面向電氣專業(yè)的大學(xué)生綜合實(shí)踐課教學(xué)設(shè)計(jì)

【摘要】面向電氣專業(yè)，開設(shè)“機(jī)器人實(shí)踐課”，作為綜合性實(shí)踐課，加強(qiáng)了各課程的聯(lián)系性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。采用建構(gòu)主義教學(xué)理論，提出了課程的情境設(shè)計(jì)方法和具體設(shè)計(jì)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立探索，完成知識(shí)體系的構(gòu)建，并取得良好教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論；機(jī)器人；嵌入式系統(tǒng)；學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097（2011）02—0144—05

引言

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)大學(xué)教學(xué)一直以知識(shí)為本位，在知識(shí)傳授過程中，教師起主體作用，學(xué)生則被動(dòng)接受知識(shí)，大學(xué)教學(xué)重知識(shí)輕能力、重共性輕個(gè)性、重灌輸輕引導(dǎo)。在這種師生授受教學(xué)模式中，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和獨(dú)立性不強(qiáng)，沒有探索知識(shí)提高創(chuàng)新能力的意識(shí)，容易造成學(xué)習(xí)目的性不明確，知識(shí)掌握片面，面對(duì)具體問題時(shí)無(wú)法靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)給予解決。對(duì)此，很多研究者提出以學(xué)生為主體的教學(xué)觀，將學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)的容器變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)的探索者，積極運(yùn)用主體教學(xué)原則，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，以問題驅(qū)動(dòng)式引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)嘗試性解決所面對(duì)的問題，通過學(xué)生自身的主動(dòng)學(xué)習(xí)和探索進(jìn)行知識(shí)的內(nèi)化。

在以學(xué)生為主體的教學(xué)思潮中，構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論最有影響力。該理論最早由心理學(xué)家皮亞杰（J. Piaget）在研究?jī)和J(rèn)知發(fā)展的基礎(chǔ)上提出來(lái)的，其核心內(nèi)容強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和對(duì)所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)。隨著現(xiàn)代教育技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，建構(gòu)主義所要求各要素可得到滿足，這促使建構(gòu)主義理論日益與廣大教師的教學(xué)實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)校深化教學(xué)改革的指導(dǎo)思想。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論雖然在中小學(xué)教育中得到廣泛接納，然而，在高校實(shí)際教學(xué)中，受教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃（課時(shí)）和教材所限制，理論課程在授課方式上主要以“教”為主，教學(xué)模式依然以教師為中心，與建構(gòu)主義思想有一定出入。并且在很多情況下是大班教學(xué)，若完全采用以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)過程，一則由于學(xué)生學(xué)習(xí)差異性超出預(yù)期，在教學(xué)時(shí)間上把握難度大，無(wú)法控制教學(xué)進(jìn)度；二則在大班教學(xué)下，學(xué)生數(shù)量多，無(wú)法在兩節(jié)課的時(shí)間里良好把握個(gè)體的學(xué)習(xí)情況。對(duì)此，理論教學(xué)以教師“教”為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生“學(xué)”為主，是當(dāng)前高校中普遍采用的教學(xué)方式。因此，可在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，采用建構(gòu)主義教學(xué)理論，積極把握“情境”、“協(xié)作”、“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”四大學(xué)習(xí)要素，以取得良好教學(xué)效果。

雖然在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)能較好地發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)能動(dòng)性，但對(duì)于具體一門實(shí)驗(yàn)課，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)內(nèi)容安排上是圍繞對(duì)應(yīng)課程設(shè)計(jì)的，往往缺乏課程之間的聯(lián)系性，在教學(xué)效果上，學(xué)生對(duì)知識(shí)的把握仍然具有很大的狹隘性，無(wú)法將以前所學(xué)的相關(guān)課程聯(lián)系起來(lái)，當(dāng)面對(duì)實(shí)際問題時(shí)，依然無(wú)法運(yùn)用所學(xué)知識(shí)靈活解決，導(dǎo)致人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)仍然達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。對(duì)此，開展大學(xué)生課外科技活動(dòng)，是加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高創(chuàng)新能力的有效途徑之一，如“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、ACM大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽、大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人比賽等進(jìn)一步推動(dòng)學(xué)生課外科技活動(dòng)的開展，并在相關(guān)領(lǐng)域培養(yǎng)了大批高層次人才。在這些課外科技活動(dòng)中，凡面向競(jìng)賽的，其參與者是選拔出來(lái)的，這些學(xué)生在相應(yīng)學(xué)科都是拔尖者，且只占了在校生中一小部分，導(dǎo)致人才培養(yǎng)理念和培養(yǎng)模式仍然停留在精英教育階段0。而我國(guó)高等教育已經(jīng)進(jìn)入大眾化階段，在培養(yǎng)精英的同時(shí)，亦須考慮開設(shè)面向大眾的綜合性實(shí)踐課，以提升教學(xué)效果。

