摘" 要" 針對(duì)新工科建設(shè)對(duì)基礎(chǔ)硬件的共性需求，提出了將智能技術(shù)融入實(shí)訓(xùn)的教學(xué)設(shè)計(jì)。以端側(cè)智能技術(shù)的硬件演進(jìn)為主線，通過自主開發(fā)的實(shí)訓(xùn)小車整合相關(guān)內(nèi)容，貫穿三個(gè)實(shí)習(xí)階段，施行一體化教學(xué)改革，采用多種措施提升教學(xué)效率，確保學(xué)生獲得較為完整的工程歷練。實(shí)踐表明，方案通過智能技術(shù)，提升了學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力，促進(jìn)了復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞" 新工科；電子工藝實(shí)訓(xùn)；端側(cè)智能；實(shí)訓(xùn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.44" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）03-0126-05

0" 引言

隨著人工智能技術(shù)的普及，AI應(yīng)用場景正由云端側(cè)滲透至終端側(cè)，推動(dòng)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，業(yè)界需要大量嵌入式方向的智能技術(shù)人

才[1-2]。2018年教育部印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，提出“人工智能+X”的復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)模式，為傳統(tǒng)工科引入智能技術(shù)，培養(yǎng)新工科復(fù)合型創(chuàng)新人才指明了方向。

電子工藝實(shí)訓(xùn)（又稱“電工電子實(shí)習(xí)”）是面向低年級(jí)開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)課，以電子產(chǎn)品開發(fā)為重點(diǎn)，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)踐與課外創(chuàng)新提供工程技術(shù)支撐。國內(nèi)高校目前開展的教改研究，偏重于工程教育改革，以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的支撐等方面[3-7]；由于開課專業(yè)多、學(xué)生基礎(chǔ)差、課堂學(xué)時(shí)少等原因，尚無普及智能技術(shù)這方面的研究，不能適應(yīng)智能時(shí)代科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步對(duì)人才培養(yǎng)的要求。

廣州大學(xué)實(shí)習(xí)課程組（下稱“課程組”）根據(jù)新工科建設(shè)對(duì)智能技術(shù)的共性需求，設(shè)計(jì)了符合低年級(jí)學(xué)生的端側(cè)智能系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了實(shí)訓(xùn)小車，探索以控制核心的硬件演進(jìn)為主線，逐步展開教學(xué)內(nèi)容，形成了一體化、分階段、多層次的電子工藝實(shí)訓(xùn)改革方案。

1" 總體方案

電類相關(guān)學(xué)科學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐或科技創(chuàng)新，主要是基于嵌入式平臺(tái)開發(fā)端側(cè)智能設(shè)備，基礎(chǔ)硬件是以控制器為核心的電子系統(tǒng)，涉及內(nèi)容頗多。課程組根據(jù)低年級(jí)學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備嚴(yán)重不足的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以控制器為核心的端側(cè)智能系統(tǒng)，通過工程應(yīng)用簡化實(shí)訓(xùn)過程，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，控制器根據(jù)傳感器輸入信息，決定執(zhí)行器輸出，實(shí)現(xiàn)自主控制。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，控制器核心芯片，已由最基礎(chǔ)的模擬比較器，發(fā)展到集成外設(shè)的通用微控制器，再到集成機(jī)器學(xué)習(xí)功能的AI微控制器。課程組根據(jù)控制核心的演進(jìn)，整合智能技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，形成了電子工藝實(shí)訓(xùn)教改方案，如圖2所示。

2" 教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)過程以智能設(shè)備開發(fā)為主線，分為基礎(chǔ)訓(xùn)練、工程實(shí)踐、創(chuàng)新引導(dǎo)三個(gè)階段，將智能技術(shù)相關(guān)內(nèi)容逐步整合進(jìn)硬件工程實(shí)訓(xùn)，形成一體化、分階段、多層次培養(yǎng)方案。為簡化教學(xué)過程，課程組專門開發(fā)了配套的實(shí)訓(xùn)小車，隨著小車智能化程度逐步提升，漸次呈現(xiàn)相應(yīng)階段的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，在達(dá)成硬件工程實(shí)訓(xùn)目標(biāo)的同時(shí)，掌握智能技術(shù)的典型應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)工程能力與智能技術(shù)的復(fù)合式培養(yǎng)。

2.1" 基礎(chǔ)訓(xùn)練階段

本階段包含焊接訓(xùn)練與電子整機(jī)裝配兩個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，通過自主開發(fā)的巡線小車承載實(shí)訓(xùn)任務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)由光敏傳感器、比較控制器、電機(jī)執(zhí)行器三個(gè)基本環(huán)節(jié)，以及必要的電源、接口電路與指示電路構(gòu)成，預(yù)留更智能的微控制器接口。整車采用低成本兩輪差速方案設(shè)計(jì)，如圖3所示。

