新工科視域下“汽車單片機與接口技術”課程實驗設計與實踐

李歡

天津中德應用技術大學汽車系 天津市 300350

2017 年以來，教育部積極推進新工科建設，隨后的“三部曲”——“復旦共識”“天大行動”及“北京指南”奏響了人才培養主旋律，開拓了工程教育改革新路徑[1]，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式。隨著新一輪產業變革和科技革命，5G 技術、大數據技術、云計算技術、人工智能等現代信息技術不斷深入制造業、服務業等多個社會領域，應對以上變化，培養具備專業基礎扎實、實踐能力強、創新意識強、工程素養高等素養的復合型人才是適應新時代發展變化的需要。實踐能力培養是工程技術類專業人才培養過程中的關鍵環節。實踐教學體系中重要組成部分是實驗技術教學與實施，實驗課程實施與效果對于提高人才自主培養質量起到重要作用。

汽車單片機與接口技術是天津中德應用技術大學車輛工程專業的專業基礎課程，是一門實踐性、綜合性、應用性很強的課程。學生通過單片機硬件結構和工作原理、單片機開發工具應用、單片機程序設計、接口技術、單片機中斷、定時系統、及串行數據通信等內容的學習，不僅能夠掌握單片機應用系統設計和開發的基本技能，而且能使學生深入理解汽車電控單元ECU 的系統結構及其工作過程；能夠針對復雜工程問題，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程軟件、工具和信息技術工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性[2]，培養工程規范意識，提高工程素養與實踐創新能力，為后續課程汽車電子控制技術、電動汽車驅動及控制技術學習和從事工程技術工作奠定堅實的基礎。

“汽車單片機與接口技術”相關課程大多數實驗室配置的是單片機實驗箱和實驗套件等設備，可以完成汽車繼電器、燈光點陣、直流電機控制等模塊的實驗驗證，在實驗指導書與實驗工單指導下，學生進行電路連接，編寫、下載程序，驗證模塊功能。但由于功能模塊已經封裝，學生無法看到內部電路結構，且各個功能模塊之間相對獨立，無法體現系統性，無法構成完整的工程項目，難以從全方位考核學生技術技能水平。

針對上述問題，本文設計一個綜合實驗項目，由幾個前后銜接的子項目組成，學生完成子項目后，即可組合成綜合實驗項目，有效解決上述問題，學生可以深入理解單片機應用，培養學生質量意識和創新精神，提升職業素養和規范，有利于開展后續控制類課程的學習和畢業設計、實習就業等相關專業工作。因此，開展新工科背景下《汽車單片機與接口技術》課程實驗設計與實踐研究，探索了新時代下人才培養體系的構建，落實了教育立德樹人的根本任務，課程建設力爭達到“兩性一度”的金課建設標準，促進學生自主學習、終身學習、多樣化成才，全面提高人才自主培養質量。

1 實驗內容開發與實施

1.1 實驗內容開發

天津中德應用技術大學的“汽車單片機與接口技術”課程實驗包含汽車單片機實驗與接口技術實驗兩部分，本文以汽車單片機部分為例進行闡述。在三屆學生教學實踐與改革的基礎上，課程建設團隊初步探索出了以“發布實際任務、開展模塊訓練、實現模塊集成”為核心的設計思路，即實驗最終目標是將工程化任務的思想融入到教學中，完成模塊化實驗項目的綜合集成，經過模塊訓練與知識點整合，模塊訓練內容按照獨立實驗任務進行劃分，單獨完成編程、開發與調試，最后進行模塊集成，實現最終實驗目標的連接、調試。

以雙向可控DC-DC 控制器為載體，實驗包含了BUCK-BOOST 主電路、輔助電源、驅動電路、信號調理電路、STM32F334 主控電路(DSP 主控電路)以及OLED 驅動電路構成設計與實現6 個實驗項目。實驗應用了A/D 轉換、串口通信、蜂鳴器等，由基礎驗證實驗引入到綜合設計實驗，完成了雙向可控DC-DC 控制器的設計與制作。實驗過程按照程序編寫、虛擬仿真、硬件制作的步驟進行；任務考核為模塊集成，綜合以上6 個實驗成果，完成雙向可控DC-DC 控制器的安裝與調試，實現能量的雙向流動，還能在同一方向實現升降壓功能。實驗項目包含模塊化實驗與集成綜合實驗的不同層級，構建由獨立模塊到集成化項目體系。

1.2 實驗實施思路

《汽車單片機與接口技術》單片機部分實驗由基礎驗證實驗漸入到綜合設計，實驗過程由理論學習、任務分析、電路設計、仿真驗證、硬件制作、集成調試等部分組成，學生全程參與了雙向可控DC-DC 控制器的設計、制作，實現了實驗項目關聯性，同時由于各個模塊實驗完成后，可集成為完成產品，使得課程評價有了載體，激發了學生學習興趣，培養了學生團隊合作精神，樹立了工程意識，工程實踐能力得到增強。實驗在設計過程中要考慮以下內容：