本文針對(duì)電氣專業(yè)，研究“機(jī)器人實(shí)踐課”的教學(xué)設(shè)計(jì)方法，根據(jù)前導(dǎo)課程特點(diǎn)，提出若干綜合性的“情境設(shè)計(jì)”方案，在保證情境的生動(dòng)性和豐富性的同時(shí)，也加強(qiáng)了電氣專業(yè)相關(guān)課程之間的聯(lián)系性，有利于學(xué)生通過主動(dòng)學(xué)習(xí)和獨(dú)立探索完成意義構(gòu)建和知識(shí)體系的重構(gòu)升華。

一 “機(jī)器人實(shí)踐課”與其它課程的關(guān)聯(lián)性

“機(jī)器人實(shí)踐課”面向電氣信息類專業(yè)開設(shè)，與其它課程的關(guān)聯(lián)性如圖1所示，通過運(yùn)動(dòng)控制，可關(guān)聯(lián)到《大學(xué)物理》、《高等代數(shù)》和《自動(dòng)控制原理》等課程；通過系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)，可關(guān)聯(lián)到《數(shù)字電路》、《模擬電路》、《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》、《信號(hào)與系統(tǒng)》、《嵌入式系統(tǒng)》和《程序設(shè)計(jì)》等課程。在學(xué)習(xí)過程中，“同化”是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的量變，“順應(yīng)”是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的質(zhì)變。學(xué)習(xí)不是簡(jiǎn)單的信息積累，而是包含新舊知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的沖突和雙向的相互作用過程，以及由此引發(fā)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重組。學(xué)生在接觸機(jī)器人之前，學(xué)過圖1所關(guān)聯(lián)的課程，然而他們對(duì)課程中的大部分知識(shí)停留在模糊的認(rèn)知階段，無(wú)法將其內(nèi)化為自己的知識(shí)，并且可能隨著時(shí)間的遷移逐漸遺忘。在“機(jī)器人實(shí)踐課”上，通過合理的內(nèi)容編排，可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的相關(guān)課程知識(shí)解決所遇問題，加深學(xué)生對(duì)相應(yīng)課程的理解和相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用，使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中完成認(rèn)知結(jié)構(gòu)的“同化”—“順應(yīng)”—“同化”—“順應(yīng)”的循環(huán)往復(fù)過程，最終達(dá)到知識(shí)的構(gòu)建。

二 課程“情境設(shè)計(jì)”

在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中，“情境”、“協(xié)作”、“會(huì)話”和“意義構(gòu)建”是學(xué)習(xí)環(huán)境的四大要素。建構(gòu)主義提倡在教師的指導(dǎo)下，以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)，在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，既強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知主體作用，又不能忽視教師的指導(dǎo)作用，教師是意義構(gòu)建的幫助者和促進(jìn)者。從教師的角度看，“情境創(chuàng)設(shè)”是最重要的內(nèi)容之一，只有創(chuàng)設(shè)了有利于學(xué)生建構(gòu)意義的情境，學(xué)生才能圍繞該情境，通過獨(dú)立研究和“協(xié)作”、“會(huì)話”的合作方式進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)，最終經(jīng)過內(nèi)化完成知識(shí)的“意義構(gòu)建”。針對(duì)教學(xué)機(jī)器人，其情境創(chuàng)設(shè)可通過設(shè)定相應(yīng)的實(shí)踐任務(wù)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)式方式完成學(xué)習(xí)內(nèi)容。

教師在情境創(chuàng)設(shè)過程中，要成為學(xué)生構(gòu)建知識(shí)的幫助者和引導(dǎo)者，在具體問題上，可向?qū)W生提供新舊知識(shí)之間聯(lián)系的線索，并組織協(xié)助學(xué)習(xí)，展開討論和交流，使之朝有利于意義構(gòu)建的方向發(fā)展。

針對(duì)教學(xué)機(jī)器人，可做以下情境構(gòu)建：紅外尋跡測(cè)量；超聲測(cè)距；磁導(dǎo)尋軌設(shè)計(jì)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測(cè)速與控制；尋軌運(yùn)動(dòng)控制。