其中，控制核心采用最簡單的比較控制器LM393，利用其比較運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)兩路傳感對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。實(shí)習(xí)時(shí)，學(xué)生一人一組獨(dú)立焊接裝配調(diào)試。小車制作成功后，調(diào)節(jié)比較器參考值，使傳感器正確辨識(shí)黑白，在跑道上進(jìn)行測試，小車自動(dòng)巡線一周即為通過。通過實(shí)習(xí)，訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力與電子產(chǎn)品裝配調(diào)試技能；同時(shí)，普及智能控制系統(tǒng)的組成原理，提升學(xué)生解決問題的能力與深入學(xué)習(xí)的興趣。

2.2" 工程實(shí)踐階段

本階段是電子工藝實(shí)訓(xùn)重點(diǎn)，任務(wù)是以微控制器為核心，為巡線小車開發(fā)一個(gè)智能控制板，掌握使用仿真設(shè)計(jì)工具開發(fā)智能設(shè)備的全過程，提升創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為作品的工程能力。教學(xué)內(nèi)容涵蓋電路原理圖的繪制、印刷電路板的設(shè)計(jì)制作、電路設(shè)計(jì)與仿真、控制板編程、電路組裝與調(diào)試等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，大體分為硬件設(shè)計(jì)制作、軟件編程調(diào)試兩個(gè)階段。

2.2.1" 硬件設(shè)計(jì)制作

控制板采用立創(chuàng)EDA設(shè)計(jì)，原理圖如圖4所示。整個(gè)電路由微控制器U1及其供電、紅外傳感輸入口Pin、電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出口Pout、編程口Pisp構(gòu)成，另有按鍵S3用于切換小車的調(diào)試模式與循跡模式。其中微控制器選用性價(jià)比高、焊接難度低的國產(chǎn)芯片STC8G1K08。

印刷電路板的設(shè)計(jì)是重中之重，上課時(shí)給出關(guān)鍵元件布局，要求學(xué)生參考原理圖布線，最終線路應(yīng)簡潔合理、層次清晰，如圖5所示。整個(gè)電路以貼片元件為主，少量元件采用插件封裝，方便學(xué)生使用時(shí)對(duì)比體會(huì)兩類封裝的特點(diǎn)，提升高精密電路板的開發(fā)能力。

設(shè)計(jì)完成之后，依次經(jīng)過熱轉(zhuǎn)印制板、元器件焊接、程序下載、通電測試等步驟，控制板作品即可制作成功；下載預(yù)先編好的測試程序后，將控制板裝至巡線小車，如圖6所示，即可在跑道進(jìn)行巡線測試，若小車能正確辨識(shí)十字路口與車庫，做到出界自動(dòng)停車，即為成功，接下來進(jìn)入編程環(huán)節(jié)。

2.2.2" 軟件編程聯(lián)調(diào)

小車自主循跡，需要控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測與電機(jī)控制，這部分功能通過程序?qū)崿F(xiàn)?？刂破骶幊滩捎糜邢逘顟B(tài)機(jī)框架，編程要求在完成循跡功能的基礎(chǔ)上，給小車增加智能辨識(shí)功能，如辨識(shí)十字路口與車庫，辨識(shí)出界與直行等?？刂瓢灏惭b前后的功能對(duì)比如表1所示。由表1可知，二者基本循跡功能相同，但微控制器能通過編程融入人工控制經(jīng)驗(yàn)，充分利用傳感數(shù)據(jù)，做出更智能決策。通過比對(duì)，學(xué)生體會(huì)不同控制核心的特點(diǎn)與應(yīng)用場景，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)與課外創(chuàng)新奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為降低入門難度，編程教學(xué)選用Arduino模塊，將復(fù)雜的系統(tǒng)控制簡化為基本的輸入輸出關(guān)系，讓學(xué)生有更多精力探索創(chuàng)新。課堂上指導(dǎo)學(xué)生先進(jìn)行Proteus軟硬件協(xié)同仿真，再將程序下載到Arduino模塊上，完成跑車測試，在提高開發(fā)效率的同時(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐所需的科學(xué)素養(yǎng)。

2.3" 創(chuàng)新引導(dǎo)階段

隨著在嵌入式人工智能技術(shù)的發(fā)展，恩智浦、英飛凌、意法半導(dǎo)體等廠家已推出集成機(jī)器學(xué)習(xí)功能的新一代微控制器，控制算法編程也由依賴人工經(jīng)驗(yàn)邁向AI學(xué)習(xí)建模，即將訓(xùn)練好的AI模型部署到微控制器內(nèi)，利用自身算力執(zhí)行本地推理，實(shí)現(xiàn)智能決策。

課程組利用指導(dǎo)科技競賽的優(yōu)勢，以O(shè)penMV+STM32duino為技術(shù)平臺(tái)，構(gòu)建了課外創(chuàng)新資源庫，采用課賽結(jié)合持續(xù)培養(yǎng)的混合式教學(xué)方法。實(shí)習(xí)課結(jié)束前向?qū)W生科普先進(jìn)的AI建模技術(shù)；課外則通過學(xué)生社團(tuán)，開展系列專題培訓(xùn)，引導(dǎo)學(xué)生課外開展顏色識(shí)別、圖像分類、目標(biāo)追蹤等“智能+”

