以智能汽車競賽活動拓展“電子技術實訓”課程教學

趙必武，唐 鵬

(綿陽師范學院機電工程學院，四川綿陽 621000)

0 引言

“電子技術實訓”課程是一門充分培養學生的實驗能力的課程，而且現在科技發展迅速，國家社會需要更多的應用型人才，所以科學的教學方式尤為重要.傳統的教學模式太過枯燥乏味，大部分是驗證性試驗，實驗箱上已將各類需要用到的電路模塊固化，學生只是按照實驗指導書上的操作步驟，將各個電路模塊用導線連接好，這樣學生們無法從課堂中得到樂趣就無法激發其學習興趣.同時，師范院校的工科教學實力相對薄弱，導致工科辦學經驗不足、設備少等一系列特殊情況.為了更好地培養學生的動手能力、分析能力和創造能力，我們以智能汽車競賽為此次教學改革的重點內容，讓學生在組裝智能汽車的過程中發現問題，創新器件的組裝方式，在電子技術基礎課程的理論知識的學習基礎上掌握繪制電路圖的基本思路，并通過電腦軟件繪制電路圖，最后進行焊接.

1 “電子技術實訓”課程實驗教學現狀

目前，學生學習“電子技術實訓”課程是按照實驗指導書順次操作.在操作過程中，對實驗的現象和結果進行觀察、判斷和記錄，以此加強學生在課堂上學習到的理論知識.這種方法雖然能一定程度鍛煉和培養學生的動手能力，但存在學習過程機械、對實驗理解不夠深入、不能高效的將理論知識和實踐內容融匯貫通等諸多不足.針對傳統“電子技術實訓”課程的不足，本文提出了以智能汽車競賽推動“電子技術實訓”課程的實驗教學方式，以提高“電子技術實訓”實驗課程的教學質量，促進學生通過智能汽車比賽來提高電子技術的工程實踐應用能力.

2 以智能汽車大賽推動電工電子技術實例

依據機電工程學院電子技術基礎課程設計課程標準，該課程旨在結合工作崗位技能要求培養學生認識電子元器件，掌握與電路板焊接相關的基本技術，學會對電路板進行調試，理解識別電路板的方法等相關知識.安排四個教學項目來系統學習該課程,包括常見工具的使用，元器件的識別、檢測選用與代換，電路板的認識和焊接，電路圖的識別和繪制.接下來將扼要介紹這四個項目在智能汽車競賽平臺的應用與實現.

2.1 智能汽車大賽簡介

全國大學生智能汽車競賽，是一項高水平、高層次和高水準的專業競賽，是教育部倡導的全國大學生課外學術科技競賽中的A類項目.在2008年，被列入國家教學質量與教學改革工程資助項目科技人文競賽名錄；在2017年，成功入選《中國高校創新人才培養暨學科競賽評估結果》，是其中的19個競賽項目之一.該競賽已連續舉辦14屆，涵蓋知識面廣、涉獵領域多、運用知識深，極大地培養和考驗了學生的知識融合和實踐動手能力，為學生學習方式的轉變和探究式學習方法的培養提供了通道.我校學生在老師的指導下，參加了該賽的第14屆比賽，并且在比賽過程中取得了佳績，得到了老師及同學的肯定，也為智能汽車競賽推動“電子技術實訓”課程的教學改革提供了信心.

2.2 硬件系統整體設計

本課程要使學生能夠正確使用烙鐵及焊劑，掌握焊接的方法技能；熟練掌握電學類儀器儀表以及相關實驗設備的使用方法，對其功能、結構原理和作用進行認識；能使用儀器儀表，能對常用的電子元器件進行正確的識別和檢測；掌握相關電路制作方法及電子產品組裝工藝等.但僅依靠這些，遠遠不能夠使學生具有良好的理解能力.因此，我們將這些基本知識運用在智能汽車的各個部分當中.為了能夠讓智能小車在賽道上尋跡，并能穩定、快速的行駛，系統的總體設計運用了模塊化分區設計理念，使各個功能模塊在安裝上獨立，但連接上有機配合.在安裝時，只需按照器件安裝位置，進行對號入座，依次連接，大幅度提高了組裝小車的速度，保證了零件和電子元器件模塊安裝的準確度.同時，維護和保養均很簡單，若出現故障，只需排查出相應故障模塊更換即可.根據設計思路，小車的模塊大體分為以下幾大部分：(1)視覺傳感器部分.視覺傳感器搭配了魚眼鏡頭，攝像頭模塊采用CMOS芯片，讓小車能夠檢測和識別的視野范圍得到有效提高.(2)控制與處理部分.車模的電路由飛思卡爾單片機構成的最小系統、多電壓穩壓模塊、編碼器速度檢測模塊、直流電機驅動模塊(雙路)、轉向舵機驅動模塊、賽道圖像采集模塊和程序下載調試模塊等7部分組成[1].

