面向新工科的綜合實訓車開發

陳新兵 龍曉莉 謝斌盛 胡維

摘? 要 針對電工電子實習教學工程案例的不足，開發面向新工科的綜合實訓車。整車以尋寶為主題開發，根據低年級學生特點采用模塊化設計方案，由電源模塊、傳感模塊、主控模塊、驅動模塊、車燈控制、藍牙通信等部分構成，融入跨學科創新要素，并從系統結構、硬件設計、軟件編程、協同仿真、資源構建等方面作了具體介紹。教學應用表明，該車滿足了實習教學與課外創新需求，學生得到更系統的工程歷練，綜合實踐與融合創新能力顯著提升。

關鍵詞 新工科;電工電子實習;綜合實訓車;Proteus

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）18-0129-04

Development of Comprehensive Training Vehicles for New Engi-

neering//CHEN Xinbing， LONG Xiaoli， XIE Binsheng， HU Wei

Abstract For current teaching project cases can not work well with new engineering construction， comprehensive training vehicles are

developed for electrical and electronics practice. The vehicle is de-signed with treasures hunt as the theme， and composed of power module， sensor module， system board， driver module， lights control， Bluetooth communication， etc. According to the characteristics of

the junior students， interdisciplinary innovation elements are inte-grated progressively in teaching design. Furthermore， how to design

the vehicle is presented in the aspect of the system structure， hard-ware design， software programming， cooperative simulation and

resource construction. The teaching application shows that the vehi-

cle gives students a more systematic engineering experience， signifi-cantly improve their practical innovation ability， meets the needs of practical teaching reform and extracurricular innovation.

Key words new engineering; electrical and electronics practice; comprehensive training vehicle; Proteus

0? 前言

新一輪科技革命和產業變革，需要大批高素質復合型新工科人才。新工科強調電子控制、信息通信、軟件設計、人工智能等跨學科創新要素與傳統工業技術的融合，拓寬了專業視野，釋放了創新活力，為實踐課程教學改革與新工科人才培養提供了指導[1-2]。

電工電子實習是工科專業低年級學生的基礎實訓環節，長期以來側重培養實踐動手能力的培養，綜合應用與創新能力培養亟待加強。各高校提出的解決思路中[3-4]，一部分強調課外創新，課堂教學仍以傳統案例支撐，融入創新要素困難，難以帶動課外創新;一部分缺乏系統級工程案例統領以形成分層次課堂，有違普及教育初衷，無法承載新工科建設重任。

廣州大學在探索電工電子實習建設新工科示范課程的過程中，以系統級工程案例構建為突破口，統籌考慮實習教學對后續課程與課外創新的支撐，培養學生科研興趣與降低課外創新門檻的設計，鞏固基本電子技術與普及應用系統設計的方法，開發了實訓教學車，立足實習教學，面向課外創新，探索在課堂學時有限的條件下進行新工科復合式人才培養。

1? 實訓車開發

電子控制系統是信息科技產業與其他行業自動化裝備的核心，作為電工電子技術的綜合應用，在新工科人才培養中占有重要地位。智能車是典型的電子控制系統，包含輸入傳感器、微控制器核心與輸出執行器三個基本環節，擴展性強、創新元素多，是創意機器人設計的基礎，也是全國智能汽車競賽、機器人大賽、全國電子設計大賽與挑戰杯的熱門主題[5]，廣受師生歡迎，成為實踐創新入門訓練的理想題材。實習課程組根據新工科建設需求，采用科技競賽成果轉化的方式，為電工電子實習開發了綜合實訓車。下面從系統結構、硬件設計、容錯設計、軟件編程、協同仿真、資源建設五個方面進行介紹。

1.1? 系統結構

實訓車以尋寶為主題設計，尋寶成功時以聲光示意，沿規劃路徑抵達終點后自動停車，并發送比賽數據到裁判端。整車使用四驅差速底盤，有位置、速度與尋寶三個子系統，結構見圖1。其中位置控制系統負責導航，引導實訓車沿規劃路徑行進，由循跡傳感、微控制器、驅動電路、電機與光隔電路組成。速度控制系統確保實訓車快速平穩行駛，由電池電壓檢測、微控制器、驅動電路、電機與光隔電路組成。尋寶控制系統負責探測路面特定標識，實時發出聲光提示，并將統計數據通過藍牙通信發至裁判端，由光電傳感、微控制器、蜂鳴電路與通信電路組成。主控模塊是整個系統的指揮控制核心，圖1中以灰底標示，由微控制器、光隔、ISP編程口、電池電壓采集、調試按鍵、LED指示燈、蜂鳴電路與保護電路構成，為后續創意機器人設計預留了接口，決定了整個系統的功能、可靠性與拓展性。

