电子“工程技术”实训平台的开发与探索
虚实结合仿真实训平台的建设与实践
2023年1月第2期Jan. 2023No.2教育教学论坛EDUCATION AND TEACHING FORUM虚实结合仿真实训平台的建设与实践张乃龙（北京工业大学 材料与制造学部，北京 100124）［摘 要］ 为适应新工科建设的要求，加强学生综合工程能力培养，解决实践资源不足的问题，结合智能制造专业建设要求，搭建了虚实结合仿真实训平台应用于专业课程群的实践教学。
基于机械工程系统基本设计流程，构建课程群综合设计能力实训平台，把机械原理、机械设计、机械控制和创新方法实践等课程实践相贯通进行方案设计、结构设计和控制系统设计，建立虚拟设备模型、实物样机和控制系统相结合进行控制仿真验证的虚实仿真训练模式。
实践表明，虚实结合使实训内容多样化，机械系统设计的一线式实训更接近于实际，提高了学生的参与积极性，有助于提升学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力。
［关键词］ 虚拟仿真；实践训练；虚实结合；能力培养［基金项目］ 2019年度北京工业大学教育教学研究课题（K2019ID003）［作者简介］ 张乃龙（1976—），男，山东临沂人，博士，北京工业大学材料与制造学部高级实验师，主要从事数字化设计研究。
［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）02-0109-04 ［收稿日期］ 2022-03-18近年来，随着工程教育中新工科建设的快速开展和工程教育专业认证工作的不断推进，国内各高校在机械工程专业的教学中越来越强调对学生创新能力和解决复杂工程问题能力的培养［1］。
创新能力和工程能力的培养离不开科学的实践教学体系和完善的校内外实验基地建设［2］。
面对场地限制和设备安全问题，各类仿真软件的使用为解决课程实践问题提供了可选的手段。
当前虚拟仿真平台在各类课程中已得到广泛应用，虚拟样机及计算分析软件在机械原理类课程［3］、三维建模软件在机械设计类课程中都已普遍开展应用训练［4-5］，电工电子和PLC课程也通过仿真软件实现了实训多样化［6-7］。
电气工程专业实践的探索及反思论文
电气工程专业实践的探索及反思论文电气工程专业实践的探索及反思论文几年来，学校经常组织我们学生深入到对口的企、事业单位进行参观、学习现场劳动，联系实际了解专业企、事业单位的生产、技术流程，对其主要机构设置、人员分工等企业概况有一个感性认识，为学好专业知识创造条件。
在业务方面，通过认识实习对电气控制系统的要求，参观有代表性的工厂、研究所及自动化程度较高的生产设备，使我们逐渐拓宽了知识面，同时了解企业生产管理方面的情况为今后从事工业电气自动化工作打下有力的基础。
1.电气工程及其自动化专业实践探索1.1 提升自身对电气工程及其自动化专业的再认识1.1.1 明确专业培养目标电气工程及其自动化专业的定位就是培养以强电为主、强弱电结合、电工技术与电子技术相结合、软件和硬件相结合培养的学生。
要求我们具有较强的工程实践能力和创新能力，能适应地方经济建设需要，要求必须掌握较扎实的理论知识，而且专业知识和实践能力强，能够从事与电气工程有关的自动控制、电力电子技术、信息处理分析的高级应用型人才。
电气工程及其自动化专业一般都要为学生提供工程训练的机会，并且强调在某一方面具有比较强的实际工作能力。
实践类型有技能实训、课程实践、毕业设计、课外实践等多种方式。
培养具有较强适应能力、实践能力和创新精神的复合型高级应用人才。
要求我们在知识结构方面必须掌握电气工程及其自动化的基本知识；系统掌握典型电气自动化系统的组成、工作原理和应用工具。
