基于開放實驗培養學生創新思維模式的探索

張立立, 楊文谷, 李大宇, 王明全

(東北大學 計算機科學與工程學院， 沈陽　110819)

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基于開放實驗培養學生創新思維模式的探索

張立立, 楊文谷, 李大宇, 王明全

(東北大學 計算機科學與工程學院， 沈陽110819)

為了進一步培養學生創新思維和實際動手能力,以開放實驗為平臺,采用以學帶學的教學方式,充分發揮學生的主動性和創新性。該文以基于App Inventor技術的藍牙遙控小車控制系統為例,從系統設計要求到系統調試驗收進行了循序漸進的內容安排,使大部分學生能夠從零基礎開始逐漸深入地學習,并通過系統驗收階段的要求,培養了學生產品開發的思維方式,積累了一定的軟硬件系統調試經驗,對學生以后的學習和工作都有很大的幫助。

創新人才培養； 藍牙技術； 開放實驗

根據以往的實驗教學經驗,學生經過基礎課和專業課的學習后,進入實驗室仍然存在動手能力差、不能獨立完成實驗任務等情況。有的學生甚至連實驗原理都弄不清楚,更談不上實驗創新[1]。存在上述問題的原因有很多,一般都是由于計劃課時少,而且計劃課時內容都是按照教材中基礎內容安排的經典實驗,為了體現知識點的原理性[2],經典實驗內容往往比較死板、枯燥,使不少學生沒有興趣、對實驗不夠重視并缺乏嚴肅認真的科學實驗態度,致使實驗課如同走過場,收效甚微[3]。但是還是有很大一部分學生對實驗充滿興趣,只是苦于沒有平臺,不知道從何入手進行學習。因此,利用開放實驗的平臺和一些有趣的實驗內容,將有興趣的學生吸引到實驗室,并通過了解和學習上一屆學哥學姐的學習成果和經驗能夠很快上手,并能自主積極地進行學習[4]。本文以學生創新設計遙控小車的內容為例[5],介紹了從設計要求、系統設計到調試驗收等方面的整體學習過程。此題目參加了第二屆電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽,取得了二等獎的好成績,同時學生也得到了極大的鍛煉,整體實驗效果良好。

1　系統設計內容與要求

根據學生的興趣方向,設計一系列跟實際生活貼近的實驗項目[6],實驗項目中提出了基本的實驗任務與要求,并提到相關領域的知識點,使學生能夠明確自己的目標,能夠知道從哪些方面入手去查閱資料。項目內容設計要求由淺入深,適合所有學生的學習情況。

1.1系統設計內容與任務

1.1.1總體任務

完成appinventor的在線編程,利用藍牙通信技術,實現Android APP控制小車的行進。

1.1.2基本內容

(1) 通過L298N驅動模塊，實現2個電機的速度及方向控制。

(2) 完成HC-06藍牙模塊的通信配置[7],并通過該模塊實現電腦與單片機通信。

(3) 在appinventor編程環境下實現藍牙通信客戶端的編程(APP客戶端)。

(4) 在小車亞克力板上合理布置各模塊,實現小車的安裝、調試、控制。

1.1.3擴展內容

(1) 利用appinventor獲取的手機加速度數據,實現重力感應控制遙控車行進。

(2) 通過加裝超聲波測距模塊,實現小車對障礙物的距離感應,通過藍牙模塊并傳回上位機,在手機上顯示出前方障礙物的距離。

(3) 通過加裝測速碼盤,實現對兩輪的速度檢測,通過藍牙模塊并傳回上位機,在手機上顯示出左右輪實時速度。

1.2實驗過程及要求

(1) 了解串口通信的知識,學會使用串口調試助手進行串口調試。

(2) 掌握藍牙信號傳輸原理,根據藍牙模塊的用戶手冊,選擇合適的波特率、校驗位等參數。

(3) 了解什么是PWM,學習PWM信號控制電機原理,嘗試通過單片機定時器輸出PWM波實現呼吸燈效果[8]。

(4) 設計單片機與藍牙、電機驅動、輪子、底盤、電池之間的連線,調試,先嘗試通過電腦藍牙與單片機通信收發字符,再控制輪子的不同輪速,測試不同速度下的前進、后退、差速轉向，找出設計中存在的問題,給出解決的辦法。

