基于端側智能演進的電子工藝實訓教學設計

摘" 要" 針對新工科建設對基礎硬件的共性需求，提出了將智能技術融入實訓的教學設計。以端側智能技術的硬件演進為主線，通過自主開發的實訓小車整合相關內容，貫穿三個實習階段，施行一體化教學改革，采用多種措施提升教學效率，確保學生獲得較為完整的工程歷練。實踐表明，方案通過智能技術，提升了學生的綜合創新能力，促進了復合型新工科人才培養。

關鍵詞" 新工科；電子工藝實訓；端側智能；實訓教學

中圖分類號：G642.44" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）03-0126-05

0" 引言

隨著人工智能技術的普及，AI應用場景正由云端側滲透至終端側，推動新一輪科技革命與產業變革，業界需要大量嵌入式方向的智能技術人

才[1-2]。2018年教育部印發《高等學校人工智能創新行動計劃》，提出“人工智能+X”的復合專業培養模式，為傳統工科引入智能技術，培養新工科復合型創新人才指明了方向。

電子工藝實訓（又稱“電工電子實習”）是面向低年級開設的基礎實訓課，以電子產品開發為重點，為后續課程設計、綜合實踐與課外創新提供工程技術支撐。國內高校目前開展的教改研究，偏重于工程教育改革，以及創新創業能力培養的支撐等方面[3-7]；由于開課專業多、學生基礎差、課堂學時少等原因，尚無普及智能技術這方面的研究，不能適應智能時代科技發展和社會進步對人才培養的要求。

廣州大學實習課程組（下稱“課程組”）根據新工科建設對智能技術的共性需求，設計了符合低年級學生的端側智能系統，在此基礎上開發了實訓小車，探索以控制核心的硬件演進為主線，逐步展開教學內容，形成了一體化、分階段、多層次的電子工藝實訓改革方案。

1" 總體方案

電類相關學科學生進行工程實踐或科技創新，主要是基于嵌入式平臺開發端側智能設備，基礎硬件是以控制器為核心的電子系統，涉及內容頗多。課程組根據低年級學生知識儲備嚴重不足的特點，設計了以控制器為核心的端側智能系統，通過工程應用簡化實訓過程，系統構成如圖1所示。

系統工作時，控制器根據傳感器輸入信息，決定執行器輸出，實現自主控制。隨著智能技術的發展，控制器核心芯片，已由最基礎的模擬比較器，發展到集成外設的通用微控制器，再到集成機器學習功能的AI微控制器。課程組根據控制核心的演進，整合智能技術相關內容，形成了電子工藝實訓教改方案，如圖2所示。

2" 教學設計

教學過程以智能設備開發為主線，分為基礎訓練、工程實踐、創新引導三個階段，將智能技術相關內容逐步整合進硬件工程實訓，形成一體化、分階段、多層次培養方案。為簡化教學過程，課程組專門開發了配套的實訓小車，隨著小車智能化程度逐步提升，漸次呈現相應階段的實訓內容，在達成硬件工程實訓目標的同時，掌握智能技術的典型應用，最終實現工程能力與智能技術的復合式培養。

2.1" 基礎訓練階段

本階段包含焊接訓練與電子整機裝配兩個實訓項目，通過自主開發的巡線小車承載實訓任務。整個系統由光敏傳感器、比較控制器、電機執行器三個基本環節，以及必要的電源、接口電路與指示電路構成，預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計，如圖3所示。

其中，控制核心采用最簡單的比較控制器LM393，利用其比較運算功能，實現兩路傳感對兩臺電機的實時控制。實習時，學生一人一組獨立焊接裝配調試。小車制作成功后，調節比較器參考值，使傳感器正確辨識黑白，在跑道上進行測試，小車自動巡線一周即為通過。通過實習，訓練學生的實踐動手能力與電子產品裝配調試技能；同時，普及智能控制系統的組成原理，提升學生解決問題的能力與深入學習的興趣。

2.2" 工程實踐階段

本階段是電子工藝實訓重點，任務是以微控制器為核心，為巡線小車開發一個智能控制板，掌握使用仿真設計工具開發智能設備的全過程，提升創意轉化為作品的工程能力。教學內容涵蓋電路原理圖的繪制、印刷電路板的設計制作、電路設計與仿真、控制板編程、電路組裝與調試等實訓項目，大體分為硬件設計制作、軟件編程調試兩個階段。

2.2.1" 硬件設計制作

控制板采用立創EDA設計，原理圖如圖4所示。整個電路由微控制器U1及其供電、紅外傳感輸入口Pin、電機驅動輸出口Pout、編程口Pisp構成，另有按鍵S3用于切換小車的調試模式與循跡模式。其中微控制器選用性價比高、焊接難度低的國產芯片STC8G1K08。

印刷電路板的設計是重中之重，上課時給出關鍵元件布局，要求學生參考原理圖布線，最終線路應簡潔合理、層次清晰，如圖5所示。整個電路以貼片元件為主，少量元件采用插件封裝，方便學生使用時對比體會兩類封裝的特點，提升高精密電路板的開發能力。