在能力结构方面：具有一定的实践软件编程和计算机应用能力；能够进行小型控制系统和信息系统的设计与开发，较强的专业技术实践能力和必要的基本工程技能。
在能力专长方面：具有一般电子设计软件的应用能力，以及电气自动化系统的制作能力。
在设置学习方案时，要注意融知识传授与能力培养为一体，从而使我们能够不断适应社会经济发展的需要。
1.1.2 提高认识，强化专业实践教学的地位首先要达成“实践才是工程专业的根本”的共识，牢同树立“实践教学同理论学习同等重要”的学习理念。
电子信息工程专业综合训练案例教学探索
0 引言电子信息工程专业综合训练是重要的实践性教学环节，是对学生进行专业基础训练，培养实践动手能力，掌握分析问题、解决问题能力的重要课程。
在训练过程中，学生以团队合作形式，形成分工协作、互相讨论、相互促进的氛围[1]，能够将所学知识正确应用到综合训练中，实现综合训练课题提出的要求和功能，达到学以致用的教学目的，提升学生工程实践能力和创新能力[2]。
STM32是目前常用的主控芯片，具备资源丰富、高性能、高性价比特点[3]，本文选择STM32F103RCT6为主控单片机，设计基于阿里云的远程数据采集与控制系统，作为综合训练的教学案例。
通过该案例，把STM32相关知识点和传感器技术等贯穿其中；同时将STM32终端设备与物联网平台结合，实现远程数据传输与控制。
相比于以往单一功能训练课题，该案例具备较强的综合应用特点，对提高学生的综合应用能力有较好的促进作用[4]。
1 系统组成与功能系统组成如图1所示，STM32F103RCT6为主控单片机，该芯片主频达72 MHz，具备串口、定时器（PWM）、外中断、SPI、DMA、AD转换等丰富资源[5]，是理想控制器。
LCD显示部分采用2.0寸8位数据并口的显示屏，分辨率为320×240，具备分辨率高、占用单片机数据线少的优点。
字库芯片作为可选择添加系统的芯片，可以接在SPI1接口，用以显示汉字，当然也可以省略；温湿度传感器HDC1080、存储芯片AT24C02和时钟芯片DS3231是I2C接口，因此规划一组IO端口作为I2C接口，程序通过不同的器件地址访问，读取温湿度数据和时间信息等，云平台下发的设置报警阈值存放于AT24C02中；远程访问通过WiFi模块ESP8266连接物联网云平台，实现远程数据传输与控制。
图1 系统总体设计结构系统实现以下功能：终端装置采集温湿度数据，读取时间等参数；在LCD显示温湿度数据、时间和阈值、状态信息等；通过WiFi模块连接阿里云飞燕平台后，创建手机可视化页面，接收温湿度数据和终端装置状态信息；手机端可设置报警阈值，下发到终端装置，当测量的温度或湿度超过阈值后，启动语音提示，同时控制对应风扇运行，风扇转速根据温湿度数据高低分不同的转速挡位运行。
独立学院电子信息工程专业建设的探索与实践
实验 教学 使用 面积 １５ ０ ０ 平方 米 ， 已建 成 电 子 电路基 础实 验室 、 片机技 术开 发实验 室 、 单 信号 与系统 实验
室、 高频 电子 实验 室 、 入式 系统 开 发 实 验 室 、 Ｐ 嵌 ＤＳ 技术 实验 室 、 Ｄ 技 术实验 室 、 编程控 制实验 室 、 Ｅ Ａ 可 移 动通信 实验 室 、 信原 理实 验室 、 通 思科 网络技 术实 验室 、 Ｉ ｖ 以 Ｐ ６为技 术 核 心 的路 由交换 协议 实验 室 、
设； 开展 教研 教 改 ， 索人 才 培 养 模 式 ； 造 实验 实训 平 台 ， 善 实 验 教 学 体 系； 企 业 深 度 合 作 ， 立 “ 企 合 作 、 探 打 完 与 建 校
