面向智能制造的は呱舷呦祿旌洗蔥翬DA實驗教學(xué)研究

許明 倪敬

摘?要：EDA（Electronics?Design?Automation，電子設(shè)計自動化）是現(xiàn)代電子設(shè)計的核心，也是智能制造工程的核心支撐技術(shù)。線上線下混合創(chuàng)新EDA實驗，旨在以“線上仿真+線下實操”相結(jié)合的方式，展現(xiàn)電子電路EDA在智能制造工程中的實際需求和應(yīng)用，突出“一個目標（新工科專業(yè)的“金課”建設(shè)目標）、兩個能力（培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力與自主創(chuàng)新能力）、三層次實踐（以基本實驗、設(shè)計性實驗和創(chuàng)新型實驗構(gòu)成三層次實踐）”，設(shè)計開發(fā)智能制造等寬口徑非電類專業(yè)的EDA創(chuàng)新實踐開發(fā)系統(tǒng)，打造EDA立體實驗，體現(xiàn)知識能力素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題和綜合系統(tǒng)設(shè)計的能力。

關(guān)鍵詞：EDA;線上線下;混合創(chuàng)新;智能制造

1?緒論

EDA是現(xiàn)代電子設(shè)計的核心，也是智能制造工程的核心支撐技術(shù)，是智能制造中信息系統(tǒng)設(shè)計的集中體現(xiàn)，對于智能產(chǎn)品、智能裝備設(shè)計等發(fā)揮著越來越重要的作用，實現(xiàn)機械技術(shù)、電子信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)的深度集成[12]。目前，電子信息類專業(yè)都開設(shè)了EDA技術(shù)課程及實驗，但基本上全部從電子信息類專業(yè)的培養(yǎng)角度出發(fā)，主要闡述IC（集成電路）設(shè)計相關(guān)的EDA技術(shù)，通過VHDL、Verilog?HDL等硬件描述語言來設(shè)計、驗證電路預(yù)期行為[34]。而對于一些非電類的如智能制造工程、機器人工程等新工科專業(yè)，學(xué)生學(xué)習(xí)及掌握硬件描述語言的難度較大，對于畢業(yè)之后的實際應(yīng)用也有限，不能滿足對智能制造類人才培養(yǎng)目標的需求。

據(jù)調(diào)研，國內(nèi)目前還沒有專門針對智能制造工程等“新工科”非電類專業(yè)的EDA實驗課程及相關(guān)實驗設(shè)備，現(xiàn)有EDA實驗設(shè)備要么是適用于電子信息類專業(yè)的CPLD/FPGA實驗箱，要么是偏向綜合應(yīng)用的嵌入式MCU控制實驗箱[3]。而具有本項目部分類似功能的NI?ELVIS工程教育實驗系統(tǒng)價格昂貴，很難全面采購并應(yīng)用到實驗教學(xué)中。線上線下混合創(chuàng)新EDA實驗，旨在以“線上仿真+線下實操”相結(jié)合的方式，展現(xiàn)電子電路EDA在智能制造工程中的實際需求和應(yīng)用，突出“一個目標、兩個能力、三層次實踐”，即以新工科專業(yè)的“金課”建設(shè)為目標，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力與自主創(chuàng)新能力，以基本實驗、設(shè)計性實驗和創(chuàng)新型實驗構(gòu)成三層次實踐，來設(shè)計開發(fā)面向智能制造等寬口徑非電類專業(yè)的線上線下混合創(chuàng)新EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)。

2?線上線下混合創(chuàng)新EDA實驗教學(xué)舉措

2.1?線上線下混合創(chuàng)新EDA

線上線下指的是，線上運用EDA軟件，如Multisim、Proteus等進行電子電路模塊和系統(tǒng)的設(shè)計及仿真分析，線下實驗室進行EDA實驗箱實驗，鍛煉工程實際應(yīng)用技能，提升系統(tǒng)設(shè)計理念和水平。通過線上線下的結(jié)合，在線上設(shè)計和仿真分析的基礎(chǔ)上，進行線下的案例實訓(xùn)和創(chuàng)新實踐，虛實一體化。在實驗教學(xué)的設(shè)計方面，EDA技術(shù)與智能制造相結(jié)合，將源自智能制造工程的一些實際項目，結(jié)合“電工電子”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”等非電類專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中的需要和特色，提煉加工抽象設(shè)計為相應(yīng)的電子電路EDA實驗實例，以工程案例講解和實踐為輔，以設(shè)計應(yīng)用和拓展提升為主，培養(yǎng)智能制造創(chuàng)新人才。

