基于智能車競賽的汽車傳感器技術課程教學改革

趙奉奎 呂立亞

摘 ? 要：針對當前汽車傳感器技術課程理論性課堂教學與實踐性實驗教學相分離，實驗教學不易拓展的問題，提出了結(jié)合全國大學生智能汽車競賽，搭建使用靈活、運作高效的智能車實驗教學平臺的傳感器教學、實驗改革方案，課堂教學過程中利用智能車實驗平臺驗證理論，在實驗教學過程中學生通過自己安裝傳感器、編程處理傳感器信號的方式鍛煉實踐能力。實踐結(jié)果表明教學改革方案能夠促進課堂教學與實驗教學的有機融合，使學生對理論知識的掌握更加深入，實踐能力得到了明顯提高。

關鍵詞：汽車傳感器 ?智能車 ?教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0199-03

Abstract： Theoretical teaching and experiments are usually implemented separately and the content of practice teaching is not expandable. To solve this problem， a theoretical teaching and experiments reform program for course of automobile sensor technique is proposed. This program builds intelligent cars as experimental platform based on the national university students intelligent cars race. It is believed that the developed experimental platform would be more flexible and high efficiency. The experimental platform， i.e.， the intelligent cars are used to verify the theoretical analytic results on the class. When doing experiments， students are required to install the sensors and process sensor signals on MCU by programming. Results demonstrate that the program promotes the combination of teaching and experiment， and makes the students have deeper understanding of the theories and enhanced practicing abilities.

Key Words： Automobile Sensor; Intelligent Car; Teaching Reform

隨著電子技術的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高，越來越多的傳統(tǒng)的機械控制系統(tǒng)由電子控制系統(tǒng)代替。在此背景下，汽車電子方向成為車輛工程專業(yè)發(fā)展的重要方向，也是行業(yè)未來發(fā)展趨勢，人才缺口巨大。汽車電子方向的學生除了需要掌握汽車構(gòu)造、汽車理論等傳統(tǒng)車輛工程的專業(yè)課外，還需要掌握汽車傳感器技術、汽車電子控制技術、汽車電器與電子技術等課程。汽車傳感器技術是汽車電器、電控系統(tǒng)的前端器件，是汽車電子控制系統(tǒng)的基礎，因此對該課程知識的掌握非常關鍵。汽車傳感器技術傳統(tǒng)教學方式為課堂上進行理論教學，在實驗室進行實驗驗證。在教學過程中存在一些繼續(xù)解決的問題：（1）持續(xù)的知識講解會使課堂枯燥乏味，學生的學習激情隨著教學內(nèi)容的深入而逐漸消退，學習興趣下降，學習效果差;（2）實驗設備體積大，課堂上無法直觀的觀察傳感器信號，教學和實驗分離，且臺架上的傳感器種類固定、數(shù)量少、綜合性差，且臺架試驗方法固定，不能充分發(fā)揮學生的主觀能動性;（3）實驗課時少，不利于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新意識;（4）臺架不適于加速度、角速度、距離等信號的測量。

全國大學生智能汽車競賽是受教育部高等教育司委托，由教育部高等自動化專業(yè)教學指導分委員會主辦、恩智浦（中國）管理有限公司協(xié)辦的賽事，競賽是以智能車為研究對象，面向全國大學生的一種具有探索性工程實踐活動[1]。該競賽以汽車電子為背景，在統(tǒng)一的汽車模型上，使用恩智浦半導體公司的微控制器作為核心控制模塊，通過安裝傳感器、設計電機驅(qū)動電路、編寫單片機程序，制作一個能夠自主識別道路的智能車，按照規(guī)定路線行進，用時最短者獲勝。

通過全國大學生智能汽車競賽進行教學改革，可彌補傳統(tǒng)課堂教學和實驗教學的缺點，能夠建立有效的理論和實踐相結(jié)合的途徑，提高學生分析解決問題的能力，培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新精神。

1 ?汽車傳感器技術教學改革方案概況

高等教育發(fā)展歷程中形成的理性主義課程理念認為實踐課程是為了讓學生更好地理解和掌握理論知識。當前專業(yè)教材重視理論完整性、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性、邏輯嚴密性和知識深度性，有助于學生盡快掌握基本的理論、概念、原理和原則，但卻忽視了實踐應用，不能很好地培養(yǎng)學生的實踐能力[2]。汽車傳感器技術，是一門理論性和實踐性都非常強的課程，汽車傳感器技術教材既要詳細敘述傳感器的工作原理，又要對傳感器在汽車上的安裝位置、輸出信號類型和信號處理方法進行詳細分析。例如MEMS角速度傳感器大都利用哥氏力原理，教學過程中需要向?qū)W生詳細解釋哥氏力產(chǎn)生的原因和檢測方法，進而分析角速度傳感器輸出信號類型。南京林業(yè)大學汽車與交通工程學院實驗室有很多臺架，可用于對傳統(tǒng)汽車傳感器進行測試，包括發(fā)動機控制系統(tǒng)所需的溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器、氣體傳感器、空氣流量傳感器等和底盤控制系統(tǒng)所需的車速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等等，還研發(fā)了電動汽車再生制動臺架[3]。近幾年新型傳感器在汽車上使用越來越多，如加速度計、陀螺儀、毫米波雷達、LiDAR和攝像頭等，而這些傳感器缺乏有效的實驗平臺供學生實踐。因此，汽車傳感器技術課程教學方式急需改革。