(5) 學習MSP430單片機系統以及各個模塊的使用和配置,熟悉設計方法[9]。

(6) 熟悉appinventor軟件圖形化開發；編程實現安卓上位機對小車的遙控[10]。

(7) 撰寫總結報告,通過小組討論、交流提出改進的不同方案。

2　系統設計原理及方案

2.1系統總體設計思想

系統總體設計要求能夠將手機端發來的控制信息通過單片機進行處理,再由單片機對電機驅動進行控制。實驗系統采用MSP430單片機作為整個控制系統電路的核心部件,需要設計4個功能模塊:控制模塊、藍牙模塊、直流電機驅動模塊和電源模塊。系統結構總體分為手機終端和藍牙小車兩部分,系統總體結構圖如圖1所示。

圖1　遙控小車實驗系統結構圖

2.2系統設計方案

系統設計采用msp430單片機,也有的學生采用51單片機系統。藍牙通信部分增加了APP模塊的開發,使控制系統可視化,而且利用目前比較流行的appinventor編程技術,實現簡單、易操作。系統設計方案如圖2所示。

(1) 單片機:采用Ti公司的msp430g2553,它具有超低功耗、多種節能模式,2個 16 位 Timer_A定時器,其輸出模式配置簡單,可以方便地PWM波形,并具有多達 24 個支持觸摸感測的 I/O 引腳,便于擴展其他功能。調試時,可以使用仿真器在Ti公司的Code Composer Studio(下文簡稱CCS)軟件上進行調試,該軟件上帶有的變量、寄存器窗口可以實時觀測數值,并且可以通過設置斷點使程序暫停,非常便于調試。

(2) 電機驅動:采用市面上常見的L298N模塊,它是一種雙H橋電機驅動芯片,可以用來驅動直流電機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載,電源電壓范圍非常廣,從4.5～46 V都可以,同時這也讓它不易被燒壞。模塊中采用光電隔離,對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端,使內部邏輯電路部分在低電壓下工作,因而本實驗可以采用電壓較小的移動電源或者干電池。這個模塊的調試通常也是借助CCS軟件進行調試,它的使用很簡單,通常不會出現問題。

(3) 藍牙模塊:采用的是HC-06模塊,它采用的CSR BC04藍牙芯片,具有低成本、體積小巧、低功耗等特點,很多市面上現有的藍牙耳機都是采用的該芯片,同時它的藍牙4.0可以支持百兆通信,誤碼率幾乎為零,并且僅需3.3V電壓即可驅動,單片機IO控制引出的高電平剛好可以給其供電,而不占用其他資源。藍牙模塊的調試要結合msp430系列單片機的UART的一系列寄存器,建議先掌握單片機和電腦進行超級終端通信,能成功收發之后此模塊也能水到渠成。

圖2　遙控小車實驗系統設計方案圖

(4) 直流電機:采用常見的普通直流電機,3～6 V的工作范圍能很好地被電機驅動模塊驅動并達到很好的效果。如果只使用IO控制的話,只能實現直流電機全速或停止2種運行狀態,雖然也可以起到控制效果,但是在差速轉彎以及一些精確控制時非常不便,那么就需要用到PWM(可以通過MSP430單片機的定時器輸出)。學會使用定時器輸出不同占空比的PWM波后,可將對應的輸出口接到電機驅動的PWM輸入口中,起到控制電機速率的效果。

(5) 電源:采用12 V電池組(3節18650 3.6 V電池或8節1.5 V鋰電池,推薦前者，因為占空間更小并且可以重復充電)給電機驅動供電,并借由L298N中引出的5 V直接供給單片機,再由單片機上的5 V引腳給藍牙模塊供電。

3　系統調試與驗收

系統調試部分,是真正考驗學生動手能力的環節。通過實物驗收和實驗質量考察能夠看出學生硬件組裝和軟件編程能力是否符合規范[11]；通過考核系統利用的新技術能夠體現學生的創新力；在系統設計和調試的過程中,要求學生記錄開發筆記本計算機,這樣學生在以后的產品開發中遇到此類問題,能夠迅速進行解決,養成記錄開發筆記本計算機的習慣有利于學生積累豐富的軟硬件調試經驗；最后要求學生寫實驗報告,鍛煉學生的書寫能力,為以后的學習和工作奠定良好的基礎。具體驗收步驟如下:

(1) 實物驗收:每組的學生合作完成實物驗收,包括:小車的安裝制作是否布局合理；Android上位機的控制界面是否設計美觀；上位機控制小車筆直前進和后退、轉彎的靈活程度等,如有擴展,則再考察測距和測速的準確度。學生制作藍牙小車實物如同3所示。

