基于Arduino平台的网络教学实验模块

吴杰

摘要：物联网是当前电子信息技术重要发展领域，在高等教育进行教学改革之后，大量基于MOOC和微课的网络课程投入到教学当中，但物联网网络实践教学却因为平台差异大等原因而导致教学效果受限。利用Ar-duino单片机构建一个低成本通用教学平台，通过与MOOC等网络教学资源相配合，实现学生自主完成物联网技术中设备网络互连，远程控制等多种实践。就能极大增强MOOC教学翻转课堂的实用性，提高网络实践教学效率，获得更好的教学效果。

关键词：Arduino；mooe；物联网教学；实践平台；自主实验

中图分类号：G4 文献标识码：A doi：10.19311/j.enki.1672-3198.2018.07.084

1物联网与MOOC教学特点

目前MOOC等互联网学习方式得到了迅猛发展，不少学科利用这一新的网络教学模式，进行教学改革，获得了显著的教学成果。

MOOC是指大规模的开放在线课程，是其大规模（Massive），开放（Open），在线（Online），课程（Course）英文首字母缩写，有时也简称为慕课。MOOC是不同于传统的课程上网，该教学方式是利用翻转课堂实现教学链的重构，利用移动互联网时代的网络条件，实现在课内外、线上线下进行立体化整合与创新。因此，已不再是传统的“课堂教学”概念，而是一种“跨课堂”的、以课外为主的、以学生为中心的“泛在式学习”方式。

MOOC的教学需要构建新的“教学链”，将教师课堂精讲、教师辅导、师生课内知识交流、实验室实验、实践成果汇报评估；学生课外自学、学生在线学习、线上线下研讨与交流等教学环节有机结合。让学生在课程外完成实践学习，成了MOOC教学中不可或缺的一环。但在部分工科课程学习中，利用MOOC微客等网络教学手段实施学习方式遇到了相同的瓶颈：网络实践教学效果不佳。传统文科或者理科的MOOC教学，一般不需要特定实践条件。而实践性强的工科科目，必须利用专业实验条件或是实验模块做为教学支撑，才能较好完成实践教学及线下自主训练。同时物联网技术相关专业课程不同于计算机或软件工程等学科，无法使用类似计算机这样成熟可靠的通用实践平台，其实践设备往往采用不同智能平台设计。当涉及实践操作时，来自不同学校，不同基础的学生面对MOOC和微客等教学内容很难完成线下自主实验，形成完整的教学反馈过程。

而作为新兴领域，物联网课程特点是涉及覆盖面广，混合计算机、通信等多学科发展内容，知识与设备更新速度快，比较适合采用MOOC教学模式。但由于物联网专业课程实践依赖网络技术，实施实践教学必须依托实训室与MOOC的教学模式有所冲突，特别是在现有实训室管理机制下，学生难以利用碎片化时间进行课程的学习与技能训练。而不同的MOOC课程来自不同学校往往采用不同硬件控制平台。由于平台型号繁杂，基础知识要求高，对网络学生自学造成了额外困难。由于MOOC网络平台教学对象基础不一，实践条件不同。对于难度太大的实践平台，学习学生不一定掌握相关知识技能，无法保证获得相应实践条件，无法完成相关实践训练。

如果能利用简单可靠的系统，连接通信模块，构成一个低成本通用的实践教学模块，让不同基础的学生能够拥有并能迅速掌握。这样当MOOC实践类项目以这种简单模块来进行教学时，所有的教学对象都能获得良好的学习体验，并实现完整教学训练。

2 Arduino平台特点

课下通用物联网实践平台采用低成本易开发Ar-duino平台。Arduino单片机开发平台是近期比较流行的单片机开发平台，封装了ATMEL公司的8位系列单片机atmega 128。该单片机相比普通51系列单片机，性能好，稳定性极高，广泛智能家居等领域。该CPU采用AVR内核，拥有16MHz工作频率，工作电压为2.7—5.5V。工作于16 MHz、拥有4K字节的EEPROM与128K字节的系统内可编程Flash，运算速度快，存储容量大，接口丰富适应连接各种无线通信模块和智能控制模块，从而实现物联网的模拟。