方面的應(yīng)用創(chuàng)新，解決傳統(tǒng)方法難以解決的問題。鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)興趣組隊(duì)參加各類科技競賽，提升學(xué)生的融合創(chuàng)新能力，培養(yǎng)智能科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的創(chuàng)新人才。

3" 教學(xué)應(yīng)用

此次實(shí)習(xí)教學(xué)改革，依托電子實(shí)習(xí)中心實(shí)施。根據(jù)各專業(yè)對(duì)焊接工藝、PCB設(shè)計(jì)、智能技術(shù)以及工程教育認(rèn)證的不同需求，構(gòu)建了四大實(shí)習(xí)課程模塊，如表2所示。其中焊接工藝分為高、中、低三個(gè)層次，分別對(duì)應(yīng)sop16、dip16、dip8芯片；PCB設(shè)計(jì)分為高、中、低三個(gè)層次，建環(huán)、交通兩個(gè)專業(yè)不做要求；智能技術(shù)分為感知智能、編程智能、建模智能及智能交互等四個(gè)層次，其中物聯(lián)專業(yè)要求最高。

實(shí)習(xí)采用停課1～2周集中實(shí)踐的教學(xué)方式，學(xué)生一人一組，在教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成小車的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試，教學(xué)場景如圖7所示。為了解決復(fù)合式培養(yǎng)內(nèi)容多而學(xué)時(shí)少的問題，課程組線上線下結(jié)合，探索出一條行之有效的混合式教學(xué)模式。

1）課前在線預(yù)習(xí)。將教學(xué)課件、典型視頻與電路原理等教學(xué)資源通過MOOC在線課程平臺(tái)全校共享。學(xué)生課前在線預(yù)習(xí)，通過測試后，方可參加線下實(shí)習(xí)。任課教師通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)掌握學(xué)生預(yù)習(xí)狀況，授課更有重點(diǎn)，節(jié)約了課堂學(xué)時(shí)，提升了教學(xué)效果。

2）課堂教學(xué)實(shí)施。課堂以學(xué)生實(shí)操為主，教師講解演示為輔，學(xué)生一人一組獨(dú)立完成，測試成功后交老師檢查驗(yàn)收。學(xué)生操作過程中，教師巡查指導(dǎo)，及時(shí)糾正發(fā)現(xiàn)的個(gè)別問題；遇到較為普遍的問題，集中講解示范。

3）課后自主學(xué)習(xí)。實(shí)習(xí)課將軟件編程、創(chuàng)新引導(dǎo)部分學(xué)時(shí)以及3D打印等創(chuàng)新項(xiàng)目，放在課外進(jìn)行。同時(shí)，實(shí)訓(xùn)室實(shí)行全天候開放，入駐學(xué)生社團(tuán)提供課外指導(dǎo)，協(xié)助開放管理，引導(dǎo)學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)、探索創(chuàng)新，選拔學(xué)生參加科技賽事，檢驗(yàn)師生成果。

該模式一方面滿足了學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求，引導(dǎo)學(xué)生拾級(jí)而上，從最基礎(chǔ)的比較智能，到應(yīng)用最廣的編程智能，邁向前景廣闊的建模智能，獲得了較為系統(tǒng)的工程歷練；另一方面，在確保實(shí)訓(xùn)效果的同時(shí)，使實(shí)習(xí)教師從繁重的教學(xué)任務(wù)中部分解脫，從而有更多時(shí)間總結(jié)教學(xué)，推進(jìn)實(shí)習(xí)課程不斷發(fā)展。經(jīng)過近三年的持續(xù)建設(shè)，電子工藝實(shí)訓(xùn)在教學(xué)改革與人才培養(yǎng)方面已取得初步成效?，F(xiàn)已建成校級(jí)新工科示范課程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐平臺(tái)，每年有12個(gè)專業(yè)采用這種實(shí)習(xí)模式，合計(jì)38個(gè)教學(xué)班、人機(jī)時(shí)數(shù)約4萬。近三年指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競賽獲省級(jí)以上大獎(jiǎng)30余項(xiàng)，獲得教育部協(xié)同育人項(xiàng)目9項(xiàng)。所取得的成果為建設(shè)廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育示范學(xué)校以及光電、電信、建能等專業(yè)順利通過工程教育認(rèn)證，提供了重要支撐。

4" 結(jié)束語

基于端側(cè)智能演進(jìn)開展的電子工藝實(shí)訓(xùn)改革，在完成硬件工程實(shí)訓(xùn)任務(wù)的同時(shí)，提升了大學(xué)生的智能技術(shù)應(yīng)用能力與綜合創(chuàng)新能力，滿足了學(xué)生快速入門與課外創(chuàng)新的需求，促進(jìn)了電類專業(yè)復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)，對(duì)其他新工科課程建設(shè)有一定的借鑒意義。

5" 參考文獻(xiàn)

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