基于兩輪自平衡小車的測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革

張秦艷 林煒豪 劉春 蔡寧 林雪燕

摘要：測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是北京郵電大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)本科生主干課程。文章分析了以往課程的不足之處，在“以學(xué)生為中心”和創(chuàng)新思想的指導(dǎo)下，利用兩輪自平衡小車為實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革。在新的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生自主選擇硬件配置，既有分工合作，又有獨(dú)立設(shè)計(jì)。通過教學(xué)改革，培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和自學(xué)能力，增進(jìn)了合作意識，提高了綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：測控系統(tǒng);兩輪自平衡小車;教學(xué)改革

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

引言

新經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)下新工科建設(shè)的提出，對工科人才培養(yǎng)的理念和模式提出新的挑戰(zhàn)[1]。測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是北京郵電大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)本科生主干課程，它安排在大三下學(xué)期，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)積累了一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識，如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、微機(jī)原理及接口技術(shù)、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(shí)安排一門綜合的課程設(shè)計(jì)，有利于學(xué)生對所學(xué)知識的融會(huì)貫通。而測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)得好，學(xué)生就會(huì)對所學(xué)本專業(yè)的信心倍增。

我們舊有的測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的題目，是讓學(xué)生基于C++或Visual Basic（VB）編寫信號采集程序并進(jìn)行快速傅立葉變換后將時(shí)域和頻域波形顯示出來。這個(gè)題目內(nèi)容只有檢測、沒有控制，綜合性不夠，少有學(xué)生在系統(tǒng)功能上能有更多的創(chuàng)新。而且這個(gè)題目做了若干年，總有個(gè)別同學(xué)存在抄襲往屆現(xiàn)象。因而有必要重新設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，進(jìn)行課程改革。

一、“以學(xué)生為中心”和鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新的要求

傳統(tǒng)的教學(xué)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(xué)生為中心”（Student-Centeredness，SC）的本科教學(xué)改革始于美國1980年代，席卷了美國所有高校，這場運(yùn)動(dòng)目前仍在繼續(xù)[2]。SC模式的基本特征是“新三中心”：以學(xué)生發(fā)展為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心、以學(xué)習(xí)效果為中心。隨著“以學(xué)生為中心”的本科教學(xué)改革的深入，本課程也需要轉(zhuǎn)變觀念，以老三中心為基礎(chǔ)、以新三中心為引領(lǐng)，遵照七個(gè)原則[3]去設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。

創(chuàng)新是近年來國內(nèi)高校培養(yǎng)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(xiàn)代企業(yè)需要既懂工程技術(shù)知識，又懂經(jīng)濟(jì)管理;既會(huì)外語，又懂計(jì)算機(jī)操作;既具有綜合分析問題能力，又具有開拓創(chuàng)新能力的高素質(zhì)復(fù)合型人才[4]。很多學(xué)者積極探討培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力的新途徑，比如鼓勵(lì)學(xué)生參加創(chuàng)新項(xiàng)目、競賽、科研項(xiàng)目等。我們認(rèn)為課程是大學(xué)本科生學(xué)習(xí)的最基本環(huán)節(jié)，如果每一門課程都能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，學(xué)生的創(chuàng)新能力自然而然就得到提升。因而，我們決定從基礎(chǔ)做起，在課程中設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)環(huán)節(jié)。

二、測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的改革

兩輪自平衡式的輪式機(jī)器人，其設(shè)計(jì)應(yīng)用了倒立擺模型的控制思想，因?yàn)榫哂辛戕D(zhuǎn)彎半徑的優(yōu)點(diǎn)，在未來的物流、工業(yè)和交通運(yùn)輸領(lǐng)域有著很大的發(fā)展空間。本課程采用安徽合動(dòng)智能科技有限公司提供的兩輪自平衡小車實(shí)驗(yàn)平臺，它采用積木化設(shè)計(jì)，包括主控板、驅(qū)動(dòng)電路板、陀螺儀模塊、超聲波模塊、紅外模塊、藍(lán)牙模塊、電機(jī)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(fā)。下面分三個(gè)方面說明本課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革。

（一）課程分層次設(shè)計(jì)

我們在設(shè)計(jì)課程時(shí)，注重了內(nèi)容層次的設(shè)計(jì)。既有理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，又有實(shí)踐環(huán)節(jié)。實(shí)踐環(huán)節(jié)包括基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)和探究性設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)。

