基于兩輪自平衡小車的測控系統課程設計教學改革

張秦艷 林煒豪 劉春 蔡寧 林雪燕

摘要：測控系統課程設計是北京郵電大學自動化專業本科生主干課程。文章分析了以往課程的不足之處，在“以學生為中心”和創新思想的指導下，利用兩輪自平衡小車為實驗平臺，進行了測控系統課程設計實踐教學改革。在新的教學實踐中，學生自主選擇硬件配置，既有分工合作，又有獨立設計。通過教學改革，培養了學生學習主動性和自學能力，增進了合作意識，提高了綜合設計能力和創新能力。

關鍵詞：測控系統;兩輪自平衡小車;教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）15-0119-03

引言

新經濟發展驅動下新工科建設的提出，對工科人才培養的理念和模式提出新的挑戰[1]。測控系統課程設計是北京郵電大學自動化專業本科生主干課程，它安排在大三下學期，此時學生已經積累了一定的專業基礎知識，如模擬電子技術、數字電子技術、自動控制原理、微機原理及接口技術、甚至智能控制等，已具備C語言、java語言編程能力，可以在此時安排一門綜合的課程設計，有利于學生對所學知識的融會貫通。而測控系統課程設計正是一門這樣的課程，它的重要性也可想而知。它可以承前啟后，如果設計得好，學生就會對所學本專業的信心倍增。

我們舊有的測控系統課程設計的題目，是讓學生基于C++或Visual Basic（VB）編寫信號采集程序并進行快速傅立葉變換后將時域和頻域波形顯示出來。這個題目內容只有檢測、沒有控制，綜合性不夠，少有學生在系統功能上能有更多的創新。而且這個題目做了若干年，總有個別同學存在抄襲往屆現象。因而有必要重新設計課程內容，進行課程改革。

一、“以學生為中心”和鼓勵學生創新的要求

傳統的教學模式是傳授式模式，它以“教材為中心、教師為中心、教室為中心”稱為老三中心。而“以學生為中心”（Student-Centeredness，SC）的本科教學改革始于美國1980年代，席卷了美國所有高校，這場運動目前仍在繼續[2]。SC模式的基本特征是“新三中心”：以學生發展為中心、以學生學習為中心、以學習效果為中心。隨著“以學生為中心”的本科教學改革的深入，本課程也需要轉變觀念，以老三中心為基礎、以新三中心為引領，遵照七個原則[3]去設計教學內容。

創新是近年來國內高校培養本科生提得最多的名詞。隨著高等教育改革的深入，我國高等教育面臨著激烈的市場競爭。現代企業需要既懂工程技術知識，又懂經濟管理;既會外語，又懂計算機操作;既具有綜合分析問題能力，又具有開拓創新能力的高素質復合型人才[4]。很多學者積極探討培養本科生創新能力的新途徑，比如鼓勵學生參加創新項目、競賽、科研項目等。我們認為課程是大學本科生學習的最基本環節，如果每一門課程都能培養學生的創新能力，學生的創新能力自然而然就得到提升。因而，我們決定從基礎做起，在課程中設計創新能力的培養環節。

二、測控系統課程設計的改革

兩輪自平衡式的輪式機器人，其設計應用了倒立擺模型的控制思想，因為具有零轉彎半徑的優點，在未來的物流、工業和交通運輸領域有著很大的發展空間。本課程采用安徽合動智能科技有限公司提供的兩輪自平衡小車實驗平臺，它采用積木化設計，包括主控板、驅動電路板、陀螺儀模塊、超聲波模塊、紅外模塊、藍牙模塊、電機及編碼器、線性CCD模塊、輪子、電池等。其主控芯片是基于TI公司的C2000TMS320F28069DSP。所有編程都是基于C語言在CCS6.2平臺上開發。下面分三個方面說明本課程設計的教學改革。

（一）課程分層次設計

我們在設計課程時，注重了內容層次的設計。既有理論學習環節，又有實踐環節。實踐環節包括基礎設計及實驗、綜合設計及實驗和探究性設計及實驗。

理論學習內容包括引言、小車背景知識介紹、小車套件組成、智能小車控制基本原理、智能小車的平衡控制、編碼器原理及小車速度控制原理、轉向控制原理、直流電機原理與驅動、陀螺儀與角度測量、超聲波測距原理、紅外傳感器原理、線性CCD工作原理以及注意事項等。