圖3　實驗完成遙控小車實物圖

(2) 實驗質量:針對學生的測試結果,如小車的直線行走是否為一條直線、藍牙通信是否會出現中斷或者丟包的情況等,評價程序設計和小車制作的合理性。

(3) 自主創新:各個功能模塊的實現方法是否簡單合理,自主思考與獨立實踐的能力。

(4) 開發筆記本計算機:記錄方案設計過程的詳細內容、遇到的問題及解決方法。

(5) 實驗報告:以論文的形式書寫實驗報告,讓學生盡早掌握科學論文的書寫格式及書寫方法。

4　結語

開放實驗模式實行了幾年,實驗效果良好,培養的大部分學生直接選拔為全國電子設計大賽成員,每年都能取得一、二等獎的好成績,此種方式吸引了大量的學生利用業余時間進入實驗室學習,充分鍛煉了學生的工程實踐能力,為以后的繼續深造或參加工作打下堅實的基礎。項目的特色和創新如下:

(1) 實驗的開放性:培養了學生在知識綜合應用、設計、工程實踐等多方面的分析問題、解決問題的能力[12]:藍牙小車的模塊可以獨立調試,并且可以根據自己的意愿添加其他模塊(如超聲波模塊等)來增加更多功能,是一個開放性的、由淺及深的實驗,學生從開始的茫然到實驗完成,很有成就感。

(2) 知識的前沿性:開發環境采用近些年比較熱門的App Inventor在線編程,通信方式采用常用的藍牙通信更加貼近生活,使學生能夠將日常生活中的各類小工具運用到程序設計中,提高了學生的學習興趣。

(3) 思維的創新性:學習單片機和各類模塊的使用和配置,學生可以根據自己的意愿添加想要的功能并進行學習,為學生提供了更大的發揮和創新的空間。

References)

[1] 劉鳴,畢玉玲,趙美蓉. 實行開放實驗教學模式 培養學生創新探索精神[J]. 實驗技術與管理,2005,22(4):91-94.

[2] 傅秀芬.以建設世界一流大學為契機,進一步加強實驗基地建設[J]. 實驗技術與管理,2000,17(1):9-11.

[3] 許敖敖. 處理好理論教學與實驗教學關系,提高學生素質,培養學生創新能力[J]. 實驗技術與管理,2001,18(6):1-3.

[4] 鞠全勇，鄭李明，凌秀軍.基于快速制造的產品創新設計[J].機電技術,2012(5):50-54.

[5] Meirong D, Shaoming C. Design and realization of SOA based management system for open experiment lab[C]//20122nd International Conference on Consumer Electronics. Communications and Networks (CECNet),2012,3182 - 3185.

[6] 盧鐵城. 加強實驗教學培養科技創新人才[J]. 中國大學教學,2005(3):10-11.

[7] 李黎國,張輝,程號. 基于Android健康服務終端藍牙傳輸軟件的設計[J]. 電子科技,2012,25(5):115-118.

[8] 胡榮光,鄧智泉,蔡駿,等. 基于PWM控制的開關磁阻電機中低速無位置傳感器控制方法[J]. 航空學報,2015,36(7):2340-2349.

[9] 王自珍,殳國華,張士文. 基于計算機仿真技術的MSP430 單片機實驗教學實例[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(9):94-97.

[10] Ding Meirong,Chai Shaoming.Design and realization of SOA based management system for open experiment lab[C]//2012 2nd International Conference on Consumer Electronics. Communications and Networks (CECNet),2012:3182-3185.

[11] 霍天強,侯煒,李興海,等. 開發大型現代煤化工教學工廠創新高技能人才培養實踐教學模式[J]. 中國職業技術教育,2014(29):34-37.

[12] Cao Danyang,Xi Junlin. Design and implementation of opening experiment information platform for colleges[C]//2010 International Conference on Educational and Information Technology (ICEIT).2010:13-15.

Exploration on cultivating students’ innovative thinking mode based on opening experiment

Zhang Lili ,Yang Wengu,Li Dayu,Wang Mingquan

(College of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

For further training students’ innovation thinking and handling ability,based on open experiment, this article proposes a new teaching method,combined learning with self-teaching,to develop initiative and creativity.This article sets a specific example,a car control system with Bluetooth technology based on App Inventor,to guide students through the learning process. And it is organized evolutionarily,from design requirements to inspection and acceptance. By finishing system inspection,students are cultivated how to develop products,how to do system debugging,both are of great value in their future learning and working, which has been put in practice for a couple of years and received a good result.

cultivation of innovative talents; Bluetooth technology；opening experiment

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.008

2015-12-06修改日期：2016-03-09

國家自然科學基金資助項目(11273001)；中國航天科技集團公司衛星應用研究院創新基金項目(2014-CXJJ-TX-11)

張立立(1984—)，女，遼寧沈陽，碩士，助理實驗師，主要研究方向為無線傳感器網絡.

E-mail：zhanglili@cse.edu.edu.cn

TP393

B

1002-4956(2016)7-0029-04