电类综合实验与创新平台

为面向多层次多领域多场景的各种与电子电气教学有关的实际动手操作，研制了一种通用的电类综合实验与创新平台。通过基本硬件模块的组合设计，涵盖弱电和强电专业，打通互联网与供电网，兼顾了灵活性与可扩展性；通过面向不同层次基本实验和综合实验的持续开发，实现了涉电实验和实操的通用性；通过自定义总线硬件的可插拔、兼容性和模块化设计，实现了面向不同学校用户和相关企业自研模块的开放性，有利于建立全新的教学实验和成果转化生态。可望配合从本科到职校的素质教育、职业教育和创新/创业教育，甚至用于普通中小学的实际动手操作与科学兴趣培养。

与现有的教学仪器或实验设备有何不同？
    常规的电子类实验设备大多针对某一门具体课程的特定教学内容，为其配套专门的实验仪器，例如模拟电路、数字电路、单片机、数字信号处理、通信原理、计算机网络、物联网等课程的“实验箱”，而本产品则不依附现有的教学课程，通过不同层次基本实验和综合实验的开发，以及菜单式的任意组合选择，可用于尽可能多的专业和层次的学校和学生进行综合性和创新性的涉电实验教学和课程设计。
    换句话说，是把现有的“一机专用”变为“一机多用”。

为什么称电类专业？技术上如何实现的？
    即希望涵盖通常的电子技术(Electronic Technique)和电气技术(Electric  Technique)专业(即EE专业)。
    技术上通过引入电力线通信(Power Line Communication，PLC)技术打通互联网与供电网，从而在本实验平台(弱电，直流36V以下)上直接远程操控电气设备(强电，交流220V)，这是本实验平台实现“综合”与“通用”的技术与应用特色之一。如果无需涉及电气工程(例如普通中小学)，则也可省去该功能模块而只涉及“电子类”专业。

为什么称“通用”？如何保证产品的通用性？
    一是一机多用，可望开出绝大多数现有实验箱上能提供的教学实验；二是能用于各种学校的涉及电类的教学实验。为此在技术上：
    1)针对不同类型学校和不同层级学生的教学特点和要求，开发了不同版本的配套教学实验和讲义，分别用于高等院校、职业教育/岗位培训和普通中/小学；
        2)通过硬件的自定义总线可插拔模块化设计(已申请专利)和配套软件的多样化，保证了产品的适配性、灵活性与可扩展性；
    3)利用本教学实验平台主板上对外开放的插座和引脚，可望把几乎所有传统上基于“面包板”和通用仪器仪表进行的电子电路硬件实验，轻松“移植”到利用本平台供电和计算机测量，能有效继承实验指导老师们多年来的实验积累。

为什么称“综合”平台？
    强调本产品并非只是针对单一课程知识点的实验箱，而是可同时涵盖几乎所有涉电学科专业基础课和较多专业课知识(包括硬件、软件、外设和系统)的实操平台，可以培训、考查和巩固学生多门课程知识的实际掌握情况和融会贯通能力，可望给学生提供更多的系统性、便捷性和想象力。
    “创新性”体现在何处？
        1)教学理念上，跳出传统单一课程实验主要验证课程知识的框架，而是希望学生可用来同时学习、验证和巩固多门课程甚至学科的知识，借以完成较大型综合实验、课程设计甚至各类设计竞赛；
2)技术手段上，通过自定义总线，可在一个综合性的集成化实验平台上直接挂接多种处理器、传感器和通信接口，并提供多种编程语言可直接调用的软件例程或函数，便于学生自行组合出新的实验系统或拓展出新的应用创意。而附带的GPRS、LoRa、NB-IoT和PLC模块可脱离平台，用于沟通校园网、移动通信网和供电网，操控各种传感器和电器设备，学生用此即可直接创业或进一步创新，利用信息技术对传统产业进行改造和创新，因而也可作为基于各种物联网通信(有线/无线、公网/专网)模块的应用系统开发平台用于科研与开发。
         3)商业模式上，模块化设计不仅能使学校师生可根据实际需求更灵活地配置与更新所需的功能模块，更可以根据本平台所定义的总线结构自己设计相应的模块来替换平台原有的模块，从而不再只是本平台的用户，同时也可成为厂商，这样可望建立一种新的角色转换模式和新的生态，为创新创业与合作共赢提供一个更大的想象空间。
国家有哪些对口政策支持或导向？
    对普通教育，可与大学生科研训练计划SRTP、CDIO工程教育模式、卓越工程师教育培养计划、新工科建设、1+X证书、STEM/STEAM教育及教育版春雷计划等配合，从全日制本科的综合训练，一直下沉到普通中学和小学的实际操作等。
    对职业教育，可用于人社部物联网工程技术人员、物联网安装调试员、智能制造工程技术人员和工业互联网工程技术人员等新职业培训，推动具有辐射引领作用的高水平专业化产教融合实训基地建设，在院校启动学历证书+若干职业技能等级证书制度试点工作，实施职业院校教师素质提高计划等。   

