結(jié)合智能汽車競賽探索自動化專業(yè)實踐教學(xué)改革

林 輝

（韶關(guān)學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

學(xué)科競賽對提高學(xué)生的專業(yè)知識綜合運用能力、實際動手能力、分析問題和解決問題的能力具有獨特的促進(jìn)作用.全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是受教育部高等教育司委托，由教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦，飛思卡爾公司協(xié)辦，由各大學(xué)分別承辦的面向全國大學(xué)生的重要科技賽事.第三、四、五屆連續(xù)被教育部批準(zhǔn)列入國家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項目，已發(fā)展成為全國30個省（自治區(qū)）、直轄市的400余所高校廣泛參與的，集自動控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子電氣、計算機、機械等多個學(xué)科于一體的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學(xué)生的一項具有探索性的工程實踐活動.

將競賽與教學(xué)結(jié)合，通過組織學(xué)生參加競賽，使學(xué)生將所學(xué)的各個模塊知識進(jìn)行串聯(lián)，學(xué)會綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新意識；另一方面，競賽過程中暴露的問題和積累的經(jīng)驗反過來促進(jìn)教學(xué)和實踐的改革.兩者相輔相成，相互促進(jìn).筆者結(jié)合全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，對自動化專業(yè)的實踐教學(xué)改革進(jìn)行了一些探索.

1 當(dāng)前實踐教學(xué)中存在的問題

傳統(tǒng)的教學(xué)模式普遍存在著重理論、輕實踐的傾向，即所謂“上課講理論，實驗驗證理論，考試背理論”，學(xué)生學(xué)完課程之后的結(jié)果往往是“上課聽懂了，考試及格了，遇到問題傻眼了”.因為大多數(shù)高校偏重對學(xué)生理論知識掌握程度的考核，所以無形之中就把實踐教學(xué)以及對學(xué)生實踐動手能力、創(chuàng)新能力等實際能力放在了次要的位置上，純粹的理論學(xué)習(xí)在教學(xué)中占有絕對的地位.教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)是理論與實踐結(jié)合不夠，學(xué)生往往不具備綜合運用所學(xué)知識進(jìn)行設(shè)計的能力.創(chuàng)新及獨立工作的能力是學(xué)生普遍欠缺的，也是教學(xué)過程中存在問題的集中體現(xiàn)，究其主要原因就是實踐不足［1］.目前實踐教學(xué)主要存在以下幾個問題.

（1）主觀認(rèn)識上，對實踐教學(xué)不夠重視，一定程度上存在“重理論、輕實踐，重課堂、輕課外”傾向.把實踐教學(xué)看作是理論教學(xué)的補充，內(nèi)容大多停留在對理論教學(xué)內(nèi)容的驗證上.在實踐過程中不夠注重調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性，不夠注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新意識.另一方面，部分同學(xué)沒有認(rèn)真對待實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，上課時不能按照老師的要求認(rèn)真完成實踐任務(wù)，而是把實踐任務(wù)寄托在別的同學(xué)身上，課后抄實驗報告敷衍了事.

圖1 參賽模型車

圖2 比賽賽道

（2）學(xué)生對課程學(xué)習(xí)興趣不高.學(xué)生對課程的重要性認(rèn)識不夠，沒有充分明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)習(xí)興趣不濃.部分學(xué)生甚至出現(xiàn)不想學(xué)、懶惰、厭煩、消極的情緒，這也是實驗課上學(xué)生積極性不高、敷衍了事的重要原因.［2］

（3）專業(yè)課程設(shè)置過于細(xì)化，造成每門課程“各自為政”，學(xué)生學(xué)完很多課程后，很難有整體觀，不懂得如何綜合運用所學(xué)的知識，可謂“只見樹木不見森林”.

（4）驗證性實驗比例過多，設(shè)計性和綜合性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)不足.例如，對于《C語言程序設(shè)計》課，安排的實驗內(nèi)容一般都有60%以上的驗證性實驗［2］.這樣，部分學(xué)生在程序出錯后，不是通過調(diào)試來改錯，而是逐行對照書上的內(nèi)容進(jìn)行糾正，導(dǎo)致學(xué)生不會調(diào)試程序，也很難學(xué)會編寫程序，更談不上開發(fā)一個完整的項目.

