耿曉琴，趙文晶

（太原理工大學工程訓練中心，山西太原，030024）

0 引言

在世界新一輪產業(yè)和科技革命挑戰(zhàn)下，大力培育新興產業(yè)、助力新經濟發(fā)展，成為我國搶占新一輪國際競爭制高點的重要戰(zhàn)略舉措［1］。產業(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。2018年3月份，首批“新工科研究與實踐項目”正式對外公布，認定612個項目為首批“新工科研究與實踐項目”。在專業(yè)改革項目群中，電子信息類占45項，排名第一位，足見其改革的必要性和迫切性。

工程訓練中心作為工程教育的重要載體，是“新工科”人才培養(yǎng)的重要實踐基地。經過多年的發(fā)展，大多數(shù)國家級工程訓練中心已從傳統(tǒng)的機械制造、電子工藝、工業(yè)自動化控制教學逐步擴大到3D打印、激光雕刻、機器人及智能制造等，形成了以金工實習、電子實習與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練為一體、科目豐富的工程實訓體系［2］。然而，工訓內容仍存在形式單一、科目相互獨立等諸多問題。

1 現(xiàn)狀分析

（1）產品無法二次開發(fā)。我校電子實訓每年要接納全校10個專業(yè)共960多名本科生，共計76800課時的實習任務。實習結束后焊接完的電子產品由于缺乏應用場景，無法進行二次利用和開發(fā)，無形中增加了教學成本［3］。

（2）實訓創(chuàng)新不足。①訓練內容單一，模式固化，缺乏個性化培養(yǎng)。電子實訓主要以電子工藝為主，且大多采用俗稱的老三樣（收音機、數(shù)字萬用表、充電電源）。顯然這種內容陳舊、單一的實訓與時代發(fā)展不相符［4］。此外，教學模式大多沿用傳統(tǒng)的“講授+實踐”，學生往往被動學習模仿，缺少自主選擇的機會，創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足，且未制定針對不同學科、不同層次學生的個性化培養(yǎng)方案。②缺乏大工程觀，受益面小。

電子實訓項目只面向電類相關專業(yè)的大二、大三學生，這不利于多學科交叉融合，與“大工程觀”相違背。③底層技術學習耗時長，創(chuàng)新熱情不高。受知識結構限制，學生需花費大量時間用于基礎和底層技術的學習，無法早期進入項目實踐，降低了對系統(tǒng)設計的興趣和熱情，尤其面對較為深奧的電子與電氣知識。④受限于條件設備、技術水平。一直以來，學生多、師資薄弱、建設滯后等是國內工訓中心普遍面臨的問題，另外，實訓時間和地點受限，校企合作成效不理想，未能搭建智能化、數(shù)字化、網絡化的智能實訓平臺，難以為學生進行個性化設計和制作創(chuàng)造條件。

（3）缺乏項目全過程訓練。目前，實訓側重硬件設備及元器件的動手操作，基本不涉及虛擬仿真，學生對項目全過程“需求分析-開發(fā)設計-生產組織-質量保證-成本核算-環(huán)保處理”缺乏全方位理解，不利于未來工程師綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)［5］。

（4）課程關聯(lián)性低，學科融合不強，缺乏螺旋立體培養(yǎng)模式。實驗類課程大多獨立授課，與實踐教學缺乏整體的連貫性。學生難以做到知識融合，缺乏系統(tǒng)設計和知識綜合運用的能力。此外，目前的工程訓練中心大多以學科、工種為基本單元組織教學，實訓項目相互獨立，融合度低。

2 基于開源硬件與虛擬仿真的電子實訓

針對以上問題，有必要打破學科壁壘，形成多學科交叉的工程創(chuàng)新實踐教學平臺。為此，本文提出一種基于開源硬件Arduino與虛擬仿真的電子實訓方案，建立“通專交叉分層菜單式”實訓體系，實現(xiàn)通識教育、專業(yè)教育、跨學科交叉相結合，具體分為“基礎訓練層”、“綜合訓練層”和“創(chuàng)新擴展層”，如圖1所示。