2.3 智能汽車中各個元器件的識別

為使學生能認識電子元器件，本課程沿用課堂板書與多媒體幻燈片相結合、隨堂測試訓練以及課后鞏固訓練相搭配的傳統教學授課方式，但這種教學模式下學生對電子元器件的認識有限，很難轉換思維，僅僅停留在理論知識中，看見實物也難以識別，因而運用汽車智能競賽這個機會，讓學生在組裝智能小車的過程中，學習如何識別、檢測和選用元器件.比如在2020年的智能汽車競賽中，學生采用32位飛思卡爾單片機(MK60DN512ZVLQ51)作為主控芯片，以該芯片及其外圍電路作為小車的微型控制器，對小車的速度和導向進行控制監測，對賽道圖像進行實時處理，同步地控制轉向舵機和驅動電機按照特定模式工作，以保證智能汽車平穩行駛.實現了教學目標并超出預期，同時學生還靈活運用電子元器件實現對智能汽車的部分硬件系統設計.

2.4 智能汽車中電路板的焊接

電路板的焊接是對學生實踐能力培養的重要學習項目，往屆學生的學習往往是在實驗室進行，學生除認識電路板和機器焊接流程外，還需先學會使用電烙鐵以及熱風焊機，再由老師講解基本的手工焊接技巧.電烙鐵是電路元器件焊接的必備工具，因其直接使用220 V AC電源作為電源且能產生300 ℃左右的高溫，所以電烙鐵也是一款具有危險性的工具.其次，與電烙鐵相關的知識始終貫穿于整個實習教學過程.因此，在學生剛剛踏入電學實驗的起步時間段，讓學生學習電烙鐵的結構原理、檢驗方法和使用方法至關重要.電烙鐵主要由用于焊接的烙鐵頭、提供熱量的烙鐵芯、隔絕熱量的外殼、把持操作的手柄、連接220 V AC電源的引線和電源插頭等部分組成.常見的電烙鐵運用了電流熱效應的原理加熱，按結構劃分，可以分為外熱式和內熱式兩種.實驗室常用的內熱式電烙鐵，采用輕量化設計，功率適合，溫度提升快，具有使用方便、可靠性高等優點.電烙鐵的主要使用部分為烙鐵頭，由于銅的熱導性好，因此電烙鐵的頭部通常使用銅制成，根據不同焊接物的焊接要求，選擇錐形、鑿形或圓形面型的烙鐵頭.如果在操作的過程中，有維持溫度時間長的需求，可通過采用較大的烙鐵頭來實現.在結束對電烙鐵的選擇后，需要對電烙鐵的狀態進行檢查，以排除使用過程中發生的隱患.使用萬用表判斷電烙鐵是否存在內部連接短路開路、外部殼體漏電等危險情況.檢查電源線及插頭是否具有破損和漏電的隱患，判斷烙鐵頭是否緊固，手柄上的電源線是否發生損壞性的彎折或者存在較大范圍松動，電烙鐵的絕緣外殼是否有被破壞的情況，以此判斷電烙鐵是否能夠使用.在上述檢測完成后，才能使用電烙鐵進行電路元器件的焊接.然而，因實驗室的設施較為簡陋，實驗時間較為緊張，加之學生學習興趣缺乏，所以教學效果也會不盡人意.而智能汽車競賽，包括了焊接電路板這一必要的環節.讓學生自發參與到競賽中來，主動學習知識、探討奧秘和解決問題，進而讓學習更有針對性.在能夠繪制電路圖和PCB封裝繪制的基礎上，焊接電路板時，思路也會更加清晰，通過準備競賽過程中所得的能力和素養，在以后的崗位上遇到電子元器件的連接和安裝問題時能夠從容應對[2].

