基于開源硬件與虛擬仿真的電子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

耿曉琴，趙文晶

（太原理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，山西太原，030024）

0 引言

在世界新一輪產(chǎn)業(yè)和科技革命挑戰(zhàn)下，大力培育新興產(chǎn)業(yè)、助力新經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成為我國(guó)搶占新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的重要戰(zhàn)略舉措［1］。產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要工程教育提供人才支撐，為此，教育部提出了“新工科”建設(shè)。2018年3月份，首批“新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目”正式對(duì)外公布，認(rèn)定612個(gè)項(xiàng)目為首批“新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目”。在專業(yè)改革項(xiàng)目群中，電子信息類占45項(xiàng)，排名第一位，足見其改革的必要性和迫切性。

工程訓(xùn)練中心作為工程教育的重要載體，是“新工科”人才培養(yǎng)的重要實(shí)踐基地。經(jīng)過多年的發(fā)展，大多數(shù)國(guó)家級(jí)工程訓(xùn)練中心已從傳統(tǒng)的機(jī)械制造、電子工藝、工業(yè)自動(dòng)化控制教學(xué)逐步擴(kuò)大到3D打印、激光雕刻、機(jī)器人及智能制造等，形成了以金工實(shí)習(xí)、電子實(shí)習(xí)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練為一體、科目豐富的工程實(shí)訓(xùn)體系［2］。然而，工訓(xùn)內(nèi)容仍存在形式單一、科目相互獨(dú)立等諸多問題。

1 現(xiàn)狀分析

（1）產(chǎn)品無(wú)法二次開發(fā)。我校電子實(shí)訓(xùn)每年要接納全校10個(gè)專業(yè)共960多名本科生，共計(jì)76800課時(shí)的實(shí)習(xí)任務(wù)。實(shí)習(xí)結(jié)束后焊接完的電子產(chǎn)品由于缺乏應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)法進(jìn)行二次利用和開發(fā)，無(wú)形中增加了教學(xué)成本［3］。

（2）實(shí)訓(xùn)創(chuàng)新不足。①訓(xùn)練內(nèi)容單一，模式固化，缺乏個(gè)性化培養(yǎng)。電子實(shí)訓(xùn)主要以電子工藝為主，且大多采用俗稱的老三樣（收音機(jī)、數(shù)字萬(wàn)用表、充電電源）。顯然這種內(nèi)容陳舊、單一的實(shí)訓(xùn)與時(shí)代發(fā)展不相符［4］。此外，教學(xué)模式大多沿用傳統(tǒng)的“講授+實(shí)踐”，學(xué)生往往被動(dòng)學(xué)習(xí)模仿，缺少自主選擇的機(jī)會(huì)，創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足，且未制定針對(duì)不同學(xué)科、不同層次學(xué)生的個(gè)性化培養(yǎng)方案。②缺乏大工程觀，受益面小。

電子實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目只面向電類相關(guān)專業(yè)的大二、大三學(xué)生，這不利于多學(xué)科交叉融合，與“大工程觀”相違背。③底層技術(shù)學(xué)習(xí)耗時(shí)長(zhǎng)，創(chuàng)新熱情不高。受知識(shí)結(jié)構(gòu)限制，學(xué)生需花費(fèi)大量時(shí)間用于基礎(chǔ)和底層技術(shù)的學(xué)習(xí)，無(wú)法早期進(jìn)入項(xiàng)目實(shí)踐，降低了對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的興趣和熱情，尤其面對(duì)較為深?yuàn)W的電子與電氣知識(shí)。④受限于條件設(shè)備、技術(shù)水平。一直以來(lái)，學(xué)生多、師資薄弱、建設(shè)滯后等是國(guó)內(nèi)工訓(xùn)中心普遍面臨的問題，另外，實(shí)訓(xùn)時(shí)間和地點(diǎn)受限，校企合作成效不理想，未能搭建智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的智能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，難以為學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)和制作創(chuàng)造條件。

（3）缺乏項(xiàng)目全過程訓(xùn)練。目前，實(shí)訓(xùn)側(cè)重硬件設(shè)備及元器件的動(dòng)手操作，基本不涉及虛擬仿真，學(xué)生對(duì)項(xiàng)目全過程“需求分析-開發(fā)設(shè)計(jì)-生產(chǎn)組織-質(zhì)量保證-成本核算-環(huán)保處理”缺乏全方位理解，不利于未來(lái)工程師綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)［5］。

（4）課程關(guān)聯(lián)性低，學(xué)科融合不強(qiáng)，缺乏螺旋立體培養(yǎng)模式。實(shí)驗(yàn)類課程大多獨(dú)立授課，與實(shí)踐教學(xué)缺乏整體的連貫性。學(xué)生難以做到知識(shí)融合，缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)和知識(shí)綜合運(yùn)用的能力。此外，目前的工程訓(xùn)練中心大多以學(xué)科、工種為基本單元組織教學(xué)，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目相互獨(dú)立，融合度低。

2 基于開源硬件與虛擬仿真的電子實(shí)訓(xùn)

針對(duì)以上問題，有必要打破學(xué)科壁壘，形成多學(xué)科交叉的工程創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。為此，本文提出一種基于開源硬件Arduino與虛擬仿真的電子實(shí)訓(xùn)方案，建立“通專交叉分層菜單式”實(shí)訓(xùn)體系，實(shí)現(xiàn)通識(shí)教育、專業(yè)教育、跨學(xué)科交叉相結(jié)合，具體分為“基礎(chǔ)訓(xùn)練層”、“綜合訓(xùn)練層”和“創(chuàng)新擴(kuò)展層”，如圖1所示。