1 紅外尋跡測(cè)量情境設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)不同顏色對(duì)光反射性能差異原理，采用TCRT5000反射式紅外對(duì)管對(duì)黑色電工膠布粘成的尋跡線進(jìn)行測(cè)量，由于黑色物相比其他顏色對(duì)光的反射性要差，接收管在黑色尋跡線上接收的紅外光比其它背景區(qū)要弱，導(dǎo)致其感應(yīng)的電流減小，在接收管上串聯(lián)適當(dāng)阻值電阻，可將感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換成電壓，進(jìn)而根據(jù)電壓的不同可將尋跡線與背景區(qū)分出來(lái)。

問題設(shè)計(jì)：1）紅外發(fā)射管的供電電流會(huì)影響檢測(cè)距離、接收管的感應(yīng)電流，如何串聯(lián)合適的限流電阻取得良好的測(cè)量效果；2）接收管的感應(yīng)電流通過串聯(lián)接收電阻實(shí)現(xiàn)電流向電壓的轉(zhuǎn)換，如何選取恰當(dāng)?shù)慕邮针娮瑁?）紅外尋跡測(cè)量信號(hào)最后可處理成“0”-“1”的邏輯信號(hào)（可通過調(diào)節(jié)恰當(dāng)?shù)陌l(fā)射管串聯(lián)電阻、接收管電阻或采用電壓比較器實(shí)現(xiàn)）表示探頭是否在尋跡線上，也可直接用AD（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換）方式將感應(yīng)電流信號(hào)作為模擬信號(hào)進(jìn)行處理，并通過軟件設(shè)置閥值來(lái)判斷探頭是否在尋跡線上，通過實(shí)踐比較數(shù)字處理方式和模擬處理方式的優(yōu)劣勢(shì)。

在教學(xué)目的上，該實(shí)踐課的目的是讓學(xué)生通過主動(dòng)搜集并分析相關(guān)的資料，運(yùn)用探索法，去了解紅外光的反射特性并掌握相關(guān)測(cè)量手段，進(jìn)而在實(shí)踐過程中對(duì)二極管、三極管、電壓比較器、等效電阻、戴維寧等效電路等模擬電路以及單片機(jī)的數(shù)字輸入、模擬輸入等相關(guān)知識(shí)有重新的認(rèn)識(shí)和提高。

2 超聲測(cè)距情境設(shè)計(jì)

在機(jī)器人實(shí)踐中，超聲測(cè)距主要用于移動(dòng)機(jī)器人避障。超聲測(cè)距的實(shí)驗(yàn)原理為：超聲發(fā)射器發(fā)射若干個(gè)40KHZ超聲波，接收器接收到回波經(jīng)濾波、放大和比較器后將信號(hào)調(diào)理成“0”—“1”信號(hào)，單片機(jī)測(cè)量發(fā)送波與接收波之間的時(shí)間差，再根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度可計(jì)算出距離。在該情境設(shè)計(jì)中涉及的關(guān)聯(lián)課程有《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》、《模擬電路》、《嵌入式系統(tǒng)》和《程序設(shè)計(jì)》。

問題設(shè)計(jì)：1）超聲波在空氣中的傳播特性；2）超聲傳感器的方向性；3）超聲測(cè)距的具體實(shí)現(xiàn)。

超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，并且具有較強(qiáng)的方向性，方位角大小由傳感器本身特性決定。由方位角特性引導(dǎo)學(xué)生對(duì)超聲傳感器安裝高度進(jìn)行思考，通過兩種不同方位角的超聲傳感器的實(shí)際測(cè)量效果，讓學(xué)生明白大方位角的超聲傳感需要較高的安裝高度才能避免地面的反射影響，并結(jié)合方位角特性和避障距離，讓學(xué)生建立模型計(jì)算安裝高度。經(jīng)過這兩個(gè)環(huán)節(jié)后，學(xué)生對(duì)超聲波的特性比較了解，尤其是對(duì)方位角概念會(huì)有比較具體的認(rèn)識(shí)，此時(shí)可穿插市場(chǎng)價(jià)格信息，讓學(xué)生搜索不同方位角傳感器的價(jià)格，并從中把握性能和價(jià)格的平衡點(diǎn)，培養(yǎng)工程意識(shí)。在超聲測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，主要測(cè)量超聲發(fā)送波與回波之間的時(shí)間差，再根據(jù)聲速即可求得距離。在程序編程環(huán)節(jié)，著重中斷程序處理及中斷延遲補(bǔ)償、結(jié)構(gòu)體與聯(lián)合體配合使用對(duì)8位/16位/32位數(shù)據(jù)混合操作，PCA捕捉等，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求引入新技術(shù)，提高學(xué)生對(duì)其接受度。經(jīng)過這個(gè)過程，學(xué)生經(jīng)歷憑自己的知識(shí)體系提出問題的解決方案（較自信階段），解決方案缺陷逐個(gè)暴露并找不到合適的處理方法（陷入思考和迷茫階段），獲得新的線索和新的解決方案（重拾自信和成功喜悅階段）。在知識(shí)結(jié)構(gòu)上，則整個(gè)學(xué)習(xí)過程經(jīng)歷“平衡—不平衡—新的平衡”的循環(huán)，并在該循環(huán)中得到不斷的豐富、提高和發(fā)展。

