工程教育认证背景下电子信息类创新实验平台的建设

2020-01-17李玉祥孟怡晨刘志海

黑龙江科学 2020年1期

李玉祥，孟怡晨，王冉，刘志海

(哈尔滨工程大学物理与光电工程学院，哈尔滨 150001)

工程教育认证是国际通行的工程教育质量保证制度，参加工程教育认证是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础，也是我国工程教育全球化战略发展的必然选择。2016年6月，我国已加入《华盛顿协议》，成为正式会员[1]。

工程教育认证标准中，在“毕业要求”指标项中指出了要求学生具有设计开发，解决方案的能力，具备将专业知识用于解决复杂工程问题的能力。实践环节是培养学生具有动手能力、实验实践能力和创新意识的重要组成部分。创新实验平台是培养学生知识创新、研究创新、技术开发的重要平台。良好的创新实践平台建设有助于学生深入理解专业基础知识，提高学生的独立思考及独立操作能力。

1 硬件电子类平台

Arduino平台。Arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快地完成项目开发，节约了学习的成本，缩短了开发的周期。Arduino是一套便捷、灵活、容易上手的硬件开发平台，它包括多种型号的Arduino控制电路板和专用编程开发软件。Arduino的硬件价格也相对便宜，因此，采用 Arduino平台作为学生实现创意的硬件开发平台[2]。Arduino平台具有跨平台、简单清晰的开发、开放性、第三方资源丰富等优势。

Arduino在硬件和软件上，都是全部开源的，开发者可以深入了解底层的全部机理，在此基础上也预留了第三方库开发接口。Arduino平台通常有一个中央处理器模块，搭载上一些存储、蓝牙、USB接口、总线、模拟与数字的输入输出接口等基本功能。根据功能需要，可以使用陀螺仪、加速度计、温湿度压力传感器等，这些都极大地方便了Arduino开发者，可以不必拘泥于基本功能的编写，更加关注创意想法的实现，从而能够把更多的精力放在想要做的功能设计中去。此外，还可以在Arduino社区轻松找到自己想要使用的一些基本功能模块，以及一些功能模块产品在Arduino下的库和应用例程。Arduino平台简单易学、功能丰富、易于拓展的特点有利于增强学生的学习兴趣，也为加深专业知识的学习，锻炼动手实践能力，实现创意想法的设计提供了便利的途径。

FPGA平台。FPGA(Field Programble Gate Array)是一种完成通用功能的可编程逻辑芯片，即可以对其进行编程实现某种逻辑处理功能。它集成了大量的原始逻辑资源，并且提供了可配置的I/O口及硬IP，它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的。采用硬件描述语言对逻辑门电路进行编码，各逻辑并行工作来实现指定的功能，是基于硬件描述的芯片[3]。FPGA开发需要从顶层设计、模块分层、逻辑实现、软硬件调试等方面进行处理，在掌握FPGA使用方法的基础上，可以进行更深层次的数字信号处理算法，如通信、图像处理、导航定位等算法的开发。

目前较常见的FPGA产商有Xilinx、Altera、Actel、Lattice。这四家公司中，Xilinx和Altera能提供业界最先进的FPGA芯片。它们的高端芯片所采用的工艺甚至用上了世界领先的工艺和制程。目前，业界提供了各种层次的FPGA。低端的FPGA价格便宜，适合用在简单逻辑功能以及普通但琐碎的接口转换或互连方案中。中端的FPGA通常具有较大规模的片上逻辑功能和专用的硬IP(DSP单元、PCI硬核、SRAM、DDR控制器等)，并且支持更多的I/O类型，芯片价格相对适中。高端的FPGA具有非常大的电路规模，通常会集成相当数量的高速I/O，以满足对超高速、超高带宽的需求，并且往片上系统发展，提供单芯片系统解决方案，适合用在大型、复杂的设计方案中。

2 软件应用类平台

Labview。Labview(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)，是由美国国家仪器公司基于虚拟仪器开发的编程环境，虚拟仪器就是将计算机和仪器紧密结合在一起，在通用的计算机硬件和操作系统基础上，实现各种仪器的功能。Labview是目前应用广、发展快、功能强的图形化软件集成开发环境，广泛地应用在工业界、学术界和研究实验室，是一个标准的数据采集和仪器控制软件[4]。Labview软件中包含了丰富的测试测量领域中的工具包，如信号处理模块、控制和仿真模块、机器视觉模块等，在数据采集与控制，电子测试与测量，无线设计和测试等方面都有优异的功能。

使用Labview编写的程序，基本上不需要程序代码，取而代之的是程序框图。这种图形化程序和传统编程语言不同在于程序流程采用“数据流”的概念，使得程序设计者在程序构思的同时也实现了程序的编写。Labview的图形程序，缩短了开发原型的速度，方便了日后的软件维护，大大提高了工作效率。

Python。Python是一款既容易学又相当有用的编程语言。相对于其他语言，它的代码易读，并且有Shell程序可以输入并运行程序。Python的一些功能对于辅助学习过程很有效[5]。Python语言被用于各个领域，应用十分广泛，例如编程语言、数据库、Windows编程、多媒体、科学计算、网络编程、游戏编程、嵌入和扩展、企业与政务应用等。Python的简洁性使得开发任务进一步简化，学习者关注的重点不再是语法特性，而是程序所要实现的任务。Python语言有许多重要的特性，如面向对象的特性；关键字少，代码简洁；易于在不同操作系统中的移植；应用广泛等特性。这些特性使得Python语言倍受程序开发者及学生们的青睐。

3 3D打印和激光雕刻机

3D 打印又称快速成型，它是在电脑上设计要打印物体的三维模型，3D 打印机可以逐层打印，生成立体实物。打印材料主要是树脂或者粉末状金属、塑料、陶瓷等。直接通过计算机建模软件建模，从数据模型生成各种形状的产品，能够省去制造模具的环节，节约大量的研发周期以及相关的成本和时间。目前，3D打印技术已经在医学领域、房屋建筑、汽车电子等行业中得到了广泛的应用与发展，常用的3D打印软件有Cura、EasyPrint3D、CraftWare、TinkerCAD等。3D 打印有利于在学生实践中制作单件及少量的模具与零件，也容易加工一些形状复杂、姿态各异的模型。

激光雕刻机，是利用激光对需要雕刻的材料进行加工与雕刻的设备。激光雕刻机适用的材料有金属薄板、亚克力板、有机玻璃、布料、皮革、竹木等。激光雕刻机使用激光的热能对材料进行雕刻，雕刻的精度高、速度快。不像手工雕刻对操作技能和工艺水平要求高，通过Autocad、Coreldraw、Photoshop等软件的设计就可以进行材料的雕刻，操作也更加简便快捷。