圖1 “通專交叉分層菜單式”實(shí)訓(xùn)體系

“基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)層”主要為大一新生開設(shè)基于Arduino的電子基礎(chǔ)課作為通識(shí)課程，遵循“做中學(xué)，學(xué)中做”和“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與熱情。“綜合訓(xùn)練層”屬于電類相關(guān)專業(yè)大二和大三學(xué)生的專業(yè)課程，采用項(xiàng)目教學(xué)法，學(xué)生通過自由組隊(duì)，選擇不同的主題和模塊，完成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，同時(shí)為后續(xù)“創(chuàng)新拓展層”選撥人才。“創(chuàng)新擴(kuò)展層”針對(duì)選拔的優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行拔高擴(kuò)展培訓(xùn)。在該環(huán)節(jié)，利用寒暑假時(shí)間對(duì)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)軟硬件培訓(xùn)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生開展自主選題，實(shí)現(xiàn)自我創(chuàng)意，同時(shí)結(jié)合校內(nèi)外各種競(jìng)賽活動(dòng)，達(dá)到以賽促學(xué)、以賽促研的目的。

3 電子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)特點(diǎn)

（1）虛實(shí)結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。學(xué)生在構(gòu)建實(shí)際電路之前，通過Arduino在線仿真網(wǎng)站（https：//123d.circuits.io），或與其功能類似的軟件（如Proteus、LabView、Virtual Breadboard、Ardublock、Linkboy等）進(jìn)行仿真驗(yàn)證，提高設(shè)計(jì)效率。此外，圖形化編程降低了底層技術(shù)的牽絆，加快從想法到實(shí)物的進(jìn)程。通過將虛擬仿真技術(shù)引入工程訓(xùn)練，將顯著增加實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的廣度、效率及教學(xué)靈活性，有利于學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)和創(chuàng)造力開發(fā)。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)間與空間的限制，能有效緩解經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、器材等難題，提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

（2）引入“5S”管理模式，開展崗位素質(zhì)培養(yǎng)。所謂“5S”即整理（SEIRI）、整頓（SEION）、清掃（SEISO）、素養(yǎng)（SHITSUIKE）、安全（SAFETY）。通過“5S”管理，為學(xué)生創(chuàng)造舒適的實(shí)踐環(huán)境，同時(shí)加強(qiáng)其安全意識(shí)，減少資源浪費(fèi)，培養(yǎng)學(xué)生良好的素質(zhì)和修養(yǎng)，為其適應(yīng)企業(yè)的工作環(huán)境打下基礎(chǔ)［6］。此外，“綜合訓(xùn)練層”通過分組將學(xué)生置于不同的工作崗位，如項(xiàng)目經(jīng)理、硬件工程師、軟件工程師、測(cè)試工程師、文員等，提升學(xué)生的責(zé)任感，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，專業(yè)技術(shù)能力和職業(yè)素養(yǎng)［7］。

（3）融合機(jī)器人“四創(chuàng)空間”，突出實(shí)訓(xùn)特色。以機(jī)器人為工程案例，結(jié)合我校“四創(chuàng)空間”特色及育人模式，開展電子實(shí)訓(xùn)“創(chuàng)新擴(kuò)展層”教學(xué)。對(duì)軟硬件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)、制作和研發(fā)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)全過程育人，使學(xué)生從創(chuàng)新創(chuàng)意到創(chuàng)業(yè)路演，再到成為一名創(chuàng)客的全過程體驗(yàn)［8］。

4 應(yīng)用范例-溫濕度顯示

Arduino是一款便捷靈活、操作簡(jiǎn)單的開源電子原型平臺(tái)，包含各種型號(hào)的Arduino板和軟件（ArduinoIDE）。大量教學(xué)實(shí)踐表明，基于Arduino的教學(xué)平臺(tái)能將“study”變成“play”，極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)動(dòng)力［9］。Linkboy是一款開源免費(fèi)的圖形化編程仿真平臺(tái)，通過鼠標(biāo)交互拖拽快速搭建編程邏輯，擁有所見即所得的可視化界面以及模擬仿真功能，是目前流行的創(chuàng)客教育工具。創(chuàng)建過程中，每一步操作均有說明和提示，各模塊也提供了參考示例，學(xué)生通過簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)就可以快速實(shí)現(xiàn)自己的小創(chuàng)作。Arduino IDE軟件在C/C++基礎(chǔ)上，通過調(diào)用封裝好的API函數(shù)進(jìn)行編程，將生成的hex文件上傳到Arduino板上，進(jìn)行軟硬件電路調(diào)試。

本節(jié)將開源硬件Arduino與虛擬仿真軟件linkboy相結(jié)合，以“基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)層”的溫濕度顯示為例，利用DHT11溫濕度傳感器、Arduino uno主控板和LCD1602完成實(shí)際硬件電路的搭建。在Arduino IDE平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)，軟件界面如圖2所示。通過Linkboy圖形化編程與虛擬仿真實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目界面，如圖3所示。“基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)層”通過獨(dú)立學(xué)習(xí)掌握一些獨(dú)立、簡(jiǎn)單的傳感器電路，為“綜合訓(xùn)練層”團(tuán)隊(duì)合作實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)，完成了從獨(dú)學(xué)到眾創(chuàng)的過程。

圖2 Arduino IDE編程界面

圖3 Linkboy圖形編程與虛擬仿真界面

5 結(jié)語(yǔ)

通過開源平臺(tái)Arduino與虛擬仿真相結(jié)合，構(gòu)建“通專交叉分層菜單式”電子實(shí)訓(xùn)體系，學(xué)生不僅可以通過仿真節(jié)約一定成本，提高開發(fā)效率，同時(shí)打破時(shí)間和空間限制，隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意作品，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能量。學(xué)生在掌握感知、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用層開發(fā)的同時(shí)，為今后課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐乃至將來(lái)就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，提升學(xué)生獲得感和幸福感。