1.2? 模塊化設計

實訓車硬件采用模塊化設計方案，由電源模塊、傳感模塊、主控模塊、驅動模塊、車燈控制、藍牙通信、OLED顯示、軟件編程與結構設計等部分構成，各模塊間采用杜邦線進行電氣連接，如圖2所示。

綜合實訓車，承載電子工藝實訓、電子控制系統普及、電子技術典型應用與創新入門教育四項職能，課程組據此重組教學內容，優化知識結構，融合創新元素，統籌完成各個電路模塊的開發。每個電路模塊皆采用常見芯片設計，對應1～2項實訓內容，達成工程能力培養目標，具體見表1。

1.3? 軟件編程

實訓車軟件編程有循跡、尋寶與恒速三大任務，其中恒速采用前饋控制方法，跑車過程中單片機不斷檢測電池電壓，據此實時調節PWM輸出占空比，使電機端電壓為常數Vmo，確保電池電量下降時整車穩態速度基本不變。其中Vmo決定穩態車速，需要根據現場調試情況確定最佳速度，確保車跑得又快又穩。

循跡任務與尋寶任務，共用車頭安裝的四路光電傳感器檢測路面元素，傳感器呈線陣排列。傳感器遇到黑色時輸出0，四路傳感存在16種檢測結果，其中起跑線為1001、終點為0000、出界為1111、直行遇寶為0101或1010;

其他為循跡模式，引導實訓車從起點出發，沿眼鏡型黑色導航線跑完全程，在終點停車。跑道見圖3。

軟件流程見圖4。微控制器須依次完成初始化、數據采集、數據處理、特征辨識、分類決策等一系列工作，具體編程仿真在Proteus虛擬環境下進行，成功后下載到實訓車，進行現場調試。程序執行時，單片機通過循跡傳感器檢測車頭在跑道的相對位置，輸出相應的啟停、調速、轉彎信號，控制電機執行循跡任務;檢測到跑道兩側的塊狀寶物時進入探寶模式，發出聲光提示信號，并繼續前進尋寶，直至到達終點自動停車;停車后將數據通過藍牙發送到裁判端，尋寶越多而耗時越短者獲得更好成績。此外，認真分析十字路口與終點停車區異同，正確辨識二者，控好速度，方能實現精準停車。

1.4? 協同仿真

實訓車開發過程中引入Proteus軟硬件協同仿真技術，所有電路模塊的規劃、設計、仿真與測試，皆在Proteus虛擬環境下完成，提高了開發效率[6]。其中循跡控制是整個系統的核心，確保實訓車沿規劃路徑行駛，由循跡傳感輸入、電機驅動輸出、微控制器及其程序構成，軟硬件協同仿真效果見圖5。

圖5是車頭右偏時的仿真效果，此時左轉燈D17亮，左輪電機M1、M3后退，右輪電機M2、M4保持前進狀態，二者轉速相等，車輛實現原地左轉，直至方向校正完成。具體執行過程為：四路循跡傳感輸入K1-K4=0111，說明路線在車頭左側，單片機感知后由PB0引腳輸出高電平信號，經光耦U5隔離放大后，觸發一系列動作，即三極管Q3開啟→繼電器RL2線圈通電→常開觸點閉合→電機M1、M3反轉→車輛原地左轉，轉速則由PB1輸出的PWM占空比調節。這種軟硬件協同仿真開發方法，已通過課件與例程等資源向學生普及，提升了學生的自主學習能力與創新設計能力。

1.5? 資源建設

課程組以智能車/機器人設計為主線，重組教學內容，逐步融入跨學科創新元素，開發了系列實訓項目，形成基礎實訓、專題培訓與跨學科賽事等三個層次的教學資源，通過MOOC在線平臺共享，滿足不同專業年級學生隨時隨地學習的需要，持續提升學生的實踐創新能力。