2.1.1?深度展現(xiàn)EDA在智能制造中的實際應(yīng)用

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基，其發(fā)展方向是智能制造。從教育部2019年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果可以看到，179所高校新增備案智能制造工程、機器人工程、智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。但到目前為止，適合智能制造工程等新工科專業(yè)的電子電路EDA教學(xué)設(shè)備及教學(xué)方法還十分欠缺，遠遠不能滿足培養(yǎng)要求。

結(jié)合實際情況，將EDA技術(shù)與智能制造工程相結(jié)合，深度展現(xiàn)電子電路EDA在智能制造工程中的實際需求和應(yīng)用，開發(fā)線上線下混合創(chuàng)新EDA實驗系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)（實驗箱）包括三個部分，即基礎(chǔ)部分，實踐部分，綜合以及創(chuàng)新提高部分。在基礎(chǔ)部分，利用基本的RLC電路、晶體管電路、集成運放電路、功率電路、邏輯電路等基本電路模塊，開發(fā)Multisim線上仿真分析案例，以及線下實驗箱的實操，鞏固基礎(chǔ);在實踐部分，針對智能制造實際工程應(yīng)用，涵蓋了電機驅(qū)動電路設(shè)計及分析、儀用放大處理電路等，以實際案例為切入，拓展學(xué)生在綜合電路電子系統(tǒng)、嵌入式控制系統(tǒng)等方面的應(yīng)用與實踐。在綜合及創(chuàng)新提高部分，結(jié)合了智能產(chǎn)品、智能裝備、智能工廠中的典型綜合設(shè)計案例，精煉了綜合及創(chuàng)新提高的實踐項目，如LoRa無線通信、RFID電子標簽、可編程邏輯陣列基礎(chǔ)等。

線上線下混合創(chuàng)新EDA實踐系統(tǒng)，除了線上仿真分析的便利性和全功能之外，線下開發(fā)了針對智能制造工程等新工科專業(yè)的實操系統(tǒng)，其特點有：（1）功能完備。在信號放大及處理電路、功率放大電路、濾波電路、信號發(fā)生電路等基礎(chǔ)上，具備電機驅(qū)動實驗、傳感器檢測電路實驗、MCU控制電路等豐富的實驗及開發(fā)功能;（2）擴展性強。實驗電路采用單元電路方式模塊化方式設(shè)計，單元電路即基本實驗電路，再外接其他元件為該電路參數(shù)，或與其他的單元電路組合，完成不同的實驗要求;（3）虛實結(jié)合。實驗電路由學(xué)生提前進行仿真，并按照實驗原理圖進行搭建及實驗;（4）安全保障。除開關(guān)電源外，所有實驗在安全電壓36V以下，保護學(xué)生安全;設(shè)置過壓、過流、短路保護等功能元件及電路，保護實驗系統(tǒng);（5）拓展創(chuàng)新。除了滿足創(chuàng)新實踐EDA課程的實驗要求外，還結(jié)合了電子電路EDA與競賽，配備多種競賽電子模塊，如濾波器模塊、超聲波發(fā)射與接收模塊、語音識別電路模塊、Arduino控制器模塊等，滿足拓展創(chuàng)新的需求。

2.1.2?全面拓展EDA與創(chuàng)新實踐的緊密結(jié)合

將工程實際應(yīng)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的理念貫穿于整個實踐教學(xué)中，通過CDIO模型的“構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作”與學(xué)生認知能力培養(yǎng)的“基礎(chǔ)—實踐—提高—創(chuàng)新”思想有機結(jié)合，建立以基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗和開放型實驗構(gòu)成的“三個層次”實踐體系，使學(xué)生能“看中學(xué)”“做中學(xué)”“用中學(xué)”。

在實際的教學(xué)環(huán)節(jié)中，可以在這三個層次的環(huán)節(jié)將學(xué)生分組形成多個團隊，使學(xué)生在團隊中通過實踐環(huán)節(jié)中的互動合作、科技交流，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神和交流溝通能力，調(diào)動每位同學(xué)的課程實踐參與性，并通過三個層次的實踐環(huán)節(jié)使學(xué)生形成共享知識及技能（團隊工作）、應(yīng)用知識及技能（分析解決問題）、總結(jié)及提出新問題（創(chuàng)新能力）、傳播知識與技能（溝通交流）的能力。

