結合智能汽車競賽探索自動化專業(yè)實踐教學改革

林 輝

（韶關學院 物理與機電工程學院，廣東 韶關 512005）

學科競賽對提高學生的專業(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作用.全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是受教育部高等教育司委托，由教育部高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會主辦，飛思卡爾公司協(xié)辦，由各大學分別承辦的面向全國大學生的重要科技賽事.第三、四、五屆連續(xù)被教育部批準列入國家教學質量與教學改革工程資助項目，已發(fā)展成為全國30個?。ㄗ灾螀^(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、電子電氣、計算機、機械等多個學科于一體的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學生的一項具有探索性的工程實踐活動.

將競賽與教學結合，通過組織學生參加競賽，使學生將所學的各個模塊知識進行串聯(lián)，學會綜合應用，培養(yǎng)學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驗反過來促進教學和實踐的改革.兩者相輔相成，相互促進.筆者結合全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，對自動化專業(yè)的實踐教學改革進行了一些探索.

1 當前實踐教學中存在的問題

傳統(tǒng)的教學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”，學生學完課程之后的結果往往是“上課聽懂了，考試及格了，遇到問題傻眼了”.因為大多數(shù)高校偏重對學生理論知識掌握程度的考核，所以無形之中就把實踐教學以及對學生實踐動手能力、創(chuàng)新能力等實際能力放在了次要的位置上，純粹的理論學習在教學中占有絕對的地位.教學中的薄弱環(huán)節(jié)是理論與實踐結合不夠，學生往往不具備綜合運用所學知識進行設計的能力.創(chuàng)新及獨立工作的能力是學生普遍欠缺的，也是教學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］.目前實踐教學主要存在以下幾個問題.

（1）主觀認識上，對實踐教學不夠重視，一定程度上存在“重理論、輕實踐，重課堂、輕課外”傾向.把實踐教學看作是理論教學的補充，內容大多停留在對理論教學內容的驗證上.在實踐過程中不夠注重調動學生的主動性和積極性，不夠注重培養(yǎng)學生的實踐動手能力和創(chuàng)新意識.另一方面，部分同學沒有認真對待實踐教學環(huán)節(jié)，上課時不能按照老師的要求認真完成實踐任務，而是把實踐任務寄托在別的同學身上，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）學生對課程學習興趣不高.學生對課程的重要性認識不夠，沒有充分明確的學習目標，學習興趣不濃.部分學生甚至出現(xiàn)不想學、懶惰、厭煩、消極的情緒，這也是實驗課上學生積極性不高、敷衍了事的重要原因.［2］

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

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

2 結合競賽的實踐教學改革

全國大學生“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，自主構思控制方案進行系統(tǒng)設計，包括傳感器信號采集處理、電機驅動、轉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，以完成時間最短者為優(yōu)勝［3］.筆者以模型車的制作及調試為主線，采用循序漸進的方法，把這個復雜的系統(tǒng)項目分解到相關課程的實踐教學環(huán)節(jié)中，使學生在實踐過程中根據(jù)總體目標逐步實現(xiàn)各個功能模塊.這樣可以使得相關課程的實驗內容不再是孤立的，而是相互聯(lián)系的，是在一個總體目標驅動下不斷增加和完善的過程，而學生在一個又一個小的任務的驅動下，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，筆者結合智能汽車競賽對一些課程的驗證性實驗進行了重新設計.例如在《計算機控制技術》課程中，以模型車速度控制為背景，設計了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生加深理解課程的內容，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生從理論指導實踐，切實掌握課程的內容.

2.2 增加綜合性和設計性實驗

綜合性和設計性實驗的設計以緊扣教學大綱、課程內容與實際系統(tǒng)，題目難度適中，具有一定的創(chuàng)新和探索性為原則，讓學生有一定的思考和發(fā)揮的空間［4］.以模型車制作及調試為主線，筆者結合《C語言程序設計》、《微機原理及應用》、《模擬電子技術》、《檢測技術與自動化儀表》、《計算機控制技術》等課程的內容，增加綜合性和設計性實驗，幫助學生建立系統(tǒng)的概念，要求學生在正確理解實驗目的和要求的基礎上，查閱資料，完成相應硬件電路的設計和搭建、界面設計和控制算法軟件編程.

例如，直流電機速度控制綜合實驗，對學生作以下要求：

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

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

（3）根據(jù)測得的電機轉速采用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)，自主設計制作電機驅動電路.

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

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、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、電機驅動和程序設計等多門課程的內容，幫助學生將相關課程的內容聯(lián)系起來，使學生將所學的各個模塊知識進行串聯(lián)，學會綜合應用，同時也為學生參加智能汽車競賽和畢業(yè)設計打下基礎.

2.3 調整課程開設時間

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

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，其核心作用是為學生課程學習、課外科技活動和各類學科競賽提供設備和場所.對于不同年級的學生，實驗室開放的內容有所不同.對于一年級的學生，由于宿舍沒有電腦，實驗室晚上定期開放，為學生提供更多的上機編程的機會；對于二、三年級的學生，主要是參加智能汽車競賽和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目的學生，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備，學生可以自主進行電路設計、制PCB板、調試等，為相關技術的學習創(chuàng)造良好的實踐條件.儀器設備實行“專管專用”制度，安排智能汽車競賽指導老師作為管理人員，各專用設備落實相應的責任人.開放性實驗室有助于學生學習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生的視野，引發(fā)學生的學習興趣，縮短書本知識與工程實踐之間的距離，促進學生自主完善知識結構，提高學生的自學能力，還可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和科研精神，增進學生工程實踐素質的培養(yǎng)［5］.課外科技活動的形式多種多樣，除了各種全國性的學科競賽，如“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生電子設計競賽、全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，還有大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目和教師科研項目等.參與各種課外科技活動，不僅能夠鍛煉學生實踐動手能力，還能培養(yǎng)學生的溝通能力、團隊協(xié)作精神和創(chuàng)新意識.

3 結語

經過近年來的改革與實踐，韶關學院自動化專業(yè)實踐教學取得了較好的效果，達到了預期目標.近兩年，自動化專業(yè)學生在各項課外科技活動中成績斐然，獲得全國大學生“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；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目省級6項，校級25項；在廣東省大學生電子設計競賽中，獲得三等獎1項和成功參賽獎1項；在第十二屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學生課外學術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改革是一條切實有效的途經，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.學科競賽促進電機課程教學改革［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語言程序設計實驗教改研究［J］.裝備制造技術,2012(7):225-227.

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

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

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