2.5 智能汽車中電路圖的識別

電路圖的識別要求將電路化整為零、化繁為簡、科學區分和逐一識別.首先，把整個電路圖劃分成幾個分區或者單元，以此將較多功能的電路圖的單個或者少許功能區域作為一個整體，再將這些整體用淺顯易懂的文字、圖標和繪畫等功能表示.比如，使用常用的公式以及衍生出的變形公式表示電路中電壓電流的關系，使用數理統計的方法描點連線，繪制出相應的信號波形進行分析等等.轉化完成之后，再對這些數據進行聯系和整合：可利用程序框圖的方法，將各種小整體逐個放入對應的框圖中，然后在框圖之間進行描點連線，構成整體的框圖，完成一個電路結構示意圖的繪制，從而在圖中尋找電路各部分區域之間的聯系和實現對應功能的原理.至此，電路的對應關系和工作原理就清晰明了.比如，通過事先繪制好的電路結構示意圖，區分出穩壓模塊、編碼器速度檢測模塊和雙路直流電機驅動模塊等功能模塊的具體位置以及實現對應功能的原理.從熟悉的電路入手，由易到難，循序漸進，直至將不熟悉的電路理解.

對于特殊系統模塊和主要供電模塊，需進行標注，用彩色筆標識出線路的位置、電壓電流關系及線路數量等關鍵信息，以便于區分和識別.對于電源線的標注，一般采用黑色標注地線.在標注識別信號流程，辨別信號的方向和途徑、以及各模塊之間的聯系和區別時，可以采用以下的方式：(1)對信號進行順向清理的方式.尋找到信號的始末位置，從信號的產生部分(或接收部分)至處理信號的部分進行逐步理清.(2)對信號進行逆向清理的方式.把信號的終點或者本質發生轉化的那一點作為開始點，逐漸往前進行分析.

在分析的過程中，要以電路里存在的一些典型特征為抓手，分辨和了解實際電路的基本結構原理和信號處理流程，明了各級電路的功能和原理.同時，在部分電路中，要以“接地”為重點.比如，分析晶體管與某一節點的電位變化關系時，務必將“共地線”作為基準，否則就不能準確的測量出電位變化趨勢，尤其是在分析負反饋作用時，這種要領至關重要[3].

3 “電子技術實訓”課程教學改革的思路

3.1 調整教學大綱

根據相應的需求，調整“電子技術實訓”課程的教學大綱，以便于后續課程知識更好地在“電子技術實訓”課程中發揮作用，更好地適應專業培養的需要.課程調整前后具體方案及對比如表1所示.

表1 課程調整前后的方案對比Tab.1 Program comparison between the before and after scheme adjustment

指導老師需具備相關的電子技術指導經驗，可以讓學生更好地了解相關內容，為學生的實驗環節提供必要的理論和實驗操作指引與支持，對學生的操作方法予以糾正，鼓勵學生在實踐中學習和成長.讓學生適應備賽、自主實踐和課程相結合的新環境，更好的融入實驗室氛圍，提升學生學習的興趣，達到“電子技術實訓”課程教改的目的.

3.2 改進“電子技術實訓”課程的考核方式

目前，電子實訓類的考試僅圍繞實驗報告和記錄數據，考核標準單一，實訓過程中的操作、技能沒有引入考核，不能實現對學生分析能力和操作能力等進行全面客觀的評價，已經不適應改革后的教學模塊.改革后的實訓課程，將以任務驅動型的課題為導向，更加注重學生的實踐過程，并配套構建更加科學合理的考核評價體系.新的考核系統中，修改了考核內容及標準，既關注學生在實訓過程中的操作情況，又關注學生的實驗操作結果，堅持多元化的評價方法，實現了對學生實驗過程中綜合的客觀的全流程考核評價[4].