双 向 互动 、 馈 调 整” 制 ； 建 大 学 生课 外科 技 实践 体 系 ， 高 学 生科 技 创 新 能 力 。 反 机 构 提
创 新 师 资 队伍 建 设
１新 型 师 资 队伍 建 设 模 式 ． ２师 资 队 伍 创 新 能 力 、 创 新 ． 意识 的 培 养 ３新 型 的 教 学 团 队 建 设 ．
为主线 ； 两个 平 台是理 论教 学平 台与 实践 教学平 台 ；
三项原 则是 指基 础 性原 则 、 用 性 原 则 和 实践 性 原 应 则； 四个 突出是 指突 出工 程能力 本位 的教 育思想 、 突
教 学 管理 等灵 活 的运 行机 制［ 。 由于近 年高校 的不 １ ］ 断扩 招 ， 毕业 生就业 压力 日趋严 峻 ， 立 学院 压力更 独
大 。 因此 ， 在社 会 对独 立 学 院这个 新 生 事 物 还未 广
才 并 被社会 所认 可 的 目标 ， 和 学 院将 电子 信 息 工 协
智慧电子实训室建设方案
智慧电子实训室建设方案一、背景随着智能制造、大数据、人工智能等新技术的快速发展，电子工程技术在现代制造业中的作用越来越重要，与此同时，各大高校电子工程专业的教学、科研也面临着新的挑战和机遇。
面对新形势，为提高学生的实际操作能力，扩大实验教学的容量和范围，本文提出智慧电子实训室建设方案。
二、建设目标1.提高学生的实践能力和动手能力，促进学生的创新思维和实践能力的培养；2.促进教学与科研相结合，实现教学成果的转化和推广；3.加强与企业的合作，完善人才培养模式，培养适应社会需求的应用型人才。
三、建设内容1.场地设施方面智慧电子实训室建设需要一定的场地条件，建议选取面积在200至300平方米的实验室。
实验室具备在室内进行电路设计、实验调试、项目制作、数据分析的基础设施，并配备空调、抽风、消防等设施。
2.实验设备方面应根据电子工程学科的教学、研究方向和技术发展趋势，选配相应的实验设备。
有以下设备：（1）基本万用表、示波器、信号发生器、电源等仪器。
（2）各类单片机、嵌入式系统开发板、FPGA开发板等多种嵌入式设备。
（3）光纤通信实验设备、网络设备、嵌入式网络设备等。
（4）3D打印机、切割机、激光雕刻机等快速成型设备。
（5）各种应用电路板、通用电路板和开发板等。
3.软件工具方面应选取电子工程领域常用的设计软件、模拟仿真软件、单片机程序开发工具等，如Multism，Protues，Keil等。
四、教学内容在设备、软件等方面配备完毕后，教学内容是智能电子实训室建设的关键。
教学内容应包括常见的电子学科内容，同时也需要加入一些前沿性和实践性的内容。
教学内容建议如下：1.数字电路基础实验、模拟电路基础实验、通信原理实验、计算机网络实验等电子工程基础实验。
2.嵌入式系统设计实验、FPGA设计实验、智能硬件开发实验等电子工程前沿实验，提高学生的设计和开发能力。
3.基于机器学习的智能控制实验、自动化测试设备开发实验、智能图像识别实验等与当前人工智能技术相关的电子实验，培养学生的创新思维和实践能力。
电子结构工程设计实训报告
电子结构工程设计实训报告一、实训背景电子结构工程是现代工业中非常重要的一部分。
通过电子结构工程，可以对材料的物理、化学性质进行调控，从而实现设计和制造具有特定功能的材料、器件和系统。
为了提升学生的实际操作能力和解决实际问题的能力，我们开设了电子结构工程设计实训。
二、实训目标1. 理解电子结构工程的基本概念和原理；2. 熟悉电子结构工程的常用软件工具和实验设备；3. 学会运用电子结构工程的方法和技巧设计和优化材料、器件和系统；4. 培养学生的团队合作精神和创新能力。
三、实训内容1. 理论学习学生首先通过课堂学习，掌握电子结构工程的基本理论和常用方法。