3 磁導(dǎo)尋軌情境設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)原理：在導(dǎo)線上一定頻率的交變電流會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，通過電感感應(yīng)這交變磁場(chǎng)，并通過帶通濾波器和放大器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理，最后經(jīng)過檢波器將交變信號(hào)轉(zhuǎn)成直流信號(hào)供單片機(jī)AD采樣。導(dǎo)線上的交變電流一般選取20KHZ，通過帶通濾波器測(cè)量該特定頻率的交變磁場(chǎng)，可克服地球的永恒磁場(chǎng)、周邊電器產(chǎn)生的50HZ磁場(chǎng)等干擾，并且感應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和導(dǎo)線與傳感器的偏離距離呈單調(diào)關(guān)系，由此可測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人與尋軌導(dǎo)線的偏移信息。

問題設(shè)計(jì)：1）無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線上通交變電流在空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布模型分析；2）如何測(cè)量磁場(chǎng)；3）檢測(cè)干擾分析；4）測(cè)量電路原理分析；5）有限長(zhǎng)彎曲導(dǎo)線通電電流在空間中的磁場(chǎng)分布模型分析及測(cè)量改進(jìn)措施。

維果斯基（Vygotsky）對(duì)知識(shí)層次進(jìn)行研究，提出社會(huì)發(fā)展理論，認(rèn)為個(gè)體的發(fā)展具有兩種水平：現(xiàn)實(shí)的發(fā)展水平和潛在的發(fā)展水平，現(xiàn)實(shí)的發(fā)展水平是個(gè)體獨(dú)立活動(dòng)所能達(dá)到的水平，而潛在的發(fā)展水平是指?jìng)€(gè)體在教師或其他個(gè)體的幫助下所能達(dá)到的水平，在這兩種水平之間的區(qū)域即為“最近發(fā)展區(qū)”（ZPD：Zone of Proximal Development）。在教學(xué)活動(dòng)中，教師應(yīng)把握學(xué)生的知識(shí)水平，合理設(shè)計(jì)問題，使得學(xué)生朝最近發(fā)展區(qū)提升知識(shí)，若問題過難，超越學(xué)生知識(shí)層次太多，可能會(huì)引起他們的知識(shí)混淆，降低學(xué)習(xí)興趣，或者死記硬背，生搬硬套，喪失創(chuàng)新性。

磁導(dǎo)尋軌測(cè)量具有一定的難度，在情境設(shè)計(jì)上，若一步到位直接給出最終的設(shè)計(jì)方案，與學(xué)生的知識(shí)體系有較大的距離，使得學(xué)生無(wú)法通過自主學(xué)習(xí)很好地進(jìn)行內(nèi)化。對(duì)此，磁導(dǎo)尋軌在問題設(shè)計(jì)上運(yùn)用了維果斯基ZPD理論，從簡(jiǎn)化模型入手，循序漸進(jìn)，步步引導(dǎo)。對(duì)通電導(dǎo)線的空間磁場(chǎng)分布，可先假設(shè)導(dǎo)線為無(wú)限長(zhǎng)，引導(dǎo)學(xué)生查閱《大學(xué)物理》中的安培環(huán)路定理，得出傳感器與軌跡導(dǎo)線偏移距離與磁場(chǎng)的關(guān)系，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生采用法拉第電磁感應(yīng)定律，得到電感（傳感器）上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與交變磁場(chǎng)的關(guān)系，經(jīng)過這兩個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生逐漸體會(huì)到《大學(xué)物理》與現(xiàn)實(shí)問題的聯(lián)系，并對(duì)傳感器與軌跡導(dǎo)線之間的距離與感應(yīng)信號(hào)有一定的理性認(rèn)識(shí)。若導(dǎo)線的通電電流是20KHZ的交變信號(hào)，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是20KHZ的交變信號(hào)，但該信號(hào)很微弱，且夾雜著50HZ的工頻干擾。對(duì)該信號(hào)測(cè)量，可在電感檢測(cè)單元上串聯(lián)電容，形成諧振電路，再在后繼電路中通過三極管進(jìn)行放大處理，進(jìn)而經(jīng)過檢波二極管和電容將交變信號(hào)變成直流信號(hào)。在該環(huán)節(jié)中涉及《模擬電路》、《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》、《信號(hào)與系統(tǒng)》等相關(guān)知識(shí)，著重引導(dǎo)學(xué)生對(duì)頻域分析、三極管穩(wěn)態(tài)電路與小信號(hào)模型的分析、信號(hào)檢波等知識(shí)的深入理解，并讓學(xué)生通過Multisim等仿真軟件進(jìn)行電路仿真后再進(jìn)行實(shí)物制作，使學(xué)生養(yǎng)成通過原理分析—>仿真驗(yàn)證—>解決問題的工程思維習(xí)慣。學(xué)生做出原型后，指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生往提高精度方向提升，推翻原來(lái)的無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線假設(shè)，針對(duì)實(shí)際中有限長(zhǎng)且可能彎曲的導(dǎo)線，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用畢奧-薩伐爾定律及有限元進(jìn)行分析，并在測(cè)量環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，減少非線性放大失真度。經(jīng)過這些環(huán)節(jié)后，學(xué)生將以前所學(xué)的課程知識(shí)與當(dāng)前問題充分聯(lián)系起來(lái)，把抽象的知識(shí)的具體化，并且在處理問題的過程中，會(huì)出現(xiàn)多次從不同角度涉及相同的知識(shí)，使學(xué)生對(duì)該知識(shí)形成比較全面、正確的理解，知識(shí)層次上由現(xiàn)有模糊生硬的理解向潛在層次提升，通過量能的積累進(jìn)而實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破。