相比其他智能MCU開发平台，Arduion平台极为简单，开发环境Arduino IDE是基于processing IDE开发，极易掌握，同时有着足够的灵活性，同时在github上存在大量公共库可供学习者使用。观看MOOC的网络学生，无论有着何种学历层次与基础，通过简单学习后，学生也可以快速的进行物联网自主实验，加深对物联网底层物理层的理解。

由于Arduino平台可以使用4节1.5V供电，同时能对外提供3.3V和5V稳压输出，所以可以给其他模块供压。整个系统简单，便携性好，适合学生方便在各种学习环境中结合MOOC自主学习实践类操作。

3实践模块软硬件特点

实践模块采用ARUDINO UNO最小系统板作为实验平台，以Arduino IDE为基础开发平台。ARUDI-NO UNO可以利用Arduino IDE很方便的打开串口连接通信模块。采用Serial.begin（）命令可以在void set-up（）甚至函数中打开ARUDINO UNO的串行端口。Serial.begin（）为标准库支持函数，无须加载第三方库。通过设置Serial.begin（）函数参数选择串口波特率为4800或9600。完成就可以在主函数void loop（）中打开串口完成与通信模块的连接。而利用Serial.print（）与Serial.write（）就可以通过该串口进行写操作与读操作。例如利用串口与WlFI（ESP8266）模块通信连接后，就可以用AT指令控制ESP8266连接wifi网络或是连接物联网控制对象。利用ARUDINO UNO本身的逻辑编程，实现负责控制逻辑，就能就可以作为控制端向物联网对象发送指令。或者将ARUDINO UNO作为物联网设备网络控制设备，利用WIFI接受电脑或手机控制信号，经过逻辑处理以后，通过引脚和外电路控制物联网设备的运行。

而为了在实践中实现物联网多种网络适应性，可以连接不同通信模块。如需在ZIGBEE网络下使用，可以让ARUDINO UNO通过串口连接TI公司CC2530网络模块；如果需要WIFI网络可以连接ESP8266模块；如果需要连接RFID设备，可以连接FM]702或NXP RC532模块。这样利用ARUDINOUNO平台就能实现多个网络下的物联网设备控制实验，完成MOOC课程翻转课堂所必须的线下自学与实践能力训练。

按照本设计，Arduino平台除了提供功能强大以外，其总体硬件成本也比较低，便于学生获得实践条件。ARUDINO UNO的成品板价格在20元左右，如需液晶显示增加12864单色屏模块成本为70元左右。然后利用多人共享采购ZIGBEE（CC2530），WIFI（ESP8266），RFID（FM1702/NXP RC532）通信模块。一个可以利用MOOC硬件平台总成本可以控制在150元以下。同时硬件平台和通信模块还可以在单片机、计算机网络、IC智能卡等课程实践中重复利用，总体成本更易于学生接受。

4教学使用模式

完成本模块设计之后，MOOC课程将基于本模块录制网络实践教学内容。当学生在MOOC上学习物联网课程时，自行购置基于Arduino实践模块与配套网络通信模块，然后从MOOC中下载实验程序和接线资料。学生在网络课程中完成理论学习和观看演示之后，可以立刻在Arduino实践模块上进行实验和训练。当学生熟悉基本功能之后，还能方便的利用ArduinoIDE修改源程序实践新的功能或进行二次开发。有了本实验模块能较好解决物联网专业课程中MOOC网络课程与实验条件限制的矛盾，使实验教学效率获得显著提高。

5结论

本设计方案能解决目前MOOC教学中基本实践教学问题，获得良好的教学体验。但由于硬件条件限制，仍存在某些不足。例如Arduino UNO平台性能有限，实现多个串口设备互通比较困难，编程复杂，所以现有设计均以单串口连接通信模块，另外实践中模块管理的物联网设备数量也有限制，无法支持复杂应用。如果能使以有限的价格支持更强大Arduino平台，实现更多功能，将更好的拓展实验模块的网络教学功能，更好的视线MOOC类课程的教学效果。