包括量子力学、密度泛函理论、分子动力学模拟等内容。
2. 软件培训学生通过软件培训，掌握使用电子结构工程软件进行建模、计算、分析和优化的基本方法。
熟练掌握软件的功能和使用技巧，学会对模型进行合理的参数设置和计算流程的优化。
3. 实验操作学生进行实验操作，学习使用实验设备进行电子结构工程的实验研究。
包括束流蚀刻机、电子束曝光机、扫描电子显微镜等设备的使用。
4. 项目设计学生根据所学知识和技能，完成一个电子结构工程的项目设计。
可以选择某个材料进行优化设计，也可以选择某个器件进行性能优化。
在项目设计中，学生需要充分考虑实际需求和可行性，进行合理的设计和分析，并给出相应的优化方案。
四、实训成果通过电子结构工程设计实训，学生取得了以下成果：1. 掌握了电子结构工程的基本概念、原理和方法；2. 熟悉了电子结构工程的常用软件工具和实验设备的使用；3. 学会了使用电子结构工程的方法和技巧设计和优化材料、器件和系统；4. 提升了学生的团队合作精神和创新能力。
五、改进措施针对本次实训存在的问题和不足，我们提出以下改进措施：1. 加大实验设备的投入，更新设备和提升性能，以满足更高水平的实验需求；2. 加强对软件工具的培训，提供更多的实例和案例分析，帮助学生更好地掌握软件的使用技巧；3. 加强对项目设计的指导，提供更多的实例和指导性意见，帮助学生更好地开展独立的研究和设计工作；4. 加强学生的实际操作能力，增加实际实验的时间和机会，提升学生的实际操作能力和解决实际问题的能力。
应用型本科电子信息工程专业实践教学研究与探索
应用型本科电子信息工程专业实践教学研究与探索作者：周爱军於留芳来源：《电脑知识与技术》2018年第35期摘要：针对独立学院实践课程体系基本是在母体课程体系添加若干现代技术形成，不能适应应用型本科培养要求的现状，该文借助南京师范大学泰州学院课改项目，探索了一种适应应用型本科电子信息工程专业实践教学体系。
关键词：应用型本科;电子信息工程;实践教学中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）35-0100-02《國家中长期教育改革和发展规划纲要》（2010-2020）明确提出，“要坚持能力为重，优化知识结构，丰富社会实践，强化能力培养，着力提高学生的学习能力、实践能力和创新能力。
”针对独立学院实践课程体系基本是在母体课程体系添加若干现代技术形成，不能适应应用型本科培养要求的现状[1-2]，本专业在实践教学体系的设计中，依据学生特点和专业特色，发挥高校资源优势，加强社会交流，促进校企深度融合，主动适应社会经济发展对电子信息工程专业人才标准和需求的变化，优化专业和课程结构，强化实践，突出实践实训，在学生实践环节独辟蹊径，形成了“赛训融通，工程融入，教研融合”的鲜明实践教学特色的应用型人才培养体系。
1 赛训融通，以竞赛为导向，激发学生学习兴趣本专业以“电子系统设计”贯穿整个教学环节[3]，侧重培养学生的电子系统设计、维护、调试等能力。
围绕电子系统设计，开设了《电路分析》《模拟电子技术》《数字电子技术》《微机原理与单片机应用技术》《电子系统设计与应用》《EDA原理及应用》《FPGA综合应用》《嵌入式系统原理与应用》《DSP原理与应用》《电子系统创新设计与实践》等课程。
鼓励教师根据自己的科研方向和项目需求，面向学生组建了兴趣活动小组，如机器人编程小组、电子设计竞赛小组等，通过广泛向学生宣传研究方向、项目内容、学习形式等吸引学生加入自己的小组。
教师根据本科生的知识结构，将自己的项目拆分成若干个子项目子问题，指导学生独立开展工作。
《电子技术基础》课程标准