4 電機(jī)測(cè)速、驅(qū)動(dòng)與控制情境設(shè)計(jì)

電機(jī)測(cè)速、驅(qū)動(dòng)與控制包含了傳感器、執(zhí)行器和控制器，是閉環(huán)控制系統(tǒng)的必要組成部分，該情境對(duì)自動(dòng)化、電氣類專業(yè)學(xué)生加深《自動(dòng)控制原理》課程理解和實(shí)踐具有非常大的作用，而測(cè)速、驅(qū)動(dòng)和控制的具體實(shí)現(xiàn)又與《數(shù)字電路》、《電機(jī)與拖動(dòng)》、《嵌入式系統(tǒng)》和《程序設(shè)計(jì)》等課程具有很強(qiáng)的聯(lián)系性。

電機(jī)測(cè)速視傳感器而定，目前本教學(xué)實(shí)踐中采用兩種傳感器：1）單路光電碼盤；2）雙路正交光電碼盤。前者成本低廉，并且可自制反射式光電碼盤；后者具有一定加工精度要求。對(duì)于多數(shù)單片機(jī)，沒有雙路正交碼盤接口，需采用數(shù)字電路設(shè)計(jì)思想進(jìn)行倍頻和方向判斷，而該環(huán)節(jié)正好可用到《數(shù)字電路》相關(guān)知識(shí)。以往，學(xué)生學(xué)完《數(shù)字電路》往往只停留在意識(shí)層次，并無(wú)法與現(xiàn)實(shí)問題結(jié)合起來(lái)并靈活運(yùn)用該課程思想進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。雙路碼盤的倍頻和測(cè)向提供了很好的應(yīng)用情境，使學(xué)生對(duì)《數(shù)字電路》有重新的認(rèn)識(shí)，并在該解決過程中通過獨(dú)立思考去發(fā)現(xiàn)雙路碼盤相比單路碼盤的優(yōu)勢(shì)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM方式驅(qū)動(dòng)，電流放大芯片有達(dá)林頓三極管、MOS管等。在該環(huán)節(jié)主要設(shè)計(jì)3個(gè)問題：1）PWM的頻率與驅(qū)動(dòng)噪聲；2）PWM的占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系；3）驅(qū)動(dòng)能效和驅(qū)動(dòng)芯片的散熱控制。PWM驅(qū)動(dòng)頻率在音頻范圍內(nèi)，尤其是在1KHZ至8KHZ之間會(huì)使電機(jī)發(fā)出音頻噪音，指導(dǎo)學(xué)生利用PCA時(shí)鐘或系統(tǒng)時(shí)鐘改變PWM頻率，通過實(shí)際驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象探討噪音的產(chǎn)生機(jī)理和消除方法。PWM占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速需從S域變換和瞬態(tài)響應(yīng)去分析，將電機(jī)等效為電感與電阻的串聯(lián)模型，通過瞬態(tài)響應(yīng)曲線，使學(xué)生明白占空比與電機(jī)平均電流的關(guān)系，另一方面電機(jī)電流與電動(dòng)力矩及轉(zhuǎn)速構(gòu)成微分方程關(guān)系，與《高等代數(shù)》、《大學(xué)物理》具有聯(lián)系，可用這些課程的相關(guān)內(nèi)容作為鋪墊，逐步加深引入正題。驅(qū)動(dòng)能效和驅(qū)動(dòng)芯片散熱問題從《模擬電路》對(duì)三極管和MOS管的介紹知識(shí)出發(fā)，抓住三極管VCE壓降及MOS管內(nèi)阻對(duì)驅(qū)動(dòng)管能效及發(fā)熱的影響，通過開關(guān)管換流時(shí)的瞬態(tài)特性進(jìn)一步讓學(xué)生討論提高PWM頻率對(duì)能效降低及增加驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)熱量的影響，使其靈活掌握PWM頻率平衡設(shè)計(jì)的機(jī)理。整個(gè)內(nèi)容在設(shè)計(jì)上遵循維果斯基的ZPD學(xué)習(xí)理論，循序漸進(jìn)的問題設(shè)計(jì)可防止由于問題突然加難，打破學(xué)生個(gè)體的知識(shí)結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化和創(chuàng)新性培養(yǎng)。