設計完成之后，依次經過熱轉印制板、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，即可在跑道進行巡線測試，若小車能正確辨識十字路口與車庫，做到出界自動停車，即為成功，接下來進入編程環節。

2.2.2" 軟件編程聯調

小車自主循跡，需要控制器實時進行環境監測與電機控制，這部分功能通過程序實現。控制器編程采用有限狀態機框架，編程要求在完成循跡功能的基礎上，給小車增加智能辨識功能，如辨識十字路口與車庫，辨識出界與直行等。控制板安裝前后的功能對比如表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驗，充分利用傳感數據，做出更智能決策。通過比對，學生體會不同控制核心的特點與應用場景，為后續課程設計與課外創新奠定堅實的基礎。

為降低入門難度，編程教學選用Arduino模塊，將復雜的系統控制簡化為基本的輸入輸出關系，讓學生有更多精力探索創新。課堂上指導學生先進行Proteus軟硬件協同仿真，再將程序下載到Arduino模塊上，完成跑車測試，在提高開發效率的同時，注重培養學生工程實踐所需的科學素養。

2.3" 創新引導階段

隨著在嵌入式人工智能技術的發展，恩智浦、英飛凌、意法半導體等廠家已推出集成機器學習功能的新一代微控制器，控制算法編程也由依賴人工經驗邁向AI學習建模，即將訓練好的AI模型部署到微控制器內，利用自身算力執行本地推理，實現智能決策。

課程組利用指導科技競賽的優勢，以OpenMV+STM32duino為技術平臺，構建了課外創新資源庫，采用課賽結合持續培養的混合式教學方法。實習課結束前向學生科普先進的AI建模技術；課外則通過學生社團，開展系列專題培訓，引導學生課外開展顏色識別、圖像分類、目標追蹤等“智能+”

方面的應用創新，解決傳統方法難以解決的問題。鼓勵學生根據興趣組隊參加各類科技競賽，提升學生的融合創新能力，培養智能科技產業發展所需的創新人才。

3" 教學應用

此次實習教學改革，依托電子實習中心實施。根據各專業對焊接工藝、PCB設計、智能技術以及工程教育認證的不同需求，構建了四大實習課程模塊，如表2所示。其中焊接工藝分為高、中、低三個層次，分別對應sop16、dip16、dip8芯片；PCB設計分為高、中、低三個層次，建環、交通兩個專業不做要求；智能技術分為感知智能、編程智能、建模智能及智能交互等四個層次，其中物聯專業要求最高。

實習采用停課1～2周集中實踐的教學方式，學生一人一組，在教師指導下獨立完成小車的設計制作與調試，教學場景如圖7所示。為了解決復合式培養內容多而學時少的問題，課程組線上線下結合，探索出一條行之有效的混合式教學模式。

1）課前在線預習。將教學課件、典型視頻與電路原理等教學資源通過MOOC在線課程平臺全校共享。學生課前在線預習，通過測試后，方可參加線下實習。任課教師通過數據統計掌握學生預習狀況，授課更有重點，節約了課堂學時，提升了教學效果。

2）課堂教學實施。課堂以學生實操為主，教師講解演示為輔，學生一人一組獨立完成，測試成功后交老師檢查驗收。學生操作過程中，教師巡查指導，及時糾正發現的個別問題；遇到較為普遍的問題，集中講解示范。

3）課后自主學習。實習課將軟件編程、創新引導部分學時以及3D打印等創新項目，放在課外進行。同時，實訓室實行全天候開放，入駐學生社團提供課外指導，協助開放管理，引導學生課后自主學習、探索創新，選拔學生參加科技賽事，檢驗師生成果。

該模式一方面滿足了學生個性化學習的需求，引導學生拾級而上，從最基礎的比較智能，到應用最廣的編程智能，邁向前景廣闊的建模智能，獲得了較為系統的工程歷練；另一方面，在確保實訓效果的同時，使實習教師從繁重的教學任務中部分解脫，從而有更多時間總結教學，推進實習課程不斷發展。經過近三年的持續建設，電子工藝實訓在教學改革與人才培養方面已取得初步成效。現已建成校級新工科示范課程與創新創業實踐平臺，每年有12個專業采用這種實習模式，合計38個教學班、人機時數約4萬。近三年指導學生參加學科競賽獲省級以上大獎30余項，獲得教育部協同育人項目9項。所取得的成果為建設廣東省創新創業教育示范學校以及光電、電信、建能等專業順利通過工程教育認證，提供了重要支撐。

4" 結束語

基于端側智能演進開展的電子工藝實訓改革，在完成硬件工程實訓任務的同時，提升了大學生的智能技術應用能力與綜合創新能力，滿足了學生快速入門與課外創新的需求，促進了電類專業復合型新工科人才培養，對其他新工科課程建設有一定的借鑒意義。

5" 參考文獻

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