现在的实验教学越来越借助于网上及VR/AR仿真，为什么还要开发这类实际动手操作类的实验产品？
    因为实操在许多领域不可或缺，仅以考驾照为例进行说明：
    首先是交规，无论是线上还是线下，自学即可，没问题；
    其次是基本驾驶技术，利用虚拟现实/增强现实(VR/AR)的模拟环境进行培训也的确能极大地降低培训成本，提高学习效率；
        最后是“临门一脚”的路考，如果不亲自驾车上路，那车管所断然不会给你发驾照的，因为线上和仿真只能解决应知，而实操才能解决应会！
        对于各种电类实验，应当同理。

如何适应多层次的实操教学？
        1)平台上配置了丰富的外设资源，例如用于指示状态、验证功能的发光二极管；用于仿真智慧城市路灯控制系统、电动机、风扇和传感器；用于与外界通信的串口、网口；用于显示输出的液晶显示屏；智慧城市路灯控制系统、智慧物联网技术、远程抄表系统、组网技术等。
        2)通过模块化的自定义总线小插板来提供硬件更新的灵活性与功能芯片的可扩展性。目前在数字处理器方面提供DSP和ARM系统，在模拟接口方面提供ADC/DAC，在通信和网络方面则从有线的LAN、RS-232C、RS-485及采用PLC跨接互联网和电源线，到借助无线公网的GPRS、NB-IoT和专网的LoRa等，意在通过不同数据传输方式扩展通信手段，增加多种接口类型丰富外设控制，提供独立模块便于学生集成创新。
 3)围绕这些硬件模块，随同该平台一并提供了丰富的基本实验和综合实验，用于学生综合素质的训练、培养和创新能力的提升、发挥。分为3个版本的综合实验讲义，分别用于高等院校、职业教育和普通中小学。3个版本的实验之间有些交集，但侧重点有所不同。
        4)按照教学知识点，目前能提供的配套实验在“普通中小学版”中，划分为基本电路实验、趣味科学实验与综合技术实验三大类；在“高等院校版”和“职业教育版”中，则划分为基本电路实验、基本处理器实验、基本接口与控制实验、基本通信实验、信号处理综合实验、物联网综合实验和嵌入式操作系统七大类。而软件的编程与实验内容则贯穿于其中。
5)在每类实验讲义中，为了解决众口难调，在每个实验的题目后面，都尝试用特殊符号来标识该实验的难度及其面向的对象。例如，在高等院校版中，标有“★”和“△”的实验分别用于本科和专科院校的学生，而标有“☆”的实验则都可以酌情选用；在普通中小学版中，标有“★”和“☆”的实验分别用于普通高中生和初中生，而标有“△”的实验可供小学老师选用。由于每个层级中都不乏特别有兴趣的学生，这样的标注仅供实验教学指导老师因材施教，也鼓励禀赋优异的学生通过向更高层级实验的冲击来挑战自我，丰富自己。反之，较高层级的学生也可以通过浏览较低层级的实验作为复习(或预习)，来巩固所学。
 6)在每个实验最后，给出了实验报告的基本内容和要求，供实验指导教师选择和参考。其中标“☆”的内容为较高的要求，用于指导教师拉开成绩的评分；而标“★”的内容则为难度最大(或综合知识最全面/动手能力最强)的内容，用于有兴趣的学生挑战，从而有助于发现综合能力强且具有工程素养的优秀人才。
    目前能够提供哪些配套实验？
        按照教学知识点，目前普通中小学版划分为基本电路实验、趣味科学实验与综合技术实验三大类；高等院校版和职业教育版则划分为基本电路实验、基本处理器实验、基本接口与控制实验、基本通信实验、信号处理综合实验、物联网综合实验和嵌入式操作系统七大类。而软件的编程与实验内容则贯穿于其中。
普通中小学版实验的内容与特点？
    内容较浅显，其中神奇的水果发电、电解液发电、压电蜂鸣器发声、迷你特斯拉线圈、无源和有源蜂鸣器、综合数理化知识的中和反应、噪声发电等实验其它版本中没有，呈现了电化学、电磁学、电声学等的学科常识，也针对普通中学的升学目标而综合融汇和复习巩固了数理化的基础知识。
    职业教育版实验的内容与特点？
    更注重实际动手，其中辨识常见的电子元器件、了解集成电路封装形式等不在高等院校版中出现，并附加了Python编程的内容。
    高等院校版实验的内容与特点？
    适当加大基本原理和设计分析的成分，即使是同名实验，也尤其注重在思考题中难度不同，在实验报告中也有所区分。

