电子信息与人工智能交叉型实验教学实践_林玉洁.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-11-23;修回日期:2022-05-23基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(62001030);北京理工大学校级实验室研究项目(2019BITSYA11)第一作者:林玉洁(1989)，女，博士，实验师，主要从事电子信息类实验的教学与研究工作，E-mail:linyujie bit edu cn电子信息与人工智能交叉型实验教学实践林玉洁石政远代贤乐(北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081)摘要:针对电子信息实验技术落后、拔尖创新人才培养受限、教学实验箱笨重不便问题，探索电子信息与人工智能交叉型实验教学改革。将人工智能前沿技术融入电子信息大类基础实验教学，设计基础验证性、综合设计性、开放探索性等层次化实验教学案例，自制 FPGA 综合应用实验教学平台。有效引导学生从填鸭式知识获取向主动探索转变，增强自主探索能力，契合“电子信息+人工智能”复合型人才培养目标。关键词:电子信息;人工智能;实验教学中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0176-04Practice of Cross Experiment Teaching of Electronic Informationand Artificial IntelligenceLIN YujieSHI ZhengyuanDAI Xianle(School of Information and Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)Abstract:A cross experimental teaching reform of electronic information and artificial intelligence is explored aiming at the prob-lems of backward electronic information experiment technology，limited cultivation of outstanding innovative，and heavy teachingexperiment devices The advanced technology of artificial intelligence is integrated into the basic experiment teaching of electronicinformation The hierarchical experimental teaching cases of basic verification，comprehensive design and open exploration aredesigned In addition，an experimental teaching platform for FPGA comprehensive application is designed he proposed experi-mental teaching reform can effectively lead students to change from the passive knowledge acquisition mode to the active explora-tion mode，enhance the ability of independent exploration，and meet the training objectives of“electronic information+artificialintelligence”Keywords:electronic information;artificial intelligence;experimental teaching教育部于 2018 年印发高等学校人工智能创新行动计划，强调要加快实施“卓越工程师教育培养计划”，积极开展“新工科”研究与实践，重视人工智能与其他学科专业教育的交叉融合，探索“人工智能+X”的人才培养模式。长期以来，电子信息基础实验教学普遍存在实验技术与前沿科技脱节1、拔尖创新人才培养受限2、教学实验箱笨重不便3 等问题。在此背景下，北京理工大学以面向前沿应用、跨学科融合、探究式教学为指导，设计了 FPGA 综合应用实验教学平台，电子信息实验教学衔接人工智能前沿应用，升级基础实验教学课程内容，构建面向“电子信息+人工智能”复合型拔尖创新人才培养目标的先进实验教学体系。1电子信息类基础实验教学现状北京理工大学电子信息类本科以培养能瞄准国际学术前沿、服务国家重大战略需求的工程科学家、总工程师等领军人才为目标，实行宽口径、厚基础的大类培养模式。然而，在电子信息大类基础实验教学过程中，存在以下问题:一是实验技术固定陈旧，与当前飞速发展的先进技术脱节。传统电路实验教学案例多年固定不变，更新滞后。而当前人工智能技术发展迅速，学生非常渴求实验课程与最新技术接轨。二是实验内容以基础验证性实验为主，拔尖创新人才培养受限。实验教学过程普遍采用“教师演示、学生重现”的教学模式4，以完成实验任务为导向，缺乏自主探究环节，无法适应不同层次学生水平。三是实验箱笨重不便，学生实验受实验室开放时间和场地限制。教学实验室难以做到全天开放，学生必须在有限的上课时间内在指定实验室内完成实验5，课外缺乏实验条件，教学灵活性差。2实验教学改革思路针对上述问题，北京理工大学国家级电工电子教学实验中心从实验技术、实验内容、实验设备三方面分别进行改革与探索，研究思路如图 1 所示:图 1实验教学改革思路在实验技术方面，针对当前电子信息类实验教学技术与前沿科技脱节问题，将人工智能前沿技术的典型应用案例不断充实到电子信息类专业的实践教学环节，丰富学生知识体系，调动学生求知积极性。