工程教育認(rèn)證背景下電子信息類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

李玉祥，孟怡晨，王 冉，劉志海

(哈爾濱工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

工程教育認(rèn)證是國(guó)際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，參加工程教育認(rèn)證是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)，也是我國(guó)工程教育全球化戰(zhàn)略發(fā)展的必然選擇。2016年6月，我國(guó)已加入《華盛頓協(xié)議》，成為正式會(huì)員[1]。

工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，在“畢業(yè)要求”指標(biāo)項(xiàng)中指出了要求學(xué)生具有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，解決方案的能力，具備將專業(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。實(shí)踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生具有動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的重要組成部分。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)創(chuàng)新、研究創(chuàng)新、技術(shù)開(kāi)發(fā)的重要平臺(tái)。良好的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)有助于學(xué)生深入理解專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生的獨(dú)立思考及獨(dú)立操作能力。

1 硬件電子類平臺(tái)

Arduino平臺(tái)。Arduino不僅僅是全球最流行的開(kāi)源硬件，也是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，更是硬件開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。Arduino簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)方式使得開(kāi)發(fā)者更關(guān)注創(chuàng)意與實(shí)現(xiàn)，更快地完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，節(jié)約了學(xué)習(xí)的成本，縮短了開(kāi)發(fā)的周期。Arduino是一套便捷、靈活、容易上手的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它包括多種型號(hào)的Arduino控制電路板和專用編程開(kāi)發(fā)軟件。Arduino的硬件價(jià)格也相對(duì)便宜，因此，采用 Arduino平臺(tái)作為學(xué)生實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)[2]。Arduino平臺(tái)具有跨平臺(tái)、簡(jiǎn)單清晰的開(kāi)發(fā)、開(kāi)放性、第三方資源豐富等優(yōu)勢(shì)。

Arduino在硬件和軟件上，都是全部開(kāi)源的，開(kāi)發(fā)者可以深入了解底層的全部機(jī)理，在此基礎(chǔ)上也預(yù)留了第三方庫(kù)開(kāi)發(fā)接口。Arduino平臺(tái)通常有一個(gè)中央處理器模塊，搭載上一些存儲(chǔ)、藍(lán)牙、USB接口、總線、模擬與數(shù)字的輸入輸出接口等基本功能。根據(jù)功能需要，可以使用陀螺儀、加速度計(jì)、溫濕度壓力傳感器等，這些都極大地方便了Arduino開(kāi)發(fā)者，可以不必拘泥于基本功能的編寫(xiě)，更加關(guān)注創(chuàng)意想法的實(shí)現(xiàn)，從而能夠把更多的精力放在想要做的功能設(shè)計(jì)中去。此外，還可以在Arduino社區(qū)輕松找到自己想要使用的一些基本功能模塊，以及一些功能模塊產(chǎn)品在Arduino下的庫(kù)和應(yīng)用例程。Arduino平臺(tái)簡(jiǎn)單易學(xué)、功能豐富、易于拓展的特點(diǎn)有利于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也為加深專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，鍛煉動(dòng)手實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意想法的設(shè)計(jì)提供了便利的途徑。

FPGA平臺(tái)。FPGA(Field Programble Gate Array)是一種完成通用功能的可編程邏輯芯片，即可以對(duì)其進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)某種邏輯處理功能。它集成了大量的原始邏輯資源，并且提供了可配置的I/O口及硬IP，它是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的。采用硬件描述語(yǔ)言對(duì)邏輯門(mén)電路進(jìn)行編碼，各邏輯并行工作來(lái)實(shí)現(xiàn)指定的功能，是基于硬件描述的芯片[3]。FPGA開(kāi)發(fā)需要從頂層設(shè)計(jì)、模塊分層、邏輯實(shí)現(xiàn)、軟硬件調(diào)試等方面進(jìn)行處理，在掌握FPGA使用方法的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行更深層次的數(shù)字信號(hào)處理算法，如通信、圖像處理、導(dǎo)航定位等算法的開(kāi)發(fā)。

目前較常見(jiàn)的FPGA產(chǎn)商有Xilinx、Altera、Actel、Lattice。這四家公司中，Xilinx和Altera能提供業(yè)界最先進(jìn)的FPGA芯片。它們的高端芯片所采用的工藝甚至用上了世界領(lǐng)先的工藝和制程。目前，業(yè)界提供了各種層次的FPGA。低端的FPGA價(jià)格便宜，適合用在簡(jiǎn)單邏輯功能以及普通但瑣碎的接口轉(zhuǎn)換或互連方案中。中端的FPGA通常具有較大規(guī)模的片上邏輯功能和專用的硬IP(DSP單元、PCI硬核、SRAM、DDR控制器等)，并且支持更多的I/O類型，芯片價(jià)格相對(duì)適中。高端的FPGA具有非常大的電路規(guī)模，通常會(huì)集成相當(dāng)數(shù)量的高速I(mǎi)/O，以滿足對(duì)超高速 、超高帶寬的需求，并且往片上系統(tǒng)發(fā)展，提供單芯片系統(tǒng)解決方案，適合用在大型、復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案中。

