將競賽類成果應用于實踐教學的探索

摘要：控制專業的設計類課程是為了讓學生更好地提高實際動手設計控制系統的能力，但由于缺乏實物，往往都流于紙面。因此探索將智能車競賽成果經過合理優化，應用于此類課程。通過實際的教學改革和多班次的授課成果證明，此種方式可以讓更多的學生汲取競賽里的實踐真知，令其充分提高專業知識的綜合運用能力和解決實際問題的動手能力。

關鍵詞：課程；競賽成果；優化；實踐教學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）30-0089-02

高等教育要求培養出的大學生不僅僅具有扎實的專業基礎知識、良好的身心素質，更要求其能夠具備相當的實踐動手能力和一定的創新能力，使其步入社會后能夠具備一定的競爭能力。[1]尤其對于部隊院校學員，畢業后多數派入基層部隊從事軍事指揮和設備實操等相關工作，因此，更是要求學員在院校期間就敢于動手、樂于動手、精于動手。

為此，從2007年開始，教研室對承擔的自動控制原理、計算機控制、單片機原理等課程拓展了其實踐課程，即在本科畢業設計之前、在學完多數專業課之后開設一門40學時的“控制系統課程設計”，此課程通過較全面的控制系統綜合設計，使學員完成控制理論認知、驗證到工程實踐的成長過程，拓寬學員知識面，提高其對控制系統工程設計的能力及創新能力。

本課程授課之初安排了幾次設計性課程，如單級倒立擺系統的研究與仿真、爐溫控制系統的設計、魚缸溫度控制系統的設計等。這些題目均要求學生在分析了控制需求后，能夠進行系統的建模或是繪制出硬件原理圖，并對模型進行仿真或是對硬件圖進行相應的編程調試。這樣的安排模式確實能夠使學生對原先枯燥的課本知識有一個醍醐灌頂的效果，知道學習的理論究竟是如何應用的實際研究對象上。由于課時所限，40學時的課時最多能讓學生做到仿真和軟件調試階段，根本不可能做出實物，這樣使得學生的實踐能力僅僅還停留在仿真的階段。

自2010年開始，海軍航空工程學院開始組織學生參與飛思卡爾智能車大賽，并由教研室承擔比賽的組織和培訓工作。競賽可以從一定程度上帶動部分學生的實踐能力，這一點在眾多高校中得到了驗證，如陸杰、武麗等的文章所述。[2-8]但是競賽畢竟只是針對少數能力較強的學生，而眾多普通的學生往往由于畏難情緒等各種原因而放棄了這一鍛煉動手能力的機會。因此可以考慮將這樣一種競賽的成果經過優化應用到教學上，裘君[9]在其文章中對于這一思想作出了理論闡述。由此在海軍航空工程學院參加了兩屆飛思卡爾比賽，積累了一定的成績和培訓經驗之后，為了解決“控制系統課程設計”在學時上和培養實踐能力上的沖突，并更好地利用競賽成果，探索將競賽成果應用到實踐教學，使得這樣一種競賽所帶來的優勢不僅僅作用在少數能力較強的學生身上，而且將競賽成果進行簡化，讓多數能力普通的學生一樣可以汲取到這種競賽所帶來的實踐上的養分。

一、探索

眾所周知，飛思卡爾智能車比賽對于尚處本科階段或者是從來沒有進行過動手實踐的學生來說是個不小的挑戰。需要參賽的學生分析競賽的要求，根據需求改造車模、設計硬件電路板及傳感器的布局，并根據硬件電路進行軟件編程與調試。涉及到的知識涵蓋了自動控制原理、單片機系統、計算機控制、汽車工程等多個學科。如何將這樣一個成果轉化為40學時的課時內容，使得學生既能吃得飽又不至于無法消化呢？

1.人員的分組

飛思卡爾比賽自第五屆開始一直分為光電組、攝像頭組、電磁組。光電組多使用紅外對管或激光管（第八屆之前），攝像頭組主要是使用CCD攝像頭或者CMOS攝像頭，電磁組主要是使用電磁感應線圈等磁場傳感器去檢測帶電導線周圍相應電磁場的強度和方向。

海軍航空工程學院在參加完兩屆后，保留下這三種類別共6輛競賽用車。在本課程改革的第一年試點中使用其中的三輛，分別為光電車、攝像頭車和電磁車。試點中的第一個專業為測控工程，人數為20人。在授課之前由教員簡要介紹三種車所使用的路徑檢測的原理，以及軟件、硬件的主要側重點，而后以學生意愿為主，分為10組，每組兩人，其中光電車四組、攝像頭和電磁各三組。

2.課程內容和學時安排

如前所述，本門課面向的對象為控制類專業大三的本科生，本身已修完“自動控制原理”“單片機原理及應用”“C語言”等主干課程，因此對于課程內容所涉及到的單片機及編程類的知識需要合理優化，避免占用過多的課時而影響了實踐性這一要求。課程的安排要避免由零到整的常規教學思路，應遵循先整體后部分的規律，強調如何應對需求、問題，提出具體的解決方法這一思路。具體的課程安排可見表1。