在实验内容方面，针对拔尖创新人才培养受限问题，设计分层次、渐进式实验教学内容，涵盖基础验证性实验、综合设计性实验、开放探索性实验多种实验模块，适应不同能力层次学生创新实践需求。在实验设备方面，针对实验箱笨重不便导致实验受限问题，设计基于软硬件协同架构的 FPGA 综合应用实验平台，将实验箱装进“口袋”，学生随时随地可进行实验，提高实验灵活性。3实验教学平台在实验设备方面，自制 FPGA 综合应用实验平台基于软硬件协同架构，核心为 Xilinx Zynq7000系列型号为 XC7Z020-2CLG400I 的芯片，并搭载多种外部接口和设备，其体积仅为 220 mm 96 mm 45 mm，如图 2 所示，口袋实验室设计为学生实验提供了便利条件。平台核心 Zynq7000 系列芯片将双核 AM 和FPGA 可编程逻辑集成在一颗芯片上，分别为处理器系统部分(PS)和可编程逻辑部分(PL)，相互之间通过高速 AXI 总线实现高达数 Gbps 吞吐率的数据交互。处理器系统部分负责处理顺序执行的数据，基于 AM 双核 CortexA9 应用处理器，集成千兆以图 2自制 FPGA 综合应用实验平台外网口、S232 串口、FLASH 芯片、DD3 内存、用户按键和 LED 等外设;可编程逻辑部分负责并行高速数据流处理，采用 Artix-7 系列 FPGA，具有丰富的逻辑单元、查找表、触发器、AM 等逻辑资源，为方便学生进行程序调试口，USB 2 0 接口通过桥接芯片与 PL 部分相连。PS 部分利用 Vivado 开发工具进行 Verilog 硬件编程，PL 部分利用 SDK 开发工具进行 Python 软件编程，Python+FPGA 架构软硬件协同处理。4实验教学案例在实验教学内容方面，调整传统实验模块，跨学科交叉融合，实验课程衔接前沿应用，培养学生自主创新能力与实践能力。如表 1 所示，设计基础验证性实验、综合设计性实验、开放探索性实验三个层次，其中基础验证性实验注重知识应用、动手实践能力，综合设计性实验注重融会贯通、总体分析能力，开放探索性实验注重创新思维、科学研究能力。表 1分层次渐进式实验内容实验层次教学路线案例名称基础验证性实验 知识应用、动手实践电子秒表实验、基于处理器系统(PS)端的串口通信实验综合设计性实验 融会贯通、总体分析语音控制信号检测与解析实验、信号发生器实验开放探索性实验 创新思维、科学研究基于计算机视觉处理的图像与动态视频人脸检测实验、图像边缘检测实验4 1基础验证性实验教学案例:电子秒表实验电子秒表实验通过 6 位 8 段共阳极数码管实现电子秒表功能:初始化 6 位数码管均 显 示“00 00 00”;前两位数码管显示“分”，显示数值范围:00 59，最小计时间隔:1 min;中间两位数码管771第 3 期林玉洁，等:电子信息与人工智能交叉型实验教学实践显示“秒”，显示数值范围:00 59，最小计时间隔:1 秒;最后两位数码管显示“毫秒”，显示数值范围:00 99，最小计时间隔:10 毫秒。对于共阳极数码管，当某一字段对应引脚为低电平时，相应字段被点亮，当某一字段对应引脚为高电平时，相应字段不亮。当电子秒表计时到设定时间时，将进行LED 灯闪烁提示。该设定时间由处理器系统(PS)端的串口进行控制，为后续交叉实验打下基础。数码管扫描基于动态扫描显示原理，利用人眼视觉暂留效应、发光二极管余辉效应，从左到右逐一点亮数码管。尽管各位数码管实际上并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，人眼看起来是一组稳定数据6。若扫描频率过低，显示会发生闪烁现象;扫描频率过高，则亮度较差且占用不必要的硬件资源。电子秒表实验教学案例时序如图 3所示，在系统工作时钟的驱动下，计数器 1 从 0 计到 K(K=50000)，继而得到使能信号，计数器 2 根据上述使能信号高电平对数码管进行逐位扫描，其片选信号为低电平有效，段选信号用于控制 8 段共阳极数码管显示字段。图 3电子秒表实验教学案例时序4 2综合设计性实验教学案例:信号发生器实验信号发生器作为一种为电子测量工作提供各种制式电信号的设备，是电子工程师在电子产品研发时的必备工具。本实验采用数字实现方式，具有可靠性强、频率幅度分辨率高、用户自定义功能强等优势7。FPGA 综合应用实验平台与主控计算机之间基于异步串行通信协议 UAT(UniversalAsynchronous eceiver-Transmitter)进行参数控制、状态反馈，其物理接口为串口。用户通过语音选择输出信号的类型与参数，并通过 UAT 帧传输给FPGA 综合应用实验平台。实验平台作为下位机从上位机传输的 UAT 帧结构中解析信号的类型、幅度、频率等控制参数8 9，支持信号类型包括:基础测量信号(正弦波、方波、锯齿波、三角波)、通信调制信号(幅移键控信号、频移键控信号、相移键控信号)，以及用户自定义波形。图 4为 FPGA 综合应用实验平台输出的二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)信号。图 4本实验平台输出 BPSK 波形4 3开放探索性实验教学案例:人脸检测实验人脸检测技术是指根据原始输入图像，确定图像中人脸位置、大小和数量等信息的过程，广泛应用于安防系统、监控系统、图像检索等领域。人脸检测是人脸识别之前的重要步骤，准确、快速的人脸检测是人脸识别的前提和关键，其检测速度和准确度直接影响识别系统的整体性能10。卷积神经网络11 通过分层体系结构对大量可用性数据进行训练以提取具有极强视觉表达能力和区分度的局部和整体特征，基于深度学习算法的人脸检测技术取得了快速发展。本实验的核心为 FPGA 综合应用实验平台，摄像头将采集到的动态人脸视频信息通过 Jupyter 软件调用 OpenCV 视觉库12，进行图像