2 結(jié)合競賽的實踐教學(xué)改革

全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽要求參賽選手使用統(tǒng)一的競賽車模套件，采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位、32位微控制器作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，包括傳感器信號采集處理、電機驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機控制以及控制算法軟件開發(fā)等，制作一部能夠自主識別賽道的模型車，按照規(guī)定路線行進(jìn)，以完成時間最短者為優(yōu)勝［3］.筆者以模型車的制作及調(diào)試為主線，采用循序漸進(jìn)的方法，把這個復(fù)雜的系統(tǒng)項目分解到相關(guān)課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，使學(xué)生在實踐過程中根據(jù)總體目標(biāo)逐步實現(xiàn)各個功能模塊.這樣可以使得相關(guān)課程的實驗內(nèi)容不再是孤立的，而是相互聯(lián)系的，是在一個總體目標(biāo)驅(qū)動下不斷增加和完善的過程，而學(xué)生在一個又一個小的任務(wù)的驅(qū)動下，一次又一次的親身體驗邁向成功的喜悅［2］.

2.1 重整部分驗證性實驗

驗證性實驗是基礎(chǔ)，筆者結(jié)合智能汽車競賽對一些課程的驗證性實驗進(jìn)行了重新設(shè)計.例如在《計算機控制技術(shù)》課程中，以模型車速度控制為背景，設(shè)計了PID控制算法、PID參數(shù)整定、模糊智能控制算法等驗證性實驗.通過Matlab仿真軟件一方面使學(xué)生加深理解課程的內(nèi)容，另一方面通過后續(xù)的項目實踐如直流電機速度控制等使學(xué)生從理論指導(dǎo)實踐，切實掌握課程的內(nèi)容.

2.2 增加綜合性和設(shè)計性實驗

綜合性和設(shè)計性實驗的設(shè)計以緊扣教學(xué)大綱、課程內(nèi)容與實際系統(tǒng)，題目難度適中，具有一定的創(chuàng)新和探索性為原則，讓學(xué)生有一定的思考和發(fā)揮的空間［4］.以模型車制作及調(diào)試為主線，筆者結(jié)合《C語言程序設(shè)計》、《微機原理及應(yīng)用》、《模擬電子技術(shù)》、《檢測技術(shù)與自動化儀表》、《計算機控制技術(shù)》等課程的內(nèi)容，增加綜合性和設(shè)計性實驗，幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的概念，要求學(xué)生在正確理解實驗?zāi)康暮鸵蟮幕A(chǔ)上，查閱資料，完成相應(yīng)硬件電路的設(shè)計和搭建、界面設(shè)計和控制算法軟件編程.

例如，直流電機速度控制綜合實驗，對學(xué)生作以下要求：

（1）根據(jù)控制對象的要求，對單片機進(jìn)行選型，自主設(shè)計制作單片機最小系統(tǒng).

（2）通過查閱資料自主設(shè)計制作碼盤、光電檢測電路和信號調(diào)理電路采集電機旋轉(zhuǎn)輸出的脈沖信號，再編寫信號處理程序得到電機轉(zhuǎn)速.

（3）根據(jù)測得的電機轉(zhuǎn)速采用PID控制算法計算得到輸出的控制量，即PWM信號.

（4）根據(jù)電機參數(shù)，自主設(shè)計制作電機驅(qū)動電路.

（5）具備與PC上位機串口通信功能，通過上位機串口調(diào)試助手軟件將給定的電機轉(zhuǎn)速傳送給單片機，單片機不斷調(diào)整輸出的PWM信號使電機達(dá)到給定的轉(zhuǎn)速，同時將測得的實際轉(zhuǎn)速傳送給串口調(diào)試助手顯示.

該實驗實現(xiàn)了一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，涉及了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和處理、單片機計數(shù)器和串口通信、PID控制算法、電機驅(qū)動和程序設(shè)計等多門課程的內(nèi)容，幫助學(xué)生將相關(guān)課程的內(nèi)容聯(lián)系起來，使學(xué)生將所學(xué)的各個模塊知識進(jìn)行串聯(lián)，學(xué)會綜合應(yīng)用，同時也為學(xué)生參加智能汽車競賽和畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ).