4 “電子技術實訓”課程教學改革的主要內容

4.1 改進傳統的課堂教學模式

4.1.1 實驗教學融入課堂教學環節 把實驗室搬進課堂，用實驗講解理論知識，搭起聯通實驗教學與課堂教學之間的有效橋梁.圍繞智能汽車，構建以此為基礎的傳感器安裝及試驗平臺.圍繞智能汽車兩輪直立車模、三輪車模以及四輪車模等多種車輛型號，探討傳感器的選用和設計方案、線路連接規劃和接口預留方案，以備為后續車輛升級和功能拓展提供充足的接口.構建以飛思卡爾等單片機為核心的主控實驗平臺，設計帶有傳感器接口、編碼器接口、與電機驅動模塊和舵機驅動模塊為一體的通用控制主板，并將合適的傳感器、通用控制主板分別安裝于不同的車輛型號上，構建智能汽車試驗平臺.

4.1.2 實驗教學改革 傳統實驗課程教學模式下，在規定時間內，先由老師進行實驗理論知識的講述，再由學生進行操作.改革后的實驗教學，將實驗教學設計為傳感器原理學習、傳感器組裝及傳感器信號分析等多個環節，各環節給予學生充足的時間和空間.在自主學習或探討中，發揮主觀能動性，培養學生在電子技術和建模等方面的創新能力.實驗過程中，在傳感器組裝過程，和學生一起領悟傳感器的通過原理；在傳感器的信號分析環節，和學生一起理解濾波放大及正交信號的原理.

4.1.3 拓展學生的知識和能力 實驗時，設計了拓展任務，讓學生根據自己的理解，自己動手或在實驗的模型基礎之上，設計一輛智能汽車模型.智能汽車模型需包含多電機驅動、視頻信號及光電里程傳感器信號的接收和采集模塊，并進行相關電路的設計和調試.流程如圖1所示.

圖1 智能車模型設計流程圖Fig.1 Design flow chart of intelligent automobile model

4.2 教學改革的具體實施計劃

將智能汽車競賽作為輔助教學，通過選拔的方式確定最后能參加比賽的同學，增加其學習壓力和動力，可以促使他們主動去拓寬自己的知識面.智能汽車比賽作為涵蓋了自動控制、計算機和機械等多學科的綜合性比賽，學生在比賽中可以提出、分析、設計、開發并研究智能汽車的機械結構、電子線路、運動控制和開發與調試工具等問題，將理論與實際結合的同時能很好的培養學生對知識的把握和創新能力，以及從事科學研究的能力，而且比賽是大學生組成的團隊,可以促進同學間知識的交流，在交流中產生知識的碰撞，促使學習興趣增強，能達到預期的教學目的.

通過競賽作為載體，教師們也能不局限于課本和箱體實驗器材上，可以更好的引導學生進行實驗操作，例如焊接電子元件、設計連接線路等.學生也能夠在教師引導下把握電子技術的邏輯脈絡，最后完全掌握知識，增強動手能力，達到預期的教學目的.

將智能汽車競賽與學生畢業論文或者大學生“互聯網+”創新創業項目相結合，不僅可以培養學生自主科研的能力和創新實踐能力，學生的綜合設計能力也能得到一定的提高.當前已參加過往屆智能汽車競賽的學生將以該比賽為基礎，以備賽過程中收獲到的知識與經驗為依托，以基于飛思卡爾單片機的智能小車作為論文題目進行深入學習和分析，為未來的工作和研究打下基礎.

5 “電子技術實訓”課程教學改革的特色

通過智能汽車競賽以及與競賽相關的教育教學活動，讓學生的興趣愛好得到了極大的激發，培養了學生探究科學的能力，讓學生的綜合素質得到全面的提升，促進學生對“電子技術實訓”課程的了解，使學生更有興趣、更有動力、更加自主地完成這門課程.本次教學改革，具有如下特點：(1)培養了學生動手能力和科研的基本技能；(2)培養了學生的主動創新能力；(3)提供了良好的教學改革平臺.

6 結束語

通過以賽促教、以賽促學的方式，將競賽融入實訓課堂，激發學生學習實踐類課程的興趣，培養學生的創新和實踐能力，讓學生自主探索電子類知識中的科學奧秘，充分提高學生學習主動性和積極性.以智能汽車競賽推動“電子技術實訓”課程的教學改革，為解決目前教學中存在的問題提供很好的思路，學校建立專門的實驗室，為競賽投入更多的資金，也為更多優秀學子提供更大的發展平臺，為教學研究和教學改革提供更好的平臺.此外，教學改革也為其他院校相關專業實訓課程的開展與優化提質起到借鑒和參考作用.