理論學(xué)習(xí)內(nèi)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(zhuǎn)向控制原理、直流電機(jī)原理與驅(qū)動(dòng)、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(xiàng)等。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)包括時(shí)鐘控制、GPIO輸出——LED跑馬燈、GPIO輸入——按鍵實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器中斷——Timer0 Interrupt、SCI串口通信、Epwm基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、ECap基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、ADC電壓采集實(shí)驗(yàn)、ECap實(shí)驗(yàn)——超聲波測距、Epwm實(shí)驗(yàn)——電機(jī)調(diào)速、IIC實(shí)驗(yàn)——MPU6050數(shù)據(jù)讀取、EQep實(shí)驗(yàn)——編碼器信號采集和ADC實(shí)驗(yàn)——線性CCD數(shù)據(jù)采集共十三個(gè)實(shí)驗(yàn)。通過基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握IO口設(shè)計(jì)、ADC設(shè)計(jì)、定時(shí)器中斷、串口通信等基本環(huán)節(jié)以及TMS320F28069DSP所特有的脈寬調(diào)制、增強(qiáng)型脈沖捕獲、增強(qiáng)型正交編碼器脈沖檢測以及內(nèi)置集成電路總線的使用。

綜合設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)包括平衡車平衡控制、平衡控制進(jìn)階、平衡車之圈內(nèi)避障、平衡車之紅外循跡、平衡車之CCD循跡。前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)小車基本的平衡控制，之后三個(gè)是基于不同的傳感器實(shí)現(xiàn)避障或循跡的功能，而且循跡的軌道有三個(gè)，一個(gè)比一個(gè)難度加大。

探究性設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)是App控制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，是開發(fā)基于android手機(jī)的app和小車底層通信及控制程序，并在小車上調(diào)試通過。學(xué)生自主提出手機(jī)端和小車端的功能和解決方案，并設(shè)計(jì)程序得以實(shí)現(xiàn)。這是最具挑戰(zhàn)性的內(nèi)容，要求學(xué)生具有很強(qiáng)的創(chuàng)新能力。

本課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，有基礎(chǔ)，有綜合，還有創(chuàng)新;由淺入深，層層深入。

（二）課程學(xué)時(shí)安排

我們設(shè)計(jì)了相應(yīng)的學(xué)時(shí)安排。這門課計(jì)劃總共32學(xué)時(shí)，理論學(xué)習(xí)占4個(gè)學(xué)時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)占16學(xué)時(shí)，綜合設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)占10學(xué)時(shí)，競賽占2學(xué)時(shí)。這個(gè)安排，時(shí)間非常緊湊，因?yàn)榫C合設(shè)計(jì)要求有獨(dú)立設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，一個(gè)小組只有一臺小車，只能串行操作，而且調(diào)控制參數(shù)很費(fèi)時(shí)間，后來我們實(shí)施時(shí)增加了4學(xué)時(shí)，才得以完成。

（三）實(shí)驗(yàn)組織及實(shí)施

我們在本校2016級自動(dòng)化專業(yè)2個(gè)小班實(shí)施了該項(xiàng)教學(xué)改革，以30人小班為單位，3人一組。以往是一個(gè)專業(yè)兩個(gè)小班一塊上課，由一個(gè)老師指導(dǎo)，學(xué)生有問題老師指導(dǎo)不過來，影響了互動(dòng)效果。這次我們改革了指導(dǎo)方式，一個(gè)老師帶一個(gè)小班，學(xué)生有問題可以及時(shí)解決。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)要求每個(gè)學(xué)生必做，即在小車上調(diào)試通過程序，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，除了時(shí)鐘控制和IIC實(shí)驗(yàn)——MPU6050數(shù)據(jù)讀取這兩個(gè)比較難、需提供例程外，其他都要學(xué)生自己參考指導(dǎo)書和芯片參考手冊編寫程序。

綜合設(shè)計(jì)其中前兩個(gè)是每個(gè)學(xué)生必做的，平衡車之圈內(nèi)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(gè)小組3人組成，3人各自完成不同的設(shè)計(jì)內(nèi)容并在小車上調(diào)試通過。

最后一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)是選做實(shí)驗(yàn)，是給有創(chuàng)新能力的學(xué)生準(zhǔn)備的。需要學(xué)生富有想象力并能通過自學(xué)實(shí)現(xiàn)android程序和小車藍(lán)牙通信程序的開發(fā)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容非常充實(shí)，環(huán)環(huán)相扣，這是以前的課程設(shè)計(jì)沒法相比的。

競賽的實(shí)施采用學(xué)生錄視頻的方式提交，評判標(biāo)準(zhǔn)首先是避障或循跡完成的質(zhì)量，避障比如能否貼著墻壁走、直角是否標(biāo)準(zhǔn)、是否有撞墻的現(xiàn)象等，循跡比如能完成幾個(gè)賽道、能否完成一來一回循跡、軌跡末端是否原地調(diào)頭、直角拐得是否標(biāo)準(zhǔn)、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(xiàng)競賽的前三名。另外，評出app控制的特別獎(jiǎng)勵(lì)一名。

