基于开源硬件与虚拟仿真的电子实训平台

耿晓琴，赵文晶

（太原理工大学工程训练中心，山西太原，030024）

0 引言

在世界新一轮产业和科技革命挑战下，大力培育新兴产业、助力新经济发展，成为我国抢占新一轮国际竞争制高点的重要战略举措［1］。产业发展需要工程教育提供人才支撑，为此，教育部提出了“新工科”建设。2018年3月份，首批“新工科研究与实践项目”正式对外公布，认定612个项目为首批“新工科研究与实践项目”。在专业改革项目群中，电子信息类占45项，排名第一位，足见其改革的必要性和迫切性。

工程训练中心作为工程教育的重要载体，是“新工科”人才培养的重要实践基地。经过多年的发展，大多数国家级工程训练中心已从传统的机械制造、电子工艺、工业自动化控制教学逐步扩大到3D打印、激光雕刻、机器人及智能制造等，形成了以金工实习、电子实习与创新创业训练为一体、科目丰富的工程实训体系［2］。然而，工训内容仍存在形式单一、科目相互独立等诸多问题。

1 现状分析

（1）产品无法二次开发。我校电子实训每年要接纳全校10个专业共960多名本科生，共计76800课时的实习任务。实习结束后焊接完的电子产品由于缺乏应用场景，无法进行二次利用和开发，无形中增加了教学成本［3］。

（2）实训创新不足。①训练内容单一，模式固化，缺乏个性化培养。电子实训主要以电子工艺为主，且大多采用俗称的老三样（收音机、数字万用表、充电电源）。显然这种内容陈旧、单一的实训与时代发展不相符［4］。此外，教学模式大多沿用传统的“讲授+实践”，学生往往被动学习模仿，缺少自主选择的机会，创新能力培养不足，且未制定针对不同学科、不同层次学生的个性化培养方案。②缺乏大工程观，受益面小。

电子实训项目只面向电类相关专业的大二、大三学生，这不利于多学科交叉融合，与“大工程观”相违背。③底层技术学习耗时长，创新热情不高。受知识结构限制，学生需花费大量时间用于基础和底层技术的学习，无法早期进入项目实践，降低了对系统设计的兴趣和热情，尤其面对较为深奥的电子与电气知识。④受限于条件设备、技术水平。一直以来，学生多、师资薄弱、建设滞后等是国内工训中心普遍面临的问题，另外，实训时间和地点受限，校企合作成效不理想，未能搭建智能化、数字化、网络化的智能实训平台，难以为学生进行个性化设计和制作创造条件。

（3）缺乏项目全过程训练。目前，实训侧重硬件设备及元器件的动手操作，基本不涉及虚拟仿真，学生对项目全过程“需求分析-开发设计-生产组织-质量保证-成本核算-环保处理”缺乏全方位理解，不利于未来工程师综合素养的培养［5］。

（4）课程关联性低，学科融合不强，缺乏螺旋立体培养模式。实验类课程大多独立授课，与实践教学缺乏整体的连贯性。学生难以做到知识融合，缺乏系统设计和知识综合运用的能力。此外，目前的工程训练中心大多以学科、工种为基本单元组织教学，实训项目相互独立，融合度低。

2 基于开源硬件与虚拟仿真的电子实训

针对以上问题，有必要打破学科壁垒，形成多学科交叉的工程创新实践教学平台。为此，本文提出一种基于开源硬件Arduino与虚拟仿真的电子实训方案，建立“通专交叉分层菜单式”实训体系，实现通识教育、专业教育、跨学科交叉相结合，具体分为“基础训练层”、“综合训练层”和“创新扩展层”，如图1所示。

