵(lì)學(xué)生在此階段進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。以36個(gè)課時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)的一體化教學(xué)方式為例，其執(zhí)行計(jì)劃如表1所示：

4. 課程實(shí)施建議

（1）教學(xué)開展前進(jìn)行詳細(xì)的學(xué)情分析

在第一個(gè)階段教學(xué)中進(jìn)行細(xì)致的學(xué)情分析，掌握學(xué)生對(duì)于硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的掌握情況，采取靈活多樣的基礎(chǔ)階段教學(xué)，力求在此階段克服大多數(shù)學(xué)生對(duì)于硬件的恐懼，樹立進(jìn)行硬件開發(fā)的自信心。

（2）將實(shí)踐項(xiàng)目融入到課程中

在第二個(gè)階段，引入實(shí)際的生活與生產(chǎn)項(xiàng)目，如：室內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)、紅外控制空調(diào)等實(shí)踐項(xiàng)目來開展教學(xué)。對(duì)前一個(gè)階段掌握的基礎(chǔ)理論與技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用層面的訓(xùn)練。

（3）開展以學(xué)生為主導(dǎo)的探索式教學(xué)

在第三個(gè)階段進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，主要內(nèi)容為軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用原型開發(fā)，這一階段采取以學(xué)生為主導(dǎo)的探索式教學(xué)，通過參閱硬件的DataSheet，進(jìn)行論壇討論，網(wǎng)絡(luò)搜索等手段來解決項(xiàng)目開發(fā)過程的的關(guān)鍵性技術(shù)問題，對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新層面的鍛煉。激發(fā)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)造的熱情，并為各類學(xué)科競(jìng)賽的項(xiàng)目進(jìn)行初期的培育。

（4）教學(xué)器材

Arduino控制器建議選擇標(biāo)準(zhǔn)版uno，uno版的arduino的外硬件硬件資源和學(xué)習(xí)資源最為豐富；傳感器按數(shù)字與模擬采集兩個(gè)類別來進(jìn)行配置，每個(gè)類別至少3個(gè)；執(zhí)行器按數(shù)字與模擬控制兩個(gè)類別進(jìn)行配置，每個(gè)類別至少2個(gè)；無線模塊按近距離通信與近場(chǎng)通信來進(jìn)行配置，包括zigBee、藍(lán)牙、紅外、NFC、RFID等；有線模塊以標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模塊來進(jìn)行配置。

結(jié)語

本文從課程的目標(biāo)、內(nèi)容、課程實(shí)施以及教學(xué)器材等方面，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程為例對(duì)Arduino開源硬件課程教學(xué)進(jìn)行了介紹。目前，該課程已在我系網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)開出2年，并孵化出大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)省級(jí)項(xiàng)目2項(xiàng)、全國(guó)大學(xué)生科技學(xué)術(shù)競(jìng)賽項(xiàng)目3項(xiàng)，在后續(xù)的課程實(shí)施中會(huì)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，我們將繼續(xù)在實(shí)踐中探索與完善該課程體系。

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作者簡(jiǎn)介

王健（1981-），男，湖北人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)槠者m計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)。