在線上線下實踐體系的具體編排上，遵循基礎(chǔ)—實踐—提高—創(chuàng)新的金字塔形結(jié)構(gòu)，從項目案例方向與智能制造工程緊密融合，例如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層信號采集器的EDA設(shè)計與分析、無線LoRa網(wǎng)關(guān)與節(jié)點通信、電機驅(qū)動EDA設(shè)計與分析等。此外，為適應(yīng)本科競賽的需求，編排了競賽常用電子電子電路模塊的EDA設(shè)計與分析，如電源模塊、繼電器模塊、放大模塊、傳感器模塊等，通過一些模塊之間的搭配與設(shè)計，構(gòu)建復(fù)雜控制系統(tǒng)，能夠適應(yīng)非電類專業(yè)，特別是智能制造、機械設(shè)計制造等專業(yè)本科生參加機械設(shè)計競賽、工程訓(xùn)練競賽、互聯(lián)網(wǎng)+比賽等中的電子電路設(shè)計與分析。

2.2?線上線下混合實驗教學(xué)方法

2.2.1?線上線下混合式創(chuàng)新實驗組織

以線上線下混合式實驗“金課”為目標，打造電子電路EDA立體實驗，體現(xiàn)知識能力素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。實驗內(nèi)容反映前沿性和時代性，教學(xué)形式呈現(xiàn)先進性和互動性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個性化。實驗教學(xué)方法，分為實驗前準備、模塊實驗、綜合實驗與設(shè)計、創(chuàng)新提高等四個部分，每個部分從對應(yīng)特點出發(fā)，拓展線上和線下的立體仿真和實驗相結(jié)合的教學(xué)資源，包括仿真案例、實驗箱實操、MOOCs等富媒體資源，通過實驗前自學(xué)、模塊實驗研討、綜合實驗與設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計等循序漸進的環(huán)節(jié)，來達到學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力的提升目標。

2.2.2?玩中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)+以賽促學(xué)

實驗教學(xué)體現(xiàn)玩中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)的層次架構(gòu)，在實驗課程初期，通過EDA前沿性介紹及視頻動畫、趣味性實驗項目等，讓學(xué)生“玩中學(xué)”，建立學(xué)習(xí)興趣;課程主要階段，通過典型工程案例，由淺入深，讓學(xué)生在實際項目中“用中學(xué)”;課外拓展及綜合實踐階段，學(xué)有余力的學(xué)生將實驗知識技能進行創(chuàng)新實踐應(yīng)用，“創(chuàng)中學(xué)”。此外，本實驗依托創(chuàng)新實踐EDA課程，開展電子電路EDA技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新競賽，以賽促學(xué)，進一步培養(yǎng)學(xué)生運用電子電路技術(shù)解決問題的能力，并培養(yǎng)學(xué)生調(diào)研、自主學(xué)習(xí)、團隊學(xué)習(xí)的能力，具有創(chuàng)新意識和嚴謹求實的科學(xué)與工程基本素養(yǎng)。

3?結(jié)語

線上線下混合創(chuàng)新EDA實驗教學(xué)改革舉措從智能制造等新工科專業(yè)所處的信息化大環(huán)境以及非電類專業(yè)綜合電子設(shè)計實踐特點出發(fā)，從課程體系結(jié)構(gòu)、拓展線上和線下的立體仿真和實驗相結(jié)合的教學(xué)資源、立體課程的混合教學(xué)舉措等方面，開展課程的建設(shè)和教學(xué)改革，實踐表明線上線下混合創(chuàng)新式的EDA實踐教學(xué)方式對學(xué)生的基礎(chǔ)電路電子設(shè)計能力、綜合系統(tǒng)分析和開發(fā)能力、創(chuàng)新思維能力等都有較好的促進作用，可為相關(guān)課程的教學(xué)改革提供借鑒和參考。

參考文獻：

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[4]梁洪衛(wèi)，闞玲玲，張秀艷，等.基于實踐能力培養(yǎng)的EDA技術(shù)類課程改革[J].科教導(dǎo)刊，2018，（20）：2829.

基金項目：杭州電子科技大學(xué)2020年度高等教育教學(xué)改革研究實驗技術(shù)專項項目（ZXJG202004）

作者簡介：許明（1982—?），男，博士，副教授，研究方向為機電控制。