图1 “通专交叉分层菜单式”实训体系

“基础实训层”主要为大一新生开设基于Arduino的电子基础课作为通识课程，遵循“做中学，学中做”和“以学生为中心”的教学理念，提高学生学习的积极性与热情。“综合训练层”属于电类相关专业大二和大三学生的专业课程，采用项目教学法，学生通过自由组队，选择不同的主题和模块，完成实训内容，同时为后续“创新拓展层”选拨人才。“创新扩展层”针对选拔的优秀学生进行拔高扩展培训。在该环节，利用寒暑假时间对学生进行基础软硬件培训。在此基础上，学生开展自主选题，实现自我创意，同时结合校内外各种竞赛活动，达到以赛促学、以赛促研的目的。

3 电子实训平台特点

（1）虚实结合，优势互补。学生在构建实际电路之前，通过Arduino在线仿真网站（https：//123d.circuits.io），或与其功能类似的软件（如Proteus、LabView、Virtual Breadboard、Ardublock、Linkboy等）进行仿真验证，提高设计效率。此外，图形化编程降低了底层技术的牵绊，加快从想法到实物的进程。通过将虚拟仿真技术引入工程训练，将显著增加实训内容的广度、效率及教学灵活性，有利于学生个性化培养和创造力开发。此外，虚拟实验突破了传统实验对时间与空间的限制，能有效缓解经费、场地、器材等难题，提升实践教学质量。

（2）引入“5S”管理模式，开展岗位素质培养。所谓“5S”即整理（SEIRI）、整顿（SEION）、清扫（SEISO）、素养（SHITSUIKE）、安全（SAFETY）。通过“5S”管理，为学生创造舒适的实践环境，同时加强其安全意识，减少资源浪费，培养学生良好的素质和修养，为其适应企业的工作环境打下基础［6］。此外，“综合训练层”通过分组将学生置于不同的工作岗位，如项目经理、硬件工程师、软件工程师、测试工程师、文员等，提升学生的责任感，增强团队协作能力，专业技术能力和职业素养［7］。

（3）融合机器人“四创空间”，突出实训特色。以机器人为工程案例，结合我校“四创空间”特色及育人模式，开展电子实训“创新扩展层”教学。对软硬件进行模块化设计、制作和研发，实现创新创业全过程育人，使学生从创新创意到创业路演，再到成为一名创客的全过程体验［8］。

4 应用范例-温湿度显示

Arduino是一款便捷灵活、操作简单的开源电子原型平台，包含各种型号的Arduino板和软件（ArduinoIDE）。大量教学实践表明，基于Arduino的教学平台能将“study”变成“play”，极大激发了学生的学习热情和学习动力［9］。Linkboy是一款开源免费的图形化编程仿真平台，通过鼠标交互拖拽快速搭建编程逻辑，拥有所见即所得的可视化界面以及模拟仿真功能，是目前流行的创客教育工具。创建过程中，每一步操作均有说明和提示，各模块也提供了参考示例，学生通过简单学习就可以快速实现自己的小创作。Arduino IDE软件在C/C++基础上，通过调用封装好的API函数进行编程，将生成的hex文件上传到Arduino板上，进行软硬件电路调试。

本节将开源硬件Arduino与虚拟仿真软件linkboy相结合，以“基础实训层”的温湿度显示为例，利用DHT11温湿度传感器、Arduino uno主控板和LCD1602完成实际硬件电路的搭建。在Arduino IDE平台编程实现，软件界面如图2所示。通过Linkboy图形化编程与虚拟仿真实现项目界面，如图3所示。“基础实训层”通过独立学习掌握一些独立、简单的传感器电路，为“综合训练层”团队合作实现整体系统的构建奠定基础，完成了从独学到众创的过程。

图2 Arduino IDE编程界面

图3 Linkboy图形编程与虚拟仿真界面

5 结语

通过开源平台Arduino与虚拟仿真相结合，构建“通专交叉分层菜单式”电子实训体系，学生不仅可以通过仿真节约一定成本，提高开发效率，同时打破时间和空间限制，随时随地实现创意作品，调动了学生的学习热情和创新能量。学生在掌握感知、网络、应用层开发的同时，为今后课程设计、毕业设计、创新实践乃至将来就业打下坚实理论与实践基础，提升学生获得感和幸福感。