電機(jī)控制采用PID控制，通過該環(huán)節(jié)使學(xué)生對(duì)經(jīng)典控制回路的反饋、執(zhí)行和控制三個(gè)環(huán)節(jié)有更具體的理解。《自動(dòng)控制原理》用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述，比較抽象，以往大多學(xué)生由于沒有經(jīng)歷實(shí)際應(yīng)用，對(duì)該課程理解較差，無(wú)法活用相關(guān)知識(shí)。在電機(jī)控制中，首先遇到的是建模，本實(shí)踐課向?qū)W生介紹基于信號(hào)激勵(lì)的黑箱建模和基于機(jī)理的白箱建模。黑箱建模的激勵(lì)信號(hào)采用階越響應(yīng)信號(hào)，電機(jī)的響應(yīng)速度經(jīng)碼盤測(cè)量后由UART傳送到PC端，由Matlab繪制響應(yīng)曲線，并引導(dǎo)學(xué)生用《自動(dòng)控制原理》中的經(jīng)典控制理論知識(shí)獲取動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而以該黑箱模型為對(duì)象，讓學(xué)生設(shè)計(jì)P（比例）控制器，運(yùn)用勞斯判據(jù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而用PID的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)計(jì)，并將連續(xù)模型轉(zhuǎn)成離散模型在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)PID控制算法。白箱建模則利用電機(jī)的電感-電阻等效模型以及力學(xué)分析，建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，此時(shí)對(duì)電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)再通過辨識(shí)的方法進(jìn)行估計(jì)，在辨識(shí)環(huán)節(jié)又可引入最小二乘法、隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)等知識(shí)，加強(qiáng)了學(xué)生的工程意識(shí)。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片上，我們采用帶電流反饋的MC33887，使控制系統(tǒng)能獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)電流，進(jìn)而可用狀態(tài)空間方法進(jìn)行描述，在此環(huán)節(jié)可讓學(xué)生用能控性判斷—極點(diǎn)配置等環(huán)節(jié)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，之后再將電流測(cè)量環(huán)節(jié)去掉，讓學(xué)生用能觀性判斷—觀測(cè)器設(shè)計(jì)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，并將估計(jì)結(jié)果與電流真實(shí)測(cè)量值進(jìn)行比較。這些環(huán)節(jié)能貫穿《自動(dòng)控制原理》的核心知識(shí)點(diǎn)，經(jīng)過這些實(shí)踐之后，學(xué)生對(duì)經(jīng)典控制、PID控制、系統(tǒng)辨識(shí)、能控性、能觀性、極點(diǎn)配置、觀測(cè)器設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)有比較感性的認(rèn)識(shí)，將抽象的知識(shí)具體化。

5 尋軌運(yùn)動(dòng)控制情境設(shè)計(jì)

尋軌運(yùn)動(dòng)控制是機(jī)器人實(shí)踐課的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)。在該環(huán)節(jié)中，我們?cè)黾恿藷o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，把機(jī)器人的尋軌傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息通過無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)傳至PC端，并在PC端采用Labview進(jìn)行圖形化編程，實(shí)現(xiàn)尋軌運(yùn)動(dòng)控制。在本實(shí)踐中，受學(xué)生所學(xué)知識(shí)限制，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的編程由指導(dǎo)教師完成，并提供UART通訊接口，學(xué)生只需按規(guī)定的協(xié)議讀寫UART信息即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與PC機(jī)的信息交互。Labview提供串口的Visa以及一系列的控制與仿真圖形模塊，學(xué)生在Labview下完成機(jī)器人檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的圖形化顯示以及控制指令的發(fā)送。