目前具体能提供哪七大类实验？
         1)基本电路实验：了解电容器、点亮小功率LED灯、熟悉简单复位电路、搭建短路保护电路、搭建晶体振荡器电路、搭建运算放大器电路等。
        2)基本处理器实验：搭建ARM最小系统、搭建DSP最小系统等。
        3)基本接口与控制实验：建立IAR开发环境、用ARM/DSP驱动LED跑马灯、熟悉LCD屏、操控矩阵键盘、用ARM控制继电器/电机、ADC/DAC、电压数据采集、用ARM/DSP产生PWM波形等。
        4)基本通信实验：RS-485串口读取传感数据、RS-232串口控制小风扇、通过以太网实现网上控制、电力载波通信、利用LoRa实现遥控、使用定向天线提升通信距离等。

     5)信号处理综合实验：独立的ADC/DAC模块、函数信号发生器、数字示波器、数字频谱仪等。
        6)物联网综合实验：直观认识传感器（温湿度、燃气等）、PLC路灯控制系统、GPRS遥测温湿度、低压电力线中继远程抄表、LoRa组网监测温湿度、NB-IoT监测大气数据、VB访问网络接口和控制外设、手机APP的开发与应用、异构网络(电力线、LAN和移动通信网)  组网、完整的物联网系统(包括手机APP和云端)等。
        7)嵌入式操作系统实验：EOS硬件板，以及用EOS重写的物联网实验。
        除了这些以硬件为主的实验，在软件编程等方面还涉及C、VB、Java、Python、Matlab等编程语言的操作实例。
适用范围？
         从职业技术学校、高职/二级学院、大专和本科院校均可选择，用于电子技术、通信工程、物联网、智能电网、智能建筑、智慧城市、计算机技术、自动控制、仪器仪表等各类涉电专业的大型实验和课程设计。
        普通中/小学实践技能教学和科学兴趣活动。
        各企业和培训机构也完全可从中有针对性地选择适合自己培训对象的教学实验内容，配合课程教学，完成对于职业培训更有意义的实操实训。
能够达到什么样的培养水平？
        1)整个教学实验平台、附带的物联网模块和配套的高等院校版或职业教育版教学实验，能够保证完成全部标有“★”的实验内容的师生，将能熟练掌握从传感器选型与接口、数据采集与处理、物联网通信与组网直到数据存储与管理(数据库和云端)、手机APP显示与监控的全过程，能够达到“物联网工程技术人员”和“物联网安装调试员”的“应知应会”要求，取得相应的职业技能等级证书，胜任企业的物联网开发、构建、安装、调试和维护的技术工作。

2)本实验平台与PC，与物联网模块、传感器和外设、电器之间可以组合出多种或不同的应用场景。为方便举一反三，提供了较丰富的底层函数、典型例程和应用示例，思维活跃的学生无需深究大型实验所涉及众多课程的知识体系，无需掌握平台硬件和物联网通信模块的基本原理，也无需精通所用开发环境的编程语言，即可基于所提供的物联网通信模块，选择、参照、调用甚至“模仿”这些例程和示例，构思并开发出自己的应用系统或产品，例如在下课路上即可用手机打开宿舍里的空调或热水器，从而迅速缩短开发过程，极大提高这些学生的创新热情和创业能力，以及自学掌握新课程和知识点的兴趣和动力。

对于实验室建设有什么好处？
        1)节省空间：平台外形小巧，放在计算机房的PC旁即可，无需占用新的实验室或实验台；
        2)可不断扩展：当有关部门或赞助企业组织针对特定芯片的电子设计大赛或创新应用竞赛时，无需再重购较昂贵的专用开发系统/开发板，而只需添置或自行开发一个更廉价的新的功能模块，因为至少电源、外壳等都无需再考虑了。
        从而真正可以一机多用，减少浪费，延长教学实验平台的使用年限，大幅节约专用教学设备和实验场地的投入。

合作共赢的生态如何建立？
        1)无论学校、企业或个人，只要所研发的硬件模块可插到平台底板的插座上(只需注意电源电压匹配)并提供相应的实验(至少一个)，即可搭载在该平台上一起推广；
        2)我们所编写的三个版本实验讲义都已有两三百页，课提供给各类合作学校的老师在其基础上拓展编写正式出版的教材/实验讲义，可授权独立署名或联合署名，出书后可随本平台一起销售并作为配套教材。
如何推广合作伙伴的产品并保护其知识产权？
        对于合作伙伴所开发的、能够搭载在本实验平台上的硬件模块和配套实验，我们只是将实验收入相应的实验讲义，并相应注明模块产品和实验的开发者的单位、姓名和联系方式，该成果或产品的所有知识产权和定价权以及相应的保护措施均完全属于开发者，感兴趣的用户可直接向开发者采购。我们不保留样品，也不生产该产品，只是负责建立一个共享的实验平台和共赢的创新生态。
    有无成功案例？
        广东中兴新支点技术有限公司的嵌入式操作系统。
  已有进展？
        中山大学电子与通信工程学院已采购36台该平台作为“电类综合实验箱”；中关村物联网产业联盟已确认该“电类专业综合实验箱”为职业培训课程“电类专业综合实验与创新平台培训课程”的配套实训设备。