課程之初先用2個學時來介紹飛思卡爾智能車競賽的相關背景，以及結合實車分析智能車主要的系統構成，如圖1所示。這樣一種整體的框架非常重要，有助于學生較快地把握要研究對象的整體結構。對于智能車的機械改裝和優化，如前后輪參數等內容可以弱化，之后可用2個學時的時間對智能車的主要組成部分及電路插線，如傳感器部分、舵機、光電編碼器、主控板等進行隨意的拆卸、組裝，以加深對智能車主體構成的映像。對于如光電檢測、電磁、攝像頭、S-D5型號舵機、歐姆龍編碼器等傳感器的原理及接線說明，可以安排2個學時的自學時間。

表1 課程安排

序號課題學時

講課自學實操小時

1智能車大賽的背景

智能車主要構成√ 2

2拆裝智能車主要結構 √2

3傳感器原理及接線 √ 2

4S12單片機（主講PLL，PWM，TIM模塊）√ 2

5S12單片機（自學PIT、IO、ATD、SCI模塊）√ 2

6硬件電路原理及接線√ 2

7PCB電路及接線 √2

8CodeWarrior的使用 √ 2

9-10編程-初始化及周期中斷部分 √4

11-12編程-信息采集部分 √4

13計算機控制中的PID的編程原理√ 2

14-15編程-速度PID的控制 √4

16-17編程-舵機PID的控制 √4

18-19實車調試 √4

20答辯 √2

接下來，需要講解智能車的主控部分，即XS128芯片的功能及用法。由于智能車上所用已為單片機最小系統，而且課時所限，因此這里的講解不再遵循一般上課時對于單片機課程的做法，依次從嵌入式概述講起，到芯片內部結構、匯編語言、尋址、各功能模塊，最后綜合實例，而是依然遵循先整體-后部分的原則，如圖2所示，先簡要介紹XS128的引腳、結構、存儲器大小及映射，而后只講解智能車上需要用到的模塊。在講解各模塊時，也并不是枯燥地去灌輸各模塊內寄存器的用法，而是針對具體的程序語言學習寄存器的設置，如在講解鎖相環模塊時，如圖3所示，通過列出步驟讓學生便于理解，并對需要設置的寄存器加以講解。依照這樣的模式可以依次講解PWM模塊及TIM模塊，并安排學生自學剩下的若干模塊。

硬件電路的設計部分對于學生的要求不高，一則PCB的制作也是一門專門的學科，不可能在這么短的時間掌握。另外，重新設計電路意味著所有的硬軟件都需重新制作，這樣又回到之前這門課的矛盾上。因此對于這一部分由教員主講各模塊電路原理圖的原理及接線，學生則需要自己將原理圖與實際硬件電路板對應起來。

在充分理解了軟件需求與硬件功能的前提下，軟件的編程就可以順利展開。當然，不同的芯片所要求的編譯環境不盡相同，但都較為類似，因此可以利用已經掌握的各模塊代碼去自學使用CodeWarrior的編譯環境。此時多數學生對智能車功能的實現都了然于胸，想嘗試去編制代碼，但又不知從何入手。因此教員對于這一部分可采取由部分至整體這一循序漸進的方式，把整個代碼部分分為初始化部分、中斷部分、信息采集部分、PID控制部分等。對于PID部分，盡管學生事先接觸過，但由于其重要性，需要再次分析PID三個參數的控制作用，以及講解數字式PID算法及其改進，如增量式PID、帶死區的PID算法等。

二、實踐

對控制系統課程設計課程作了如上改革后，于2012年秋季對測控工程專業進行了試點，至今有六個班次200余人按照上述的改革內容完成了課程，實驗車輛也隨著智能車比賽的積累而擴展到了電磁直立、光電直立車。課程結束后所有學生均對智能車的構造、電路、程序有了充分的認識，甚至部分學生對此類設計產生了濃厚興趣，重新參加了來年的智能車競賽及電子設計大賽，獲得了優異的成績。在整個過程中學生創新意識加強，實踐能力得到了鍛煉，并將其發揮到了其他科技活動與競賽中，綜合素質有了很大的提高。

三、結語

實踐證明，參與競賽可以讓少數的學生受益，而將競賽類成果經過優化應用于廣泛的教學中，可以用最低的成本、最優化的資源讓更多的學生掌握從工程實踐的角度設計系統的能力，培養其日后從事科學、技術的研究能力，激發他們在工作崗位上的創新與探索潛能，有利于高等教育和軍隊院校實踐類教學的改革，可以為社會培養出會動腦更能動手的高素質人才。

參考文獻：

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[8]廖曉東，吳允平，蔡聲鎮，等.大學生電子設計競賽與工科教學改革[J].福建師范大學學報：自然科學版，2005，（12）：110-112.

[9]裘君，何小其，劉毅華.基于競賽驅動的自動化專業實踐教學改革探索[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2012，（2）：67-70.

（責任編輯：王祝萍）