面向智能制造的は呱舷呦禄旌洗葱翬DA实验教学研究

许明 倪敬

摘 要：EDA（Electronics Design Automation，电子设计自动化）是现代电子设计的核心，也是智能制造工程的核心支撑技术。线上线下混合创新EDA实验，旨在以“线上仿真+线下实操”相结合的方式，展现电子电路EDA在智能制造工程中的实际需求和应用，突出“一个目标（新工科专业的“金课”建设目标）、两个能力（培养学生的工程设计能力与自主创新能力）、三层次实践（以基本实验、设计性实验和创新型实验构成三层次实践）”，设计开发智能制造等宽口径非电类专业的EDA创新实践开发系统，打造EDA立体实验，体现知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题和综合系统设计的能力。

关键词：EDA;线上线下;混合创新;智能制造

1 绪论

EDA是现代电子设计的核心，也是智能制造工程的核心支撑技术，是智能制造中信息系统设计的集中体现，对于智能产品、智能装备设计等发挥着越来越重要的作用，实现机械技术、电子信息技术以及人工智能技术的深度集成[12]。目前，电子信息类专业都开设了EDA技术课程及实验，但基本上全部从电子信息类专业的培养角度出发，主要阐述IC（集成电路）设计相关的EDA技术，通过VHDL、Verilog HDL等硬件描述语言来设计、验证电路预期行为[34]。而对于一些非电类的如智能制造工程、机器人工程等新工科专业，学生学习及掌握硬件描述语言的难度较大，对于毕业之后的实际应用也有限，不能满足对智能制造类人才培养目标的需求。

据调研，国内目前还没有专门针对智能制造工程等“新工科”非电类专业的EDA实验课程及相关实验设备，现有EDA实验设备要么是适用于电子信息类专业的CPLD/FPGA实验箱，要么是偏向综合应用的嵌入式MCU控制实验箱[3]。而具有本项目部分类似功能的NI ELVIS工程教育實验系统价格昂贵，很难全面采购并应用到实验教学中。线上线下混合创新EDA实验，旨在以“线上仿真+线下实操”相结合的方式，展现电子电路EDA在智能制造工程中的实际需求和应用，突出“一个目标、两个能力、三层次实践”，即以新工科专业的“金课”建设为目标，培养学生的工程设计能力与自主创新能力，以基本实验、设计性实验和创新型实验构成三层次实践，来设计开发面向智能制造等宽口径非电类专业的线上线下混合创新EDA实验开发系统。

2 线上线下混合创新EDA实验教学举措

2.1 线上线下混合创新EDA

线上线下指的是，线上运用EDA软件，如Multisim、Proteus等进行电子电路模块和系统的设计及仿真分析，线下实验室进行EDA实验箱实验，锻炼工程实际应用技能，提升系统设计理念和水平。通过线上线下的结合，在线上设计和仿真分析的基础上，进行线下的案例实训和创新实践，虚实一体化。在实验教学的设计方面，EDA技术与智能制造相结合，将源自智能制造工程的一些实际项目，结合“电工电子”“模拟电子技术”“数字电子技术”等非电类专业基础课程教学中的需要和特色，提炼加工抽象设计为相应的电子电路EDA实验实例，以工程案例讲解和实践为辅，以设计应用和拓展提升为主，培养智能制造创新人才。

2.1.1 深度展现EDA在智能制造中的实际应用

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，其发展方向是智能制造。从教育部2019年度普通高等学校本科专业备案和审批结果可以看到，179所高校新增备案智能制造工程、机器人工程、智能科学与技术专业。但到目前为止，适合智能制造工程等新工科专业的电子电路EDA教学设备及教学方法还十分欠缺，远远不能满足培养要求。

结合实际情况，将EDA技术与智能制造工程相结合，深度展现电子电路EDA在智能制造工程中的实际需求和应用，开发线上线下混合创新EDA实验系统。实验系统（实验箱）包括三个部分，即基础部分，实践部分，综合以及创新提高部分。在基础部分，利用基本的RLC电路、晶体管电路、集成运放电路、功率电路、逻辑电路等基本电路模块，开发Multisim线上仿真分析案例，以及线下实验箱的实操，巩固基础;在实践部分，针对智能制造实际工程应用，涵盖了电机驱动电路设计及分析、仪用放大处理电路等，以实际案例为切入，拓展学生在综合电路电子系统、嵌入式控制系统等方面的应用与实践。在综合及创新提高部分，结合了智能产品、智能装备、智能工厂中的典型综合设计案例，精炼了综合及创新提高的实践项目，如LoRa无线通信、RFID电子标签、可编程逻辑阵列基础等。