三、學(xué)生成績評定方法改革

學(xué)生成績評定方法是教學(xué)改革很重要的一環(huán)。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容嶄新的，因而學(xué)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(jié)合的評定方法。具體表現(xiàn)在出勤率、設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)速度、實(shí)現(xiàn)質(zhì)量以及報(bào)告質(zhì)量。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)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(bào)告占30%。實(shí)驗(yàn)按照出勤率、認(rèn)真程度、完成效果、完成快慢、答辯情況綜合考核。具體實(shí)施時(shí)，由于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(gè)小組，分成三檔，分別對應(yīng)90，80，70分，各小組內(nèi)根據(jù)貢獻(xiàn)率及平時(shí)表現(xiàn)上下浮動(dòng)5分;綜合（3、4、5之一）完成質(zhì)量和速度參差不齊，我們就重點(diǎn)按質(zhì)量排序，質(zhì)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(dòng)相同。探究則根據(jù)完成的質(zhì)量和速度酌情加分。

報(bào)告按照設(shè)計(jì)任務(wù)5%、小組分工5%、設(shè)計(jì)內(nèi)容25%、實(shí)驗(yàn)效果30%、遇到的問題及解決辦法20%、收獲體會(huì)和意見及建議10%、報(bào)告書寫規(guī)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(tài)分布規(guī)律，有效地實(shí)現(xiàn)了學(xué)生成績的評定。

四、課程改革的效果評價(jià)

經(jīng)過一輪教學(xué)改革的實(shí)踐，其效果是很明顯的：

（一）培養(yǎng)了學(xué)生自學(xué)能力

本課程除了安排4學(xué)時(shí)的理論授課，其他環(huán)節(jié)都是以學(xué)生自學(xué)為主，要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（中文）以及芯片參考手冊（英文）、設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，課上調(diào)試程序、軟硬件聯(lián)調(diào)并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以鍛煉了學(xué)生中英文自學(xué)能力。

（二）師生互動(dòng)加強(qiáng)

本課程以實(shí)踐課為主，采取的形式是學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，教師輔導(dǎo)驗(yàn)收。學(xué)生遇到問題，教師會(huì)及時(shí)回答。師生互動(dòng)對教師是一種挑戰(zhàn)，需要教師備課充分才能解決各種各樣的問題。

（三）鍛煉了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識

SC教改要求增強(qiáng)學(xué)生的合作意識，因此我們設(shè)計(jì)三人一個(gè)小組，讓不同智力水平、不同學(xué)習(xí)成績、不同素質(zhì)的學(xué)生組成一組，使他們學(xué)會(huì)分工協(xié)作，取長補(bǔ)短，達(dá)到集體合作的效果最佳是我們追求的改革目標(biāo)。我們在成績評定上也體現(xiàn)出這一點(diǎn)，小組任務(wù)完成得快而好，那么小組成員的成績都高一個(gè)檔次。

（四）促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性

SC教改要求學(xué)生積極學(xué)習(xí)。我們只是給了兩個(gè)最基本的例程（時(shí)鐘控制和IIC——MPU6050數(shù)據(jù)讀取）和app控制部分例程，把學(xué)生領(lǐng)進(jìn)門，剩下的程序需要學(xué)生自學(xué)編程完成，在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，尤其探究性實(shí)驗(yàn)?zāi)芊e極促進(jìn)學(xué)生的自主性。

（五）加強(qiáng)了創(chuàng)新思維訓(xùn)練

我們通過綜合設(shè)計(jì)及探究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，極大地促進(jìn)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。我們所提供的傳感器模塊有五種，提供給學(xué)生豐富的信息數(shù)據(jù)，怎么使小車既能平衡又能沿預(yù)期的軌跡前進(jìn)，對學(xué)生來說是個(gè)挑戰(zhàn)。另外，小車提供了SCI串口通信以及藍(lán)牙通訊模塊，這使得平衡小車與手機(jī)的通訊成為可能，這需要學(xué)生既要懂得通信協(xié)議，又要懂得java編程，這個(gè)程序的功能連公司里面的研發(fā)人員都沒有完全做到，而我們的學(xué)生做到了。

五、結(jié)論

我們在SC教學(xué)改革思想和創(chuàng)新思維的指導(dǎo)下，進(jìn)行了測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革，課程基于兩輪自平衡小車，為我校自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生提供了一個(gè)展示自己能力的平臺。在新的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生自主選擇硬件配置，既有分工合作，又有獨(dú)立設(shè)計(jì)。課程分為理論學(xué)習(xí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)和探究設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)了學(xué)生自學(xué)能力、綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展，學(xué)習(xí)效果進(jìn)一步提升。此外，本文還提出了學(xué)生成績的評定方法，有效地實(shí)現(xiàn)了學(xué)生成績的評定。

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