面向智能制造的は呱舷呦祿旌洗蔥翬DA實驗教學研究

許明 倪敬

摘?要：EDA（Electronics?Design?Automation，電子設計自動化）是現代電子設計的核心，也是智能制造工程的核心支撐技術。線上線下混合創新EDA實驗，旨在以“線上仿真+線下實操”相結合的方式，展現電子電路EDA在智能制造工程中的實際需求和應用，突出“一個目標（新工科專業的“金課”建設目標）、兩個能力（培養學生的工程設計能力與自主創新能力）、三層次實踐（以基本實驗、設計性實驗和創新型實驗構成三層次實踐）”，設計開發智能制造等寬口徑非電類專業的EDA創新實踐開發系統，打造EDA立體實驗，體現知識能力素質的有機融合，培養學生解決復雜問題和綜合系統設計的能力。

關鍵詞：EDA;線上線下;混合創新;智能制造

1?緒論

EDA是現代電子設計的核心，也是智能制造工程的核心支撐技術，是智能制造中信息系統設計的集中體現，對于智能產品、智能裝備設計等發揮著越來越重要的作用，實現機械技術、電子信息技術以及人工智能技術的深度集成[12]。目前，電子信息類專業都開設了EDA技術課程及實驗，但基本上全部從電子信息類專業的培養角度出發，主要闡述IC（集成電路）設計相關的EDA技術，通過VHDL、Verilog?HDL等硬件描述語言來設計、驗證電路預期行為[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，學生學習及掌握硬件描述語言的難度較大，對于畢業之后的實際應用也有限，不能滿足對智能制造類人才培養目標的需求。

據調研，國內目前還沒有專門針對智能制造工程等“新工科”非電類專業的EDA實驗課程及相關實驗設備，現有EDA實驗設備要么是適用于電子信息類專業的CPLD/FPGA實驗箱，要么是偏向綜合應用的嵌入式MCU控制實驗箱[3]。而具有本項目部分類似功能的NI?ELVIS工程教育實驗系統價格昂貴，很難全面采購并應用到實驗教學中。線上線下混合創新EDA實驗，旨在以“線上仿真+線下實操”相結合的方式，展現電子電路EDA在智能制造工程中的實際需求和應用，突出“一個目標、兩個能力、三層次實踐”，即以新工科專業的“金課”建設為目標，培養學生的工程設計能力與自主創新能力，以基本實驗、設計性實驗和創新型實驗構成三層次實踐，來設計開發面向智能制造等寬口徑非電類專業的線上線下混合創新EDA實驗開發系統。

2?線上線下混合創新EDA實驗教學舉措

2.1?線上線下混合創新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的設計及仿真分析，線下實驗室進行EDA實驗箱實驗，鍛煉工程實際應用技能，提升系統設計理念和水平。通過線上線下的結合，在線上設計和仿真分析的基礎上，進行線下的案例實訓和創新實踐，虛實一體化。在實驗教學的設計方面，EDA技術與智能制造相結合，將源自智能制造工程的一些實際項目，結合“電工電子”“模擬電子技術”“數字電子技術”等非電類專業基礎課程教學中的需要和特色，提煉加工抽象設計為相應的電子電路EDA實驗實例，以工程案例講解和實踐為輔，以設計應用和拓展提升為主，培養智能制造創新人才。

2.1.1?深度展現EDA在智能制造中的實際應用

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

結合實際情況，將EDA技術與智能制造工程相結合，深度展現電子電路EDA在智能制造工程中的實際需求和應用，開發線上線下混合創新EDA實驗系統。實驗系統（實驗箱）包括三個部分，即基礎部分，實踐部分，綜合以及創新提高部分。在基礎部分，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Multisim線上仿真分析案例，以及線下實驗箱的實操，鞏固基礎;在實踐部分，針對智能制造實際工程應用，涵蓋了電機驅動電路設計及分析、儀用放大處理電路等，以實際案例為切入，拓展學生在綜合電路電子系統、嵌入式控制系統等方面的應用與實踐。在綜合及創新提高部分，結合了智能產品、智能裝備、智能工廠中的典型綜合設計案例，精煉了綜合及創新提高的實踐項目，如LoRa無線通信、RFID電子標簽、可編程邏輯陣列基礎等。