《电子技术基础》课程标准适用专业：物联网工程技术1.课程定位和设计思路1.1课程定位《电子技术基础》课程是物联网工程技术专业职业教育课程模块，是一门培养专业能力的基础课程。
其主要功能是使学生了解电路的基本知识以及模拟电子电路和数字电子电路的基本工作原理和分析方法，掌握元器件的识别和基本工具、仪器仪表的使用，为学习后续专业课程和今后从事有关的电子技术的实际工作打下基础。
本课程后续课程主要为《单片机原理及应用》、《无线传感网络及应用》等。
1.2设计思路本课程是物联网工程技术专业的专业课基础课，是三门课并成一门课，内容多、概念多、电路种类多、电路与参数符号多，时间又少，因此教学中更需突出重点。
电路部分，重点是直流电路和正弦交流电路；模拟电路部分，重点是半导体三极管和共发射极放大电路；数字电路部分，重点是组合逻辑电路、触发器和时序逻辑电路。
对于实际的集成电路芯片，应着重芯片的逻辑功能和使用。
本课程立足于职业能力培养，根据电子技术的学习规律，采用项目为教学情境来组织和实施教学，打破以知识传授为主要特征的传统学科课程模式，将完成工作任务必需的相关理论知识构建于项目情境之中，学生在完成具体项目的过程中学会必备的理论知识和职业技能。
依据上述课程目标定位，本课程从工作任务、知识要求与技能要求三个维度对课程内容进行规划与设计，本课程共划分为电路定理分析验证、助听器电路的设计与制作、线性直流稳压电源的制作与调试、表决器的制作与调试、数字电压表的制作与调试等五个工作任务，知识与技能内容则依据工作任务完成的需要进行确定。
分析过程中尤其注意了整个内容的完整性，以及知识与技能的相关性。
在对知识与技能的描述上也力求详细与准确。
技能及其学习要求采取了“能做…………”的形式进行描述，知识及其学习要求则采取了“能描述…………”和“能理解…………”的形式进行描述，即区分了两个学习层次，“描述”指学生能熟练识记知识点，“理解”指学生把握知识点的内涵及及其关系。
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电子“工程技术”实训平台的开发与探索
根据职业学校的电类教学改革特点，结合企业岗位需求、实验设备现状等进行研究，开发与探索一种电子”工程技术”实训平台。
该平台功能齐全，布局合理，具有一定的扩展性，可以从元器件的认识到电路设计、制作及调试的综合性练习，与项目教学相结合有效提高教学效率及教学质量。
标签：职业学校电子实训平台项目教学
一、实训平台的设计理念
职业学校实验室中电子实验平台一般都是向商家采购，产品样式固定，不完全符合本校的教学要求，且出现问题维修不便捷。
如果使用万能板焊接练习不方便也不经济，制约了学生的创新与动手。
为此，在研发实训平台时，充分考虑实训的内容及要求、企业的人才需求、平台的扩展性、实用性等诸多因素。
设计理念主要体现在以下方面：①与电类理论课程紧密联系；包括电子技术基础、电工基础、传感器原理与应用、单片机原理与应用等。
②模块化设计；按照电源电路、传感器电路、显示电路、电机电路等模块设计，根据教学需要选择模块训练，维修也方便。
③符合不同层次教学；平台可以从元器件认识到简单电路学习再到综合性课程设计，满足各年级的学习。
④具有安全性；平台具有电源短路保护及报警功能。
二、实训平台设计的技术路线
企业调研，确定人才培养目标；优秀毕业生访谈，了解成长情况与专业的联系；学生学习兴趣调查及专业学习情况；专家咨询委员会，了发展趋势，培养目标等。
汇总各方面的资料，并进行筛选、提炼；确定电子实验平台装置的整体方案；对相应的理论知识与实践操作能力进行提升。
实验平台与教学的有机结合，完成课题研究；PCB设计，完成硬件电路。