线上线下混合创新EDA实践系统，除了线上仿真分析的便利性和全功能之外，线下开发了针对智能制造工程等新工科专业的实操系统，其特点有：（1）功能完备。在信号放大及处理电路、功率放大电路、滤波电路、信号发生电路等基础上，具备电机驱动实验、传感器检测电路实验、MCU控制电路等丰富的实验及开发功能;（2）扩展性强。实验电路采用单元电路方式模块化方式设计，单元电路即基本实验电路，再外接其他元件为该电路参数，或与其他的单元电路组合，完成不同的实验要求;（3）虚实结合。实验电路由学生提前进行仿真，并按照实验原理图进行搭建及实验;（4）安全保障。除开关电源外，所有实验在安全电压36V以下，保护学生安全;设置过压、过流、短路保护等功能元件及电路，保护实验系统;（5）拓展创新。除了满足创新实践EDA课程的实验要求外，还结合了电子电路EDA与竞赛，配备多种竞赛电子模块，如滤波器模块、超声波发射与接收模块、语音识别电路模块、Arduino控制器模块等，满足拓展创新的需求。

2.1.2 全面拓展EDA与创新实践的紧密结合

将工程实际应用和创新能力培养的理念贯穿于整个实践教学中，通过CDIO模型的“构思—设计—实现—运作”与学生认知能力培养的“基础—实践—提高—创新”思想有机结合，建立以基础性实验、设计性实验和开放型实验构成的“三个层次”实践体系，使学生能“看中学”“做中学”“用中学”。

在实际的教学环节中，可以在这三个层次的环节将学生分组形成多个团队，使学生在团队中通过实践环节中的互动合作、科技交流，培养团队协作精神和交流沟通能力，调动每位同学的课程实践参与性，并通过三个层次的实践环节使学生形成共享知识及技能（团队工作）、应用知识及技能（分析解决问题）、总结及提出新问题（创新能力）、传播知识与技能（沟通交流）的能力。

在线上线下实践体系的具体编排上，遵循基础—实践—提高—创新的金字塔形结构，从项目案例方向与智能制造工程紧密融合，例如物联网设备层信号采集器的EDA设计与分析、无线LoRa网关与节点通信、电机驱动EDA设计与分析等。此外，为适应本科竞赛的需求，编排了竞赛常用电子电子电路模块的EDA设计与分析，如电源模块、继电器模块、放大模块、传感器模块等，通过一些模块之间的搭配与设计，构建复杂控制系统，能够适应非电类专业，特别是智能制造、机械设计制造等专业本科生参加机械设计竞赛、工程训练竞赛、互联网+比赛等中的电子电路设计与分析。

2.2 线上线下混合实验教学方法

2.2.1 线上线下混合式创新实验组织

以线上线下混合式实验“金课”为目标，打造电子电路EDA立体实验，体现知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。实验内容反映前沿性和时代性，教学形式呈现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化。实验教学方法，分为实验前准备、模块实验、综合实验与设计、创新提高等四个部分，每个部分从对应特点出发，拓展线上和线下的立体仿真和实验相结合的教学资源，包括仿真案例、实验箱实操、MOOCs等富媒体资源，通过实验前自学、模块实验研讨、综合实验与设计、创新设计等循序渐进的环节，来达到学生的工程实践能力和创新能力的提升目标。

2.2.2 玩中学、用中学、创中学+以赛促学

实验教学体现玩中学、用中学、创中学的层次架构，在实验课程初期，通过EDA前沿性介绍及视频动画、趣味性实验项目等，让学生“玩中学”，建立学习兴趣;课程主要阶段，通过典型工程案例，由浅入深，让学生在实际项目中“用中学”;课外拓展及综合实践阶段，学有余力的学生将实验知识技能进行创新实践应用，“创中学”。此外，本实验依托创新实践EDA课程，开展电子电路EDA技术应用与创新竞赛，以赛促学，进一步培养学生运用电子电路技术解决问题的能力，并培养学生调研、自主学习、团队学习的能力，具有创新意识和严谨求实的科学与工程基本素养。

3 结语

线上线下混合创新EDA实验教学改革举措从智能制造等新工科专业所处的信息化大环境以及非电类专业综合电子设计实践特点出发，从课程体系结构、拓展线上和线下的立体仿真和实验相结合的教学资源、立体课程的混合教学举措等方面，开展课程的建设和教学改革，实践表明线上线下混合创新式的EDA实践教学方式对学生的基础电路电子设计能力、综合系统分析和开发能力、创新思维能力等都有较好的促进作用，可为相关课程的教学改革提供借鉴和参考。

参考文献：

[1]吕晓兰，左敬龙，孙国玺.OBE与CDIO模式相结合的立体化EDA课程教学探究[J].高校实验室工作研究，2019，1619.

[2]吴迪，谭克俊，邓治安.EDA技术教学改革与实践[J].中国现代教育装备，2017，（257）：1518.

[3]梁丽.基于EDA技术的电子线路设计的改革与实践[J].实验技术与管理，2020，37（2）：100103+116.

[4]梁洪卫，阚玲玲，张秀艳，等.基于实践能力培养的EDA技术类课程改革[J].科教导刊，2018，（20）：2829.

基金项目：杭州电子科技大学2020年度高等教育教学改革研究实验技术專项项目（ZXJG202004）

作者简介：许明（1982— ），男，博士，副教授，研究方向为机电控制。