線上線下混合創新EDA實踐系統，除了線上仿真分析的便利性和全功能之外，線下開發了針對智能制造工程等新工科專業的實操系統，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、信號發生電路等基礎上，具備電機驅動實驗、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，或與其他的單元電路組合，完成不同的實驗要求;（3）虛實結合。實驗電路由學生提前進行仿真，并按照實驗原理圖進行搭建及實驗;（4）安全保障。除開關電源外，所有實驗在安全電壓36V以下，保護學生安全;設置過壓、過流、短路保護等功能元件及電路，保護實驗系統;（5）拓展創新。除了滿足創新實踐EDA課程的實驗要求外，還結合了電子電路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，滿足拓展創新的需求。

2.1.2?全面拓展EDA與創新實踐的緊密結合

將工程實際應用和創新能力培養的理念貫穿于整個實踐教學中，通過CDIO模型的“構思—設計—實現—運作”與學生認知能力培養的“基礎—實踐—提高—創新”思想有機結合，建立以基礎性實驗、設計性實驗和開放型實驗構成的“三個層次”實踐體系，使學生能“看中學”“做中學”“用中學”。

在實際的教學環節中，可以在這三個層次的環節將學生分組形成多個團隊，使學生在團隊中通過實踐環節中的互動合作、科技交流，培養團隊協作精神和交流溝通能力，調動每位同學的課程實踐參與性，并通過三個層次的實踐環節使學生形成共享知識及技能（團隊工作）、應用知識及技能（分析解決問題）、總結及提出新問題（創新能力）、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—實踐—提高—創新的金字塔形結構，從項目案例方向與智能制造工程緊密融合，例如物聯網設備層信號采集器的EDA設計與分析、無線LoRa網關與節點通信、電機驅動EDA設計與分析等。此外，為適應本科競賽的需求，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計，構建復雜控制系統，能夠適應非電類專業，特別是智能制造、機械設計制造等專業本科生參加機械設計競賽、工程訓練競賽、互聯網+比賽等中的電子電路設計與分析。

2.2?線上線下混合實驗教學方法

2.2.1?線上線下混合式創新實驗組織

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，體現知識能力素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。實驗內容反映前沿性和時代性，教學形式呈現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化。實驗教學方法，分為實驗前準備、模塊實驗、綜合實驗與設計、創新提高等四個部分，每個部分從對應特點出發，拓展線上和線下的立體仿真和實驗相結合的教學資源，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、模塊實驗研討、綜合實驗與設計、創新設計等循序漸進的環節，來達到學生的工程實踐能力和創新能力的提升目標。

2.2.2?玩中學、用中學、創中學+以賽促學

實驗教學體現玩中學、用中學、創中學的層次架構，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，讓學生“玩中學”，建立學習興趣;課程主要階段，通過典型工程案例，由淺入深，讓學生在實際項目中“用中學”;課外拓展及綜合實踐階段，學有余力的學生將實驗知識技能進行創新實踐應用，“創中學”。此外，本實驗依托創新實踐EDA課程，開展電子電路EDA技術應用與創新競賽，以賽促學，進一步培養學生運用電子電路技術解決問題的能力，并培養學生調研、自主學習、團隊學習的能力，具有創新意識和嚴謹求實的科學與工程基本素養。

3?結語

線上線下混合創新EDA實驗教學改革舉措從智能制造等新工科專業所處的信息化大環境以及非電類專業綜合電子設計實踐特點出發，從課程體系結構、拓展線上和線下的立體仿真和實驗相結合的教學資源、立體課程的混合教學舉措等方面，開展課程的建設和教學改革，實踐表明線上線下混合創新式的EDA實踐教學方式對學生的基礎電路電子設計能力、綜合系統分析和開發能力、創新思維能力等都有較好的促進作用，可為相關課程的教學改革提供借鑒和參考。

參考文獻：

[1]呂曉蘭，左敬龍，孫國璽.OBE與CDIO模式相結合的立體化EDA課程教學探究[J].高校實驗室工作研究，2019，1619.

[2]吳迪，譚克俊，鄧治安.EDA技術教學改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2017，（257）：1518.

[3]梁麗.基于EDA技術的電子線路設計的改革與實踐[J].實驗技術與管理，2020，37（2）：100103+116.

[4]梁洪衛，闞玲玲，張秀艷，等.基于實踐能力培養的EDA技術類課程改革[J].科教導刊，2018，（20）：2829.

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

作者簡介：許明（1982—?），男，博士，副教授，研究方向為機電控制。