2 軟件應(yīng)用類平臺(tái)

Labview。Labview(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))，是由美國(guó)國(guó)家儀器公司基于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的編程環(huán)境，虛擬儀器就是將計(jì)算機(jī)和儀器緊密結(jié)合在一起，在通用的計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各種儀器的功能。Labview是目前應(yīng)用廣、發(fā)展快、功能強(qiáng)的圖形化軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[4]。Labview軟件中包含了豐富的測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域中的工具包，如信號(hào)處理模塊、控制和仿真模塊、機(jī)器視覺(jué)模塊等，在數(shù)據(jù)采集與控制，電子測(cè)試與測(cè)量，無(wú)線設(shè)計(jì)和測(cè)試等方面都有優(yōu)異的功能。

使用Labview編寫(xiě)的程序，基本上不需要程序代碼，取而代之的是程序框圖。這種圖形化程序和傳統(tǒng)編程語(yǔ)言不同在于程序流程采用“數(shù)據(jù)流”的概念，使得程序設(shè)計(jì)者在程序構(gòu)思的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了程序的編寫(xiě)。Labview的圖形程序，縮短了開(kāi)發(fā)原型的速度，方便了日后的軟件維護(hù)，大大提高了工作效率。

Python。Python是一款既容易學(xué)又相當(dāng)有用的編程語(yǔ)言。相對(duì)于其他語(yǔ)言，它的代碼易讀，并且有Shell程序可以輸入并運(yùn)行程序。Python的一些功能對(duì)于輔助學(xué)習(xí)過(guò)程很有效[5]。Python語(yǔ)言被用于各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛，例如編程語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)、Windows編程、多媒體、科學(xué)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)編程、游戲編程、嵌入和擴(kuò)展、企業(yè)與政務(wù)應(yīng)用等。Python的簡(jiǎn)潔性使得開(kāi)發(fā)任務(wù)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，學(xué)習(xí)者關(guān)注的重點(diǎn)不再是語(yǔ)法特性，而是程序所要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。Python語(yǔ)言有許多重要的特性，如面向?qū)ο蟮奶匦?；關(guān)鍵字少，代碼簡(jiǎn)潔；易于在不同操作系統(tǒng)中的移植；應(yīng)用廣泛等特性。這些特性使得Python語(yǔ)言倍受程序開(kāi)發(fā)者及學(xué)生們的青睞。

3 3D打印和激光雕刻機(jī)

3D 打印又稱快速成型，它是在電腦上設(shè)計(jì)要打印物體的三維模型，3D 打印機(jī)可以逐層打印，生成立體實(shí)物。打印材料主要是樹(shù)脂或者粉末狀金屬、塑料、陶瓷等。直接通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模，從數(shù)據(jù)模型生成各種形狀的產(chǎn)品，能夠省去制造模具的環(huán)節(jié)，節(jié)約大量的研發(fā)周期以及相關(guān)的成本和時(shí)間。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、房屋建筑、汽車電子等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，常用的3D打印軟件有Cura、EasyPrint3D、CraftWare、TinkerCAD等。3D 打印有利于在學(xué)生實(shí)踐中制作單件及少量的模具與零件，也容易加工一些形狀復(fù)雜、姿態(tài)各異的模型。

激光雕刻機(jī)，是利用激光對(duì)需要雕刻的材料進(jìn)行加工與雕刻的設(shè)備。激光雕刻機(jī)適用的材料有金屬薄板、亞克力板、有機(jī)玻璃、布料、皮革、竹木等。激光雕刻機(jī)使用激光的熱能對(duì)材料進(jìn)行雕刻，雕刻的精度高、速度快。不像手工雕刻對(duì)操作技能和工藝水平要求高，通過(guò)Autocad、Coreldraw、Photoshop等軟件的設(shè)計(jì)就可以進(jìn)行材料的雕刻，操作也更加簡(jiǎn)便快捷。

4 結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)有利于光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生開(kāi)展電子硬件設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)和外圍加工設(shè)計(jì)的立體式、全方位地進(jìn)行自主設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為使學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新性項(xiàng)目提供保障，也為學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。