圖1 “通專交叉分層菜單式”實訓體系

“基礎實訓層”主要為大一新生開設基于Arduino的電子基礎課作為通識課程，遵循“做中學，學中做”和“以學生為中心”的教學理念，提高學生學習的積極性與熱情。“綜合訓練層”屬于電類相關專業(yè)大二和大三學生的專業(yè)課程，采用項目教學法，學生通過自由組隊，選擇不同的主題和模塊，完成實訓內容，同時為后續(xù)“創(chuàng)新拓展層”選撥人才。“創(chuàng)新擴展層”針對選拔的優(yōu)秀學生進行拔高擴展培訓。在該環(huán)節(jié)，利用寒暑假時間對學生進行基礎軟硬件培訓。在此基礎上，學生開展自主選題，實現(xiàn)自我創(chuàng)意，同時結合校內外各種競賽活動，達到以賽促學、以賽促研的目的。

3 電子實訓平臺特點

（1）虛實結合，優(yōu)勢互補。學生在構建實際電路之前，通過Arduino在線仿真網站（https：//123d.circuits.io），或與其功能類似的軟件（如Proteus、LabView、Virtual Breadboard、Ardublock、Linkboy等）進行仿真驗證，提高設計效率。此外，圖形化編程降低了底層技術的牽絆，加快從想法到實物的進程。通過將虛擬仿真技術引入工程訓練，將顯著增加實訓內容的廣度、效率及教學靈活性，有利于學生個性化培養(yǎng)和創(chuàng)造力開發(fā)。此外，虛擬實驗突破了傳統(tǒng)實驗對時間與空間的限制，能有效緩解經費、場地、器材等難題，提升實踐教學質量。

（2）引入“5S”管理模式，開展崗位素質培養(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，為學生創(chuàng)造舒適的實踐環(huán)境，同時加強其安全意識，減少資源浪費，培養(yǎng)學生良好的素質和修養(yǎng)，為其適應企業(yè)的工作環(huán)境打下基礎［6］。此外，“綜合訓練層”通過分組將學生置于不同的工作崗位，如項目經理、硬件工程師、軟件工程師、測試工程師、文員等，提升學生的責任感，增強團隊協(xié)作能力，專業(yè)技術能力和職業(yè)素養(yǎng)［7］。

（3）融合機器人“四創(chuàng)空間”，突出實訓特色。以機器人為工程案例，結合我?！八膭?chuàng)空間”特色及育人模式，開展電子實訓“創(chuàng)新擴展層”教學。對軟硬件進行模塊化設計、制作和研發(fā)，實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)全過程育人，使學生從創(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［8］。

4 應用范例-溫濕度顯示

Arduino是一款便捷靈活、操作簡單的開源電子原型平臺，包含各種型號的Arduino板和軟件（ArduinoIDE）。大量教學實踐表明，基于Arduino的教學平臺能將“study”變成“play”，極大激發(fā)了學生的學習熱情和學習動力［9］。Linkboy是一款開源免費的圖形化編程仿真平臺，通過鼠標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，學生通過簡單學習就可以快速實現(xiàn)自己的小創(chuàng)作。Arduino IDE軟件在C/C++基礎上，通過調用封裝好的API函數(shù)進行編程，將生成的hex文件上傳到Arduino板上，進行軟硬件電路調試。

本節(jié)將開源硬件Arduino與虛擬仿真軟件linkboy相結合，以“基礎實訓層”的溫濕度顯示為例，利用DHT11溫濕度傳感器、Arduino uno主控板和LCD1602完成實際硬件電路的搭建。在Arduino IDE平臺編程實現(xiàn)，軟件界面如圖2所示。通過Linkboy圖形化編程與虛擬仿真實現(xiàn)項目界面，如圖3所示?！盎A實訓層”通過獨立學習掌握一些獨立、簡單的傳感器電路，為“綜合訓練層”團隊合作實現(xiàn)整體系統(tǒng)的構建奠定基礎，完成了從獨學到眾創(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 結語

通過開源平臺Arduino與虛擬仿真相結合，構建“通專交叉分層菜單式”電子實訓體系，學生不僅可以通過仿真節(jié)約一定成本，提高開發(fā)效率，同時打破時間和空間限制，隨時隨地實現(xiàn)創(chuàng)意作品，調動了學生的學習熱情和創(chuàng)新能量。學生在掌握感知、網絡、應用層開發(fā)的同時，為今后課程設計、畢業(yè)設計、創(chuàng)新實踐乃至將來就業(yè)打下堅實理論與實踐基礎，提升學生獲得感和幸福感。