1）通過實驗任務選擇、教學設計與課程實施，挖掘實驗教學內容中的思政元素，培養學生具有團隊意識、協作精神，提升語言文字表達和交流能力，進入工作崗位后，能夠迅速成長為業務骨干，發揮重要作用。

2）通過“實踐+虛擬”融合與“模塊+集成”結合的教學模式，認真實施課堂實驗項目，積極開展教育信息化建設，借助信息化教學資源平臺開展課前自學和實驗準備，以虛擬實驗室為補充，規范、高效地進行電路設計、仿真驗證、硬件制作、集成調試等。

3）實驗實施前，通過學習通發布該項目預習題目，了解學生理論知識和實驗技術掌握情況，動態調整實驗項目時間，實時獲取學生實驗效果與實驗進度，對進度落后小組進行針對性輔導。

4）基于工作過程系統化設計實驗項目，通過項目模塊化、設計與仿真驗證、硬件制作與集成調試等，使學生擁有再學習和再完善能力，能夠通過工程實踐，強化訓練職業技能和專業就業能力，持續提高專業素養和自身素質。

5）強化實驗的過程性評價。對于各個模塊實驗項目，評價內容主要為課程出勤、實驗表現、過程表現與結果評價等。對于模塊集成實驗，每個需要實驗團隊完成設計報告、過程與功能驗證工作報告，同時錄制短視頻，對產品進行介紹。

2 課程實驗具體項目

根據實驗結構與實驗綜合評價體系，模塊化實驗含有6 個實驗模塊。實驗 1-實驗6為模塊化實驗部分，每個模塊實驗完成后即可對應綜合實驗的相應能力，這6 個實驗模塊完成后，集成為一體，進行集成、調試實驗。綜合實驗既是必做實驗，也作為綜合考核重要載體，考量學生實驗技能掌握程度。

2.1 模塊化實驗

模塊化實驗部分包括BUCK-BOOST 主電路、輔助電源、驅動電路、信號調理電路、STM32F334 主控電路(DSP 主控電路)以及OLED 驅動電路構成設計與實現6 個實驗項目，實驗內容均包含了程序編寫、虛擬仿真、硬件制作3個層面；程序編寫是在理論講授時，以例題和習題的形式學習完成，主要是對單片機程序的學習和練習；虛擬仿真部分和電路板繪制在實驗實訓室中由學生分組完成，主要完成虛擬實驗平臺程序仿真和電路繪制；硬件制作過程以課后作業形式完成。

綜合實驗項目是在模塊實驗完成后，以課程設計（大作業）的形式完成，集成了6個模塊實驗的成果，利用實驗室開放等形式，學生課后完成，并撰寫實驗報告。完成雙向可控DC-DC 控制器的安裝與調試，實現能量的雙向流動，還能在同一方向實現升降壓功能。

2.2 綜合實驗

2.2.1 設計要求

集成設計一個雙向可控DC-DC控制器，可實現能量的雙向流動，還能在同一方向實現升降壓功能。具體實驗要求如下：

1.系統參數要求

1）輸入電壓的范圍是12-48V，輸出電壓的范圍是0-48V；

2）輸出電流具體參數為額定電流為8A，最大電流為11.5A；

3）額定功率為250W，加強冷風扇條件下最大功率為350W；

4）最大效率為95%；

5）穩壓精度為5%-8%；

6）開關頻率為100-200KHz，高頻率驅動設計，能夠支持更小的電感電容、減小板子尺寸，提高功率密度比；

2.功能要求：雙向可控DC-DC 控制器不僅能實現能量的雙向流動，還能在同一方向實現升降壓功能，同時具備運行、故障等狀態指示，輸入欠壓、過壓保護、輸出過壓、過流保護等功能。

2.2.2 設計方案

分析上述要求，可以確定雙向可控DC-DC 控制器由主電路、輔助電源、驅動電路、信號調理電路、主控電路(DSP 主控電路)以及OLED 驅動電路等六部分組成。

本設計采用STM32F334 作為主控芯片，利用F334 的HRPWM 模塊產生所需PWM，通過UCC27211 驅動器驅動MOS管；通過信號調理電路和ADC 模塊采集輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等信號，并利用采集的信號進行運算控制，以達到恒壓恒流輸出的目的[3]。輔助電源采用XL7005A、AMS1117-3.0 分別變換產生12V、3.3V 兩路電源，并為MOS 驅動電路、信號調理電路、OLED 驅動電路、主控芯片供電；OLED 顯示系統的工作狀態、輸出電壓、輸出電流等信息。

2.2.3 設計思路

根據實驗設計方案，形成設計思路。不同的設計方案均可實現實驗效果，同時不同實驗設備和器件也可以應用到同一實驗中。能夠實現能量雙向流動功能電路拓撲有很多種，同步BUCK 電路可以是正向降壓反向升壓的雙向DC-DC 變換器，同步BOOST 電路亦是如此；本設計中采用同步BUCK 電路和同步BOOST 電路級聯而成的同步整流BUCK-BOOST 電路拓撲，該拓撲結構簡單，易于控制。通過模塊實驗和綜合實驗的結合，實現課程實驗與工程應用有機銜接，培養學生動手能力的同時，促進學生創新能力和工程職業素養的提升。