1.5.1? 基礎實訓資源? 涉及實訓車硬件系統的設計、制作與調試，重在通過電子工藝訓練普及電子控制系統設計，提升學生的實踐動手能力與硬件系統開發能力，滿足實習課堂教學需要。基礎實訓資源包括兩種。

1）教學課件，包括“實習安排：智能車系統認知”“萬用板與焊接訓練：電源模塊”“PCB板與貼片焊接：尋跡模塊”“電路仿真：車燈模塊”“PCB板設計：車燈模塊”“PCB板焊接調試：車燈模塊”“PCB板設計：驅動電路”“整車裝配調試”。

2）典型環節教學視頻，包括五步焊接法、PCB制作流程、SMT手工貼裝、SMT自動貼裝、典型電路調試、整車裝配聯調等。

1.5.2? 專題培訓資源? 涉及實訓車軟件編程與擴展設計，重在通過實訓車的完整實現普及其他跨學科創新元素應用，提升學生將創意轉化為作品的工程能力，滿足部分專業課堂教學與課外實踐創新的需要，資源包括GPIO&ADC數據采集、GPIO開關控制、PWM電機控制、循跡尋寶算法、藍牙通信、智能車整機聯調、OLED顯示、藍牙物聯APP開發、固定支架設計、3D打印、人工智能應用等例程與課件。

1.5.3? 跨學科賽事資源? 涉及為智能硬件相關賽事創設的系列創新訓練項目，重在指導學生以實訓車為基礎，課外進行創意機器人設計，備戰中國機器人大賽等跨學科賽事，提升學生的多元協同融合創新能力，檢驗師生課賽結合協同發展的階段成果。

2? 應用效果

廣州大學電子實習中心承擔全校13個專業的電工電子實習教學任務，經過三年的完善，第二代實訓車已用于電子、光電、電信、物聯、電氣、自動化、通信等專業的實習教學，為實習提供了系統級工程案例、系列實習項目、優質教學資源、多學科融合創新元素、較復雜工程問題與課外創新平臺，滿足了實習教學的需求，成為新工科課程建設以及課賽協同發展路徑的基石。實習采用停課一周集中實踐的教學方式，大一下學期或大二上學期開課，學生兩人一組，課堂合作完成實訓車硬件設計、制作、調試與循跡，課外編程實現尋寶任務;在此基礎上進行創意機器人設計，參加校內選拔挑戰賽，引領跨學科科技活動，現已成為學校創新創業平臺的練兵場與孵化地，如圖6所示。

通過綜合實訓車，實習中心現已建成以實習為起點，涵蓋跨學科賽事及其課外培訓的校級創客平臺，施行半開放管理制度，成立了智能車協會協助開放管理和課外培訓，形成了課賽訓結合的持續培養模式。近三年組織學生參賽獲省級以上大獎70余項，在創新人才培養模式、培養科研興趣、多學科融合創新、營造科創氛圍等方面取得顯著成效，經過歷練的學生的工程實踐能力、持續發展能力與創新應用能力普遍提升，有力支撐了后續的課程設計、綜合設計實驗與課外科創活動，并于2019年助力廣州大學成為廣東省大學生創新創業教育示范學校。

3? 結語

根據新工科理念開發的實訓車，立足實習，面向課外創新，形成了課賽協同發展的創客平臺，普遍提升了廣州大學學生的工程實踐能力與融合創新能力，成為省級創新創業平臺的重要支撐，為其他高校建設新工科課程提供了參考案例。■

參考文獻

[1]王海艦，袁嘉惠，吳立韜，等.“新工科”建設背景下的學科交叉融合機制研究與探討[J].課程教育研究，2019（12）：

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[2]馬鵬舉，邱玉婷，崔劍，等.面向“新工科”“雙一流”建設的工程訓練系統性改革[J].實驗技術與管理，2020，

37（1）：220-224.

[3]夏慧雯，徐少華，明宏，等.基于新工科的電工電子實習教學改革與探索[J].電子世界，2019（12）：48-49.

[4]張春梅，楊榮，趙軍亞.融合三創教育的電子工藝實習教學改革與實踐[J].高校實驗室科學技術，2019（3）：3-6.

[5]漆強，劉爽.新工科背景下“光機電算一體化”挑戰性實驗課程的設計[J].實驗技術與管理，2018，35（11）：217-220.

[6]陳新兵，胡維，龍曉莉.基于Proteus的直流電機控制教學探索[J].中國教育技術裝備，2020（10）：31-33.