基礎設計及實驗包括時鐘控制、GPIO輸出——LED跑馬燈、GPIO輸入——按鍵實驗、定時器中斷——Timer0 Interrupt、SCI串口通信、Epwm基礎實驗、ECap基礎實驗、ADC電壓采集實驗、ECap實驗——超聲波測距、Epwm實驗——電機調速、IIC實驗——MPU6050數據讀取、EQep實驗——編碼器信號采集和ADC實驗——線性CCD數據采集共十三個實驗。通過基礎設計實驗，使學生掌握IO口設計、ADC設計、定時器中斷、串口通信等基本環節以及TMS320F28069DSP所特有的脈寬調制、增強型脈沖捕獲、增強型正交編碼器脈沖檢測以及內置集成電路總線的使用。

綜合設計及實驗包括平衡車平衡控制、平衡控制進階、平衡車之圈內避障、平衡車之紅外循跡、平衡車之CCD循跡。前兩個實驗是實現小車基本的平衡控制，之后三個是基于不同的傳感器實現避障或循跡的功能，而且循跡的軌道有三個，一個比一個難度加大。

探究性設計及實驗是App控制設計實驗，是開發基于android手機的app和小車底層通信及控制程序，并在小車上調試通過。學生自主提出手機端和小車端的功能和解決方案，并設計程序得以實現。這是最具挑戰性的內容，要求學生具有很強的創新能力。

本課程設計的內容，有基礎，有綜合，還有創新;由淺入深，層層深入。

（二）課程學時安排

我們設計了相應的學時安排。這門課計劃總共32學時，理論學習占4個學時，基礎設計及實驗占16學時，綜合設計及實驗占10學時，競賽占2學時。這個安排，時間非常緊湊，因為綜合設計要求有獨立設計環節，一個小組只有一臺小車，只能串行操作，而且調控制參數很費時間，后來我們實施時增加了4學時，才得以完成。

（三）實驗組織及實施

我們在本校2016級自動化專業2個小班實施了該項教學改革，以30人小班為單位，3人一組。以往是一個專業兩個小班一塊上課，由一個老師指導，學生有問題老師指導不過來，影響了互動效果。這次我們改革了指導方式，一個老師帶一個小班，學生有問題可以及時解決。

基礎實驗要求每個學生必做，即在小車上調試通過程序，記錄實驗結果，除了時鐘控制和IIC實驗——MPU6050數據讀取這兩個比較難、需提供例程外，其他都要學生自己參考指導書和芯片參考手冊編寫程序。

綜合設計其中前兩個是每個學生必做的，平衡車之圈內避障、平衡車之紅外循跡、平衡車之CCD循跡為三選一，也就是一個小組3人組成，3人各自完成不同的設計內容并在小車上調試通過。

最后一個探究性實驗是選做實驗，是給有創新能力的學生準備的。需要學生富有想象力并能通過自學實現android程序和小車藍牙通信程序的開發。

實驗內容非常充實，環環相扣，這是以前的課程設計沒法相比的。

競賽的實施采用學生錄視頻的方式提交，評判標準首先是避障或循跡完成的質量，避障比如能否貼著墻壁走、直角是否標準、是否有撞墻的現象等，循跡比如能完成幾個賽道、能否完成一來一回循跡、軌跡末端是否原地調頭、直角拐得是否標準、能否走十字等，其次是速度。我們最后評出避障、紅外循跡、CCD循跡三項競賽的前三名。另外，評出app控制的特別獎勵一名。

三、學生成績評定方法改革

學生成績評定方法是教學改革很重要的一環。由于實驗內容嶄新的，因而學生成績的評定方法也必須隨之而變。我們采用的是定性與定量相結合的評定方法。具體表現在出勤率、設計及實驗的實現速度、實現質量以及報告質量。