2.3 調(diào)整課程開設(shè)時間

為了讓學(xué)生更早接觸專業(yè)課程，更好地參加智能汽車競賽和申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，在本科培養(yǎng)計劃中對一些專業(yè)基礎(chǔ)課程進(jìn)行了調(diào)整.例如，將《微機原理及應(yīng)用》前移到二年級上學(xué)期，使學(xué)生對“控制”有一個基本概念，更好地結(jié)合其它課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力.

2.4 建立開放性實驗室

開放性實驗室作為實驗中心下設(shè)的一個實驗室，服從實驗中心的統(tǒng)一管理，其核心作用是為學(xué)生課程學(xué)習(xí)、課外科技活動和各類學(xué)科競賽提供設(shè)備和場所.對于不同年級的學(xué)生，實驗室開放的內(nèi)容有所不同.對于一年級的學(xué)生，由于宿舍沒有電腦，實驗室晚上定期開放，為學(xué)生提供更多的上機編程的機會；對于二、三年級的學(xué)生，主要是參加智能汽車競賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目的學(xué)生，實驗室配備了電源、信號發(fā)生器、示波器、過塑機、打孔機等常用的儀器設(shè)備，學(xué)生可以自主進(jìn)行電路設(shè)計、制PCB板、調(diào)試等，為相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好的實踐條件.儀器設(shè)備實行“專管專用”制度，安排智能汽車競賽指導(dǎo)老師作為管理人員，各專用設(shè)備落實相應(yīng)的責(zé)任人.開放性實驗室有助于學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和主體性的培養(yǎng).

2.5 拓展課外科技活動

課外科技活動不僅能開闊學(xué)生的視野，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，縮短書本知識與工程實踐之間的距離，促進(jìn)學(xué)生自主完善知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的自學(xué)能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科研精神，增進(jìn)學(xué)生工程實踐素質(zhì)的培養(yǎng)［5］.課外科技活動的形式多種多樣，除了各種全國性的學(xué)科競賽，如“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，還有大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目和教師科研項目等.參與各種課外科技活動，不僅能夠鍛煉學(xué)生實踐動手能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的溝通能力、團(tuán)隊協(xié)作精神和創(chuàng)新意識.

3 結(jié)語

經(jīng)過近年來的改革與實踐，韶關(guān)學(xué)院自動化專業(yè)實踐教學(xué)取得了較好的效果，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).近兩年，自動化專業(yè)學(xué)生在各項課外科技活動中成績斐然，獲得全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽華南賽區(qū)比賽中，獲得一等獎1項、二等獎6項，三等獎4項和優(yōu)秀獎1項；獲得實用新型專利1項；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目省級6項，校級25項；在廣東省大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，獲得三等獎1項和成功參賽獎1項；在第十二屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲得三等獎1項等佳績.實踐證明，依托智能汽車競賽推動高等院校的實踐教學(xué)改革是一條切實有效的途經(jīng)，為培養(yǎng)未來科技創(chuàng)新人才提供了一個良好的平臺.

［1］張曉花,朱陳松,朱昌平.學(xué)科競賽促進(jìn)電機課程教學(xué)改革［J］.實驗室研究與探索,2011,30(6):278-280,299.

［2］彭治國,劉海浪,陳輝金.基于“卓越計劃”下的C語言程序設(shè)計實驗教改研究［J］.裝備制造技術(shù),2012(7):225-227.

［3］程磊，吳懷宇，熊凌，等.結(jié)合智能汽車競賽活動的自動化專業(yè)教學(xué)改革［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報,2009,31(z2):116-119.

［4］戎舟，劉瑞蘭.從虛擬儀器設(shè)計競賽探索實踐教學(xué)改革［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報,2013,35(8):109-111.

［5］何莉，張里.電子實踐教學(xué)與電子設(shè)計競賽改革探索［J］.實驗科學(xué)與技術(shù),2013,11(5):275-277.