实验装置的应用及实践；电子实验平台的模块、综合设计、仿真及实验。
以上的步骤主要通过文献资料查、兄弟校考察、专家咨询委、资料调查法等作为支持。
三、实训平台的组成
电子“工程技术”实训平台包含了四大部分的内容，分别是平台供电电源电路、信号输入电路、微处理电路、信号输出电路。
如图1所示
1.电源电路
交流输出端子：～A、～B、～C ；UAB=15V，UBC=15V，UAC=30V，
直流输出端子：+12V +5V GND -5V -12V；四路输出额定电流依次为：1A、7A、0.5A、0.5A；电源还具有可调节模块，方便使用。
2.信号输入电路
包括传感器模块，可测热敏、光敏、压敏等电阻型传感器电路、
声音传感器电路、振动传感器电路、烟雾（一氧化碳、酒精、煤气等）传感器电路；
超声波模块，40KH超声波发射与接收传感器电路，可测距离0.1米到4米；热释检测模块，热释检测电路；串口通信电路等。
3.微处理器电路
可由2片的单片机构成，根据需要选择。
4.输出电路
综合显示模块，8位数码管动态扫描电路、8*8点阵动态扫描电路、8位流水灯电路、液晶显示等；机械部分，电机电路、机械手部分、音频输出、蜂鸣器等。
整个电子“工程技术”实训平台可以完成电子、单片机等综合实验，包含的内容有元器件识别、三极管知识、运放知识、传感器知识、单片机知识、模拟数字转换知识、组合逻辑知识、触发器知识等等。
图 1
四、平台实现的功能与特点
根据课程内容及企业需求、学生兴趣等开发一种新型的电子实验平台装置。
该平台包含了电子技术基础内容、传感器原理及应用、单片机基础、电工基础、电子测量、电路设计、电子工艺基础等课程内容。
主要包括如下特点，也是将来电子技术专业的教学趋势：
1.项目化教学促使理实一体化
开发的实验平台都是以模块设计的，既可以是独立的也可以是综合性的。
2.平台的开发促使教师成长
教师在平台上能将理论教学与实践教学融为一体，使教师达到双师型。
3.实验设备添加成本的减低
自主开发的实验平台成本较低，又符合教学、企业的需求，占用场地少，操作简便，容易管理。
并且对电子技术专业的相关实验都能够实现。
4.与行业工程实际紧密结合，促使学生全面而深层次理解电子工程的理论知识，提高就业竞争力
结构灵活，组合方便，非常利于学生对专业知识综合认识及应用能力的提高。
5.可任意扩展，能与时俱进，把握行业最新发展动态，适应新技术发展的要求
五、结束语
该实验平台实验丰富，结构紧凑，布局合理，不仅可靠性高，易于维修，同时还具有很强的扩展性与可持续性。
解决大多数职业学校实验设备不足、课程教学枯燥的难题，提高了学生的学习积极性，使学生从完全的课本学习轻松地过渡到自主性、能动性、趣味性较强的实践训练环节，平台不仅可以满足电类专业基础实验，而且可以进行综合的课程设计实验、技能大赛赛题及研究性实验等，学习由被动的接受老师传授的知识变为在老师指导下主动探索解决问题，培养出符合社会要求的创新型人才。
参考文献
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[2] 李策.“做中学、学中教、教中做”合一的教学实践.教育教学，2010.8（203）.
[3] 蒋庆斌，徐国庆.基于工作任务的职业教育项目课程研究.职业技术教育，2005.（22）.
[4]吴新立.实用电子技术手册北京：机械工业出版社，2002：210-211.
[5]张清，朱雷平，崔厚梅. 多功能电路实验箱的研制[ J ]. 徐州工程学院学报，2006，21（12）：70-72.
作者简介：刘军（1984-），男，福建厦门人，厦门市集美职业技术学校教师，天津职业技术师范大学在读研究生，研究方向：信号与信息处理。