基礎設計及實驗占40%，綜合（1，2）占10%，綜合（3、4、5之一）占20%，探究為附加分最多10分，報告占30%。實驗按照出勤率、認真程度、完成效果、完成快慢、答辯情況綜合考核。具體實施時，由于基礎實驗和綜合（1，2）完成得都比較好，出勤率也都是滿勤，我們就按照完成快慢排序考核，10個小組，分成三檔，分別對應90，80，70分，各小組內根據貢獻率及平時表現上下浮動5分;綜合（3、4、5之一）完成質量和速度參差不齊，我們就重點按質量排序，質量相同的再按照速度排序，也是跟上面類似，分成三檔，分值及浮動相同。探究則根據完成的質量和速度酌情加分。

報告按照設計任務5%、小組分工5%、設計內容25%、實驗效果30%、遇到的問題及解決辦法20%、收獲體會和意見及建議10%、報告書寫規范程度5%評定。

按照這套評定方法，給出的小班成績符合正態分布規律，有效地實現了學生成績的評定。

四、課程改革的效果評價

經過一輪教學改革的實踐，其效果是很明顯的：

（一）培養了學生自學能力

本課程除了安排4學時的理論授課，其他環節都是以學生自學為主，要求學生課前預習實驗指導書（中文）以及芯片參考手冊（英文）、設計相應的程序，課上調試程序、軟硬件聯調并記錄實驗結果，所以鍛煉了學生中英文自學能力。

（二）師生互動加強

本課程以實踐課為主，采取的形式是學生動手實驗，教師輔導驗收。學生遇到問題，教師會及時回答。師生互動對教師是一種挑戰，需要教師備課充分才能解決各種各樣的問題。

（三）鍛煉了學生團隊合作意識

SC教改要求增強學生的合作意識，因此我們設計三人一個小組，讓不同智力水平、不同學習成績、不同素質的學生組成一組，使他們學會分工協作，取長補短，達到集體合作的效果最佳是我們追求的改革目標。我們在成績評定上也體現出這一點，小組任務完成得快而好，那么小組成員的成績都高一個檔次。

（四）促進了學生的學習主動性

SC教改要求學生積極學習。我們只是給了兩個最基本的例程（時鐘控制和IIC——MPU6050數據讀取）和app控制部分例程，把學生領進門，剩下的程序需要學生自學編程完成，在學習中發現問題并解決問題，尤其探究性實驗能積極促進學生的自主性。

（五）加強了創新思維訓練

我們通過綜合設計及探究性實驗的實踐，極大地促進了學生的創新意識和創新思維。我們所提供的傳感器模塊有五種，提供給學生豐富的信息數據，怎么使小車既能平衡又能沿預期的軌跡前進，對學生來說是個挑戰。另外，小車提供了SCI串口通信以及藍牙通訊模塊，這使得平衡小車與手機的通訊成為可能，這需要學生既要懂得通信協議，又要懂得java編程，這個程序的功能連公司里面的研發人員都沒有完全做到，而我們的學生做到了。

五、結論

我們在SC教學改革思想和創新思維的指導下，進行了測控系統課程設計教學改革，課程基于兩輪自平衡小車，為我校自動化專業的學生提供了一個展示自己能力的平臺。在新的教學實踐中，學生自主選擇硬件配置，既有分工合作，又有獨立設計。課程分為理論學習，基礎設計及實驗、綜合設計及實驗和探究設計及實驗，促進了學生自學能力、綜合設計能力和創新能力的發展，學習效果進一步提升。此外，本文還提出了學生成績的評定方法，有效地實現了學生成績的評定。

參考文獻：

[1]熊偉麗，陶洪峰，劉艷君，等.新工科背景下自動化專業工程實踐教學體系的建設與思考[J].高教學刊，2019，（12）：62-64.

[2]趙炬明.論新三中心：概念與歷史——美國SC本科教學改革研究之一[J].高等工程教育研究，2016，（3）：35-56.

[3]趙炬明.聚焦設計：實踐與方法（下）——美國“以學生為中心”的本科教學改革研究之三[J].高等工程教育研究，2018，170（03）：35-50.

[4]駱雪晴，何飛，李永峰.基于創新能力培養的本科生研究性學習研究[J].高教學刊，2018，85（13）：39-41.