尋軌運(yùn)動(dòng)控制可用競(jìng)賽的形式組織，我們受Freescale賽車競(jìng)賽啟發(fā)，擬定以下兩種形式：1）機(jī)器人的自主尋軌競(jìng)賽，給定地形，由出發(fā)地到目的地，時(shí)間最少者勝出；2）手動(dòng)操縱賽，隊(duì)員只能看PC端機(jī)器人回傳數(shù)據(jù)（不能看機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況），控制機(jī)器人從出發(fā)地到目的地，時(shí)間最少者勝出。兩種比賽中，機(jī)器人完全偏離軌跡線則直接被淘汰，尋軌技術(shù)則分成光電尋軌和磁導(dǎo)尋軌，并分開比賽。目的地前方設(shè)一障礙物，要求在距障礙物50cm以內(nèi)有報(bào)警信息（通過超聲避障傳感器檢測(cè)避障信息）。

通過該情境設(shè)計(jì)，學(xué)生能將前四個(gè)情境的內(nèi)容貫穿起來(lái)，進(jìn)行二次消化吸收。前四次的情境，指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生情況會(huì)給予較大的幫助，但在綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)則需要學(xué)生自主完成，有利于學(xué)生完成整個(gè)知識(shí)體系的構(gòu)建。

三 具體教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

在教學(xué)過程中，可按如下環(huán)節(jié)展開：1）搜索資料；2）分組討論及方案設(shè)計(jì)；3）方案實(shí)現(xiàn)；4）交流與方案改進(jìn)；5）總結(jié)與歸納。教學(xué)環(huán)節(jié)中包含了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的“協(xié)作”、“會(huì)話”和“意義構(gòu)建”，通過學(xué)生的自主探索與發(fā)現(xiàn)，以及協(xié)作交流完成特定知識(shí)的意義構(gòu)建。

1 搜索資料

指導(dǎo)教師向?qū)W生介紹相關(guān)的常用資源網(wǎng)站和搜索資料手段，并讓學(xué)生自行搜索相關(guān)資料。尤其是廠商提供的英文數(shù)據(jù)手冊(cè)資料，鼓勵(lì)學(xué)生閱并找出關(guān)鍵信息。在工程應(yīng)用中，相關(guān)的芯片及傳感器往往只能找到廠商提供的英文資料，學(xué)生往往對(duì)這些資料具有較大的畏懼心理，不知如何從中尋找與項(xiàng)目相關(guān)的關(guān)鍵信息資料。經(jīng)過該環(huán)節(jié)后，能培養(yǎng)學(xué)生搜索資料和查閱關(guān)鍵信息的能力，為自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件。

2 分組討論及方案設(shè)計(jì)

根據(jù)學(xué)生的自主組隊(duì)原則，將學(xué)生分成若干組，各組成員針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合所搜索的資料，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。通過成員間的討論，有利于培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。在分組討論之后，可適時(shí)開展方案設(shè)計(jì)交流，指導(dǎo)老師對(duì)學(xué)生的方案宜持多鼓勵(lì)少打擊的態(tài)度，以保持學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)興趣。對(duì)不可行的方案，給予詳細(xì)的論證，適時(shí)地給予否定，但對(duì)固執(zhí)的學(xué)生，可讓他們先堅(jiān)持自己的方案，在遇到瓶頸時(shí)再給予詳細(xì)解說其不可行性。

3 方案實(shí)現(xiàn)

方案實(shí)現(xiàn)是自主學(xué)習(xí)的重要過程。在機(jī)器人實(shí)踐中涉及電路仿真、電路焊接、電路調(diào)試、單片機(jī)程序開發(fā)、Matlab仿真等內(nèi)容，在這些實(shí)踐環(huán)節(jié)，有利于學(xué)生將其他相關(guān)課程知識(shí)與當(dāng)前問題聯(lián)系起來(lái)，在方案實(shí)現(xiàn)過程中構(gòu)建知識(shí)體系。

4 交流與方案改進(jìn)