教學改革內(nèi)容包括三部分，如圖1所示。第一部分將實驗室搬進教室，將課堂教學與實驗教學相結(jié)合，建立課堂教學與實驗教學的有效通道;第二部分對實驗教學進行改革，設計傳感器安裝環(huán)節(jié)、傳感器輸出信號測試環(huán)節(jié)和基于單片機的傳感器信號處理環(huán)節(jié)，給學生足夠的空間發(fā)揮主觀能動性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力;第三部分為課程擴展，學生技能訓練過程中動手打造一輛智能車，設計信號采集電機控制電路，安裝智能車并進行智能車調(diào)試。

2 ?汽車傳感器技術教學改革方案實施

在教學課堂講授理論知識的同時，進行新型傳感器的部分實踐活動，并深入實驗教學改革，建立理論知識與實踐知識的雙向、互動關系，將理論知識與實踐知識有機融合起來[4]。

2.1 智能車實驗平臺制作

車模是傳感器安裝、測試的平臺，智能車比賽提供了多種車模，包括兩輪直立車模，三輪車模和四輪車模。在車模上可安裝的傳感器種類較多，智能車主板需要為各種傳感器留下大量接口，以備功能擴展。為此，以恩智浦單片機為控制器，設計通用的控制主板，控制主板包括傳感器接口、電機驅(qū)動模塊和舵機驅(qū)動模塊和光電編碼器接口。將通用的控制主板分別安裝在兩輪直立車模、三輪車模和四輪車模上，制作成智能車實驗平臺。

2.2 課堂教學與實驗教學有機融合

傳統(tǒng)教學方式在進行課堂教學時主要講授理論知識，進行教學改革后，講解傳感器的工作原理和輸出信號的類型及濾波放大處理方法，將裝有傳感器的智能車實驗平臺帶進課堂，在課堂上利用示波器等設備展示隨輸入信號的變化傳感器輸出信號的變化，對理論知識進行驗證。并講解傳感器信號在單片機中的處理過程，實現(xiàn)理論知識與實踐知識的結(jié)合。

在深化實驗教學體系改革方面，實驗課上學生除了在臺架上進行傳統(tǒng)傳感器的實驗，也在智能車實驗平臺進行新型傳感器的實驗。學生在智能車上動手安裝傳感器，利用示波器觀察傳感器及各級信號處理電路的輸出信號，并結(jié)合傳感器工作原理分析傳感器信號。之后進行單片機編程，實現(xiàn)傳感器信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號讀取，通過藍牙串口，將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機進行觀察記錄。 智能車實驗平臺比臺架試驗更加靈活、自由，為學生提供了發(fā)揮主動能動性的空間，激發(fā)了學生學習的興趣。

2.3 技能訓練

課堂及實驗課時有限，為了進一步鍛煉學生的實踐能力，在學期末的技能訓練環(huán)節(jié)按照大學生智能車競賽設置的組別和要求布置智能車設計任務，利用技能訓練整合傳感器技術、模擬電子技術、數(shù)字電子技術、EDA、自動控制原理和C語言等多門課程，實現(xiàn)多門課程的綜合實踐訓練?；谥悄苘嚫傎惖募寄苡柧氂兄趯W生綜合設計能力的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，也為參加全國大學生智能汽車競賽提前做好準備。

3 ?結(jié)語

針對當前汽車傳感器技術課程課堂教學與實驗教學相分離，臺架實驗內(nèi)容不易拓展等問題，提出了基于智能車實驗平臺的傳感器教學、實驗改革方案。智能車實驗平臺使用靈活、運作高效，實踐表明，教學改革后的汽車傳感器技術課程有效融合了課堂教學和實驗室教學，建立了理論知識與實踐知識的雙向、互動關系，改善了課堂教學和實驗教學的效果，激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生的實踐能力和綜合設計能力。

參考文獻

[1] 全國大學生智能汽車競賽介紹[EB/OL].http：//smartcar.xujc.com/2018/0801/c5280a107641/page.htm，2019.

[2] 潘懋元，周群英.從高校分類的視角看應用型本科課程建設[J].中國大學教學，2009（3）：4-7.

[3] 呂立亞.電動汽車RBS與ABS集成控制研究[D].南京林業(yè)大學，2018.

[4] 鄭琰，張駿，趙奉奎.物流工程專業(yè)應用型人才培養(yǎng)教學模式創(chuàng)新研究[J].科技創(chuàng)新導報，2017，14（20）：215-216.