工程教育認證背景下電子信息類創新實驗平臺的建設

李玉祥，孟怡晨，王 冉，劉志海

(哈爾濱工程大學 物理與光電工程學院，哈爾濱 150001)

工程教育認證是國際通行的工程教育質量保證制度，參加工程教育認證是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎，也是我國工程教育全球化戰略發展的必然選擇。2016年6月，我國已加入《華盛頓協議》，成為正式會員[1]。

工程教育認證標準中，在“畢業要求”指標項中指出了要求學生具有設計開發，解決方案的能力，具備將專業知識用于解決復雜工程問題的能力。實踐環節是培養學生具有動手能力、實驗實踐能力和創新意識的重要組成部分。創新實驗平臺是培養學生知識創新、研究創新、技術開發的重要平臺。良好的創新實踐平臺建設有助于學生深入理解專業基礎知識，提高學生的獨立思考及獨立操作能力。

1 硬件電子類平臺

Arduino平臺。Arduino不僅僅是全球最流行的開源硬件，也是一個優秀的硬件開發平臺，更是硬件開發的趨勢。Arduino簡單的開發方式使得開發者更關注創意與實現，更快地完成項目開發，節約了學習的成本，縮短了開發的周期。Arduino是一套便捷、靈活、容易上手的硬件開發平臺，它包括多種型號的Arduino控制電路板和專用編程開發軟件。Arduino的硬件價格也相對便宜，因此，采用 Arduino平臺作為學生實現創意的硬件開發平臺[2]。Arduino平臺具有跨平臺、簡單清晰的開發、開放性、第三方資源豐富等優勢。

Arduino在硬件和軟件上，都是全部開源的，開發者可以深入了解底層的全部機理，在此基礎上也預留了第三方庫開發接口。Arduino平臺通常有一個中央處理器模塊，搭載上一些存儲、藍牙、USB接口、總線、模擬與數字的輸入輸出接口等基本功能。根據功能需要，可以使用陀螺儀、加速度計、溫濕度壓力傳感器等，這些都極大地方便了Arduino開發者，可以不必拘泥于基本功能的編寫，更加關注創意想法的實現，從而能夠把更多的精力放在想要做的功能設計中去。此外，還可以在Arduino社區輕松找到自己想要使用的一些基本功能模塊，以及一些功能模塊產品在Arduino下的庫和應用例程。Arduino平臺簡單易學、功能豐富、易于拓展的特點有利于增強學生的學習興趣，也為加深專業知識的學習，鍛煉動手實踐能力，實現創意想法的設計提供了便利的途徑。

FPGA平臺。FPGA(Field Programble Gate Array)是一種完成通用功能的可編程邏輯芯片，即可以對其進行編程實現某種邏輯處理功能。它集成了大量的原始邏輯資源，并且提供了可配置的I/O口及硬IP，它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的。采用硬件描述語言對邏輯門電路進行編碼，各邏輯并行工作來實現指定的功能，是基于硬件描述的芯片[3]。FPGA開發需要從頂層設計、模塊分層、邏輯實現、軟硬件調試等方面進行處理，在掌握FPGA使用方法的基礎上，可以進行更深層次的數字信號處理算法，如通信、圖像處理、導航定位等算法的開發。

目前較常見的FPGA產商有Xilinx、Altera、Actel、Lattice。這四家公司中，Xilinx和Altera能提供業界最先進的FPGA芯片。它們的高端芯片所采用的工藝甚至用上了世界領先的工藝和制程。目前，業界提供了各種層次的FPGA。低端的FPGA價格便宜，適合用在簡單邏輯功能以及普通但瑣碎的接口轉換或互連方案中。中端的FPGA通常具有較大規模的片上邏輯功能和專用的硬IP(DSP單元、PCI硬核、SRAM、DDR控制器等)，并且支持更多的I/O類型，芯片價格相對適中。高端的FPGA具有非常大的電路規模，通常會集成相當數量的高速I/O，以滿足對超高速 、超高帶寬的需求，并且往片上系統發展，提供單芯片系統解決方案，適合用在大型、復雜的設計方案中。

2 軟件應用類平臺

Labview。Labview(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺)，是由美國國家儀器公司基于虛擬儀器開發的編程環境，虛擬儀器就是將計算機和儀器緊密結合在一起，在通用的計算機硬件和操作系統基礎上，實現各種儀器的功能。Labview是目前應用廣、發展快、功能強的圖形化軟件集成開發環境，廣泛地應用在工業界、學術界和研究實驗室，是一個標準的數據采集和儀器控制軟件[4]。Labview軟件中包含了豐富的測試測量領域中的工具包，如信號處理模塊、控制和仿真模塊、機器視覺模塊等，在數據采集與控制，電子測試與測量，無線設計和測試等方面都有優異的功能。

使用Labview編寫的程序，基本上不需要程序代碼，取而代之的是程序框圖。這種圖形化程序和傳統編程語言不同在于程序流程采用“數據流”的概念，使得程序設計者在程序構思的同時也實現了程序的編寫。Labview的圖形程序，縮短了開發原型的速度，方便了日后的軟件維護，大大提高了工作效率。

Python。Python是一款既容易學又相當有用的編程語言。相對于其他語言，它的代碼易讀，并且有Shell程序可以輸入并運行程序。Python的一些功能對于輔助學習過程很有效[5]。Python語言被用于各個領域，應用十分廣泛，例如編程語言、數據庫、Windows編程、多媒體、科學計算、網絡編程、游戲編程、嵌入和擴展、企業與政務應用等。Python的簡潔性使得開發任務進一步簡化，學習者關注的重點不再是語法特性，而是程序所要實現的任務。Python語言有許多重要的特性，如面向對象的特性；關鍵字少，代碼簡潔；易于在不同操作系統中的移植；應用廣泛等特性。這些特性使得Python語言倍受程序開發者及學生們的青睞。

3 3D打印和激光雕刻機

3D 打印又稱快速成型，它是在電腦上設計要打印物體的三維模型，3D 打印機可以逐層打印，生成立體實物。打印材料主要是樹脂或者粉末狀金屬、塑料、陶瓷等。直接通過計算機建模軟件建模，從數據模型生成各種形狀的產品，能夠省去制造模具的環節，節約大量的研發周期以及相關的成本和時間。目前，3D打印技術已經在醫學領域、房屋建筑、汽車電子等行業中得到了廣泛的應用與發展，常用的3D打印軟件有Cura、EasyPrint3D、CraftWare、TinkerCAD等。3D 打印有利于在學生實踐中制作單件及少量的模具與零件，也容易加工一些形狀復雜、姿態各異的模型。

激光雕刻機，是利用激光對需要雕刻的材料進行加工與雕刻的設備。激光雕刻機適用的材料有金屬薄板、亞克力板、有機玻璃、布料、皮革、竹木等。激光雕刻機使用激光的熱能對材料進行雕刻，雕刻的精度高、速度快。不像手工雕刻對操作技能和工藝水平要求高，通過Autocad、Coreldraw、Photoshop等軟件的設計就可以進行材料的雕刻，操作也更加簡便快捷。

4 結語

創新平臺建設有利于光電信息科學與工程專業的學生開展電子硬件設計、軟件程序設計和外圍加工設計的立體式、全方位地進行自主設計與實現，為使學生參加大學生創新性項目提供保障，也為學生的創新創業奠定了實踐基礎。