若各組是通過獨(dú)立探索進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，則各組在方案實(shí)現(xiàn)上必然存在一定的差異性。指導(dǎo)教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)方案實(shí)現(xiàn)的多樣性，這是提高人才創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。由于各組的方案實(shí)施進(jìn)度不一致，在方案提出與方案實(shí)現(xiàn)之間可根據(jù)具體任務(wù)設(shè)置一個(gè)期限時(shí)間（往往是三天至一周的時(shí)間），讓學(xué)生充分利用課外時(shí)間進(jìn)行方案實(shí)施。各組方案實(shí)現(xiàn)后的討論是借助集體力量實(shí)現(xiàn)知識(shí)飛躍的重要環(huán)節(jié)，討論的結(jié)果可使原本復(fù)雜的問題明朗一致起來(lái)，并且各組通過對(duì)方案實(shí)施過程中所遇的問題以及解決方式進(jìn)行充分交流，能在共享集體思維成果的基礎(chǔ)上逐漸形成全面、正確的意義構(gòu)建。各組通過交流，能發(fā)現(xiàn)自身方案的缺陷，并做進(jìn)一步的改進(jìn)。

5 總結(jié)與歸納

該環(huán)節(jié)是意義構(gòu)建的升華環(huán)節(jié)，但也是容易被學(xué)生忽視的環(huán)節(jié)。總結(jié)與歸納要求學(xué)生從問題描述、方案比較、方案實(shí)施、改進(jìn)措施、自我體驗(yàn)總結(jié)等環(huán)節(jié)對(duì)所涉及的任務(wù)以文檔形式進(jìn)行重新組織，學(xué)生在文檔編寫的過程中完成所學(xué)知識(shí)的最終構(gòu)建。總結(jié)與歸納要輕形式，偏重內(nèi)容的真實(shí)性和原創(chuàng)性。

四 結(jié)語(yǔ)

通過“機(jī)器人實(shí)踐課”的開展，不僅落實(shí)了高校的“大眾教育”精神，使得電氣專業(yè)多數(shù)學(xué)生受益，加強(qiáng)了各課程的聯(lián)系性，使學(xué)生在實(shí)踐過程中提高了認(rèn)知水平，完善了知識(shí)體系，并且對(duì)“精英教育”也起到相輔相成作用，使學(xué)生在課外科技活動(dòng)上獲得更好成績(jī)。僅2010年，溫州大學(xué)本學(xué)院電氣類專業(yè)學(xué)生獲得省級(jí)以上相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽有：第七屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽國(guó)家金獎(jiǎng)1項(xiàng)、省級(jí)獲獎(jiǎng)3項(xiàng)，全國(guó)嵌入式設(shè)計(jì)與開發(fā)總決賽二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，大學(xué)生程序設(shè)計(jì)國(guó)家級(jí)獲獎(jiǎng)3項(xiàng)，浙江省大學(xué)生電子競(jìng)賽一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。在今后的教學(xué)和培養(yǎng)計(jì)劃中，應(yīng)注重綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)的課程設(shè)置和教學(xué)設(shè)計(jì)，通過此類課程加強(qiáng)專業(yè)中各課程的聯(lián)系性，通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立探索，進(jìn)行知識(shí)內(nèi)化，完成知識(shí)的構(gòu)建，使得學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得以進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉堯.創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要轉(zhuǎn)變的教學(xué)觀念[J].中國(guó)高等教育，2010，(1):45-47.

[2] 南紅艷. 多媒體授課條件下，大學(xué)英語(yǔ)大班互動(dòng)應(yīng)用型教學(xué)模式的探討與實(shí)踐[J]. 教育研究與實(shí)驗(yàn)，2010，(1):147-149.

[3] 丁三青，王希鵬，陳斌. 我校高校學(xué)術(shù)科技創(chuàng)新活動(dòng)與創(chuàng)新教育的實(shí)證研究——基于“‘挑戰(zhàn)杯’全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽”的分析[J].清華大學(xué)教育研究，2009， 30(1):96-105.

[4] 童長(zhǎng)飛. C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語(yǔ)言編程[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社， 2005：393-427.

Teaching Design of Courses in Comprehensive Experiment Oriented to Electronic Majors

——Case Study of Practice Course of Robot

TONG Chang-FeiXU Yu

(College of Physics Electronic Information Engineering， Wenzhou University， Wenzhou，Zhejiang 325035，China)

Abstract: Practice Course of Robot is introduced as a comprehensive experimental course oriented to electronic majors， which with the objective to enhance the connections in other courses， and result in development of the ability of practice and creativity for students. The concrete contents of learning situation are designed based on Constructivism to guide students to complete their own knowledge construction by self-study and independent exploration. The proposed teaching design achieves satisfactory effectiveness.

Keywords: constructivism; robot; embedded systems; learning situation design

*基金項(xiàng)目：浙江省教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(編號(hào)：SCG170)，溫州大學(xué)重點(diǎn)實(shí)踐教改項(xiàng)目(編號(hào)：09SJ02A)。

收稿日期：2011年1月4日

編輯：小禾