3 實驗教學的實施

3.1 實驗過程

實驗過程采用實踐與虛擬融合、模塊與集成結合的教學模式完成實驗教學，具體包括了實驗任務發布、模塊化實驗、集成綜合實驗與實驗總結、報告等部分。

3.1.1 實驗任務發布

教師通過數字化教學資源平臺（學習通、虛擬實驗室、UMU 線上課程平臺）發布實驗項目課前資訊、課程安排、學習工單、考核方案與實驗注意事項等，推送實驗內容中易于理解便于自學掌握的知識點，以視頻、動畫、圖片為主，學生在課前自學環節階段，視頻學習可以提高學生學習效率，激發學生學習興趣。通過線上自學和測試，了解相關知識點的掌握情況，并以此為依據及時調整教學方案，為教學難點的突破提供更多的學時。在實驗項目開始前，教師布置學習任務，提供參考資料，確定學習小組。學生通過小組的分工和協作，共同完成學習任務的資料收集。

3.1.2 模塊化實驗

1.程序編寫

學生完成資料收集和整理，討論分析單片機控制應用場景，在教師引導下，提出了多個與課程內容相關的工程問題，初步分析總結了相關控制原理。課上教師選擇典型控制場景，以例題和習題的形式完成學習，學生分組觀察工作過程，對比控制信號，分析工作原理，共同完成控制程序編譯。

2.虛擬仿真

虛擬仿真部分和電路板繪制在實驗實訓室中由學生分組完成。利用KEIL 軟件仿真平臺開展教學，仿真平臺的使用不僅可以提高教學效率還可以降低教學成本；利用DPFlash 軟件和單片機綜合仿真實驗儀，更好地展示單片機控制電路引腳結構、工作過程；使用Proteus 仿真軟件建立虛擬的單片機硬件電路。完成硬件設計和軟件設計后，進行軟硬件調試和功能效果驗證。

3.硬件制作

硬件制作過程以課后作業形式完成，應用PowerPCB 軟件進行印制電路板的設計，完成電路板元件收集、電路板制作與測試。

3.1.3 集成綜合實驗

集成綜合實驗通過開放實驗室的形式學生自主完成。該實驗集成了6 個模塊實驗的成果，利用實驗室開放等形式，學生課后完成，并撰寫實驗報告。完成雙向可控DC-DC控制器的安裝與調試，實現能量的雙向流動，還能在同一方向實現升降壓功能。

提升大家學習積極性，引導大家進行完整的電子系統工程項目實踐，包括為學生參加創新大賽、學科競賽、技能競賽奠定良好的實踐基礎。培養學生學以致用的創新能力，引導學生結合單元作業的研究成果，拓展科技創新項目

3.1.4 實驗報告

學生模塊實驗項目完成后，結合實驗數據處理方法，完成體現實驗過程、方法、結果的實驗報告，提交書面報告，并輔以視頻與照片等附件材料，進行展示匯報，小組互評、教師點評，確定單元任務成績。

3.1.5 考核與持續改進

教師監控學生實驗過程，記錄學生出勤情況，評閱學生的實驗報告，增加過程考核，提高學生的學習積極性。采用“任務自學+課程出勤+實驗表現+實驗評價+綜合測試”的方式。模塊化實驗項目評價和集成綜合實驗項目評價共同組成了實驗評價部分，合理設置綜合實驗項目的考核權重。根據學生實驗過程和理論知識掌握情況，課程小組持續改進教學設計與實施過程，提高課程教學質量。

采用翻轉課堂教學方式，將學生自主學習部分的考核比例加大，促進學生自主學習主動性，為課堂教學奠定基礎。

實驗表現主要評價學生實驗操作過程規范性和創新性，通過評價同學們的實驗表現，實現全過程評價，檢驗任務自學的成效。同時，借助多樣化評價方式，活躍實驗氛圍、良好的課堂環境。

3.2 實驗實施

實驗以汽車單片機應用為導向，以A/D轉換、串口通信、蜂鳴器等內容為基礎，通過模塊化實驗（程序編寫、虛擬仿真、硬件制作）、集成綜合實驗等多層次多角度的教學實施，完成了汽車單片機的程序編寫、虛擬仿真、綜合集成等項目的教學。

4 結束語

本文基于新工科背景下，針對“汽車單片機與接口技術”課程實驗內容設計與實施研究，提出了“發布實際任務、開展模塊訓練、實現模塊集成”的設計思路，設計了包含模塊化實驗（程序編寫、虛擬仿真、硬件制作）、集成綜合實驗等多層次多角度實驗結構，以設計雙向可控DC-DC 控制器為綜合實驗載體，將虛擬仿真軟件、編程軟件等融入到實驗教學過程中，再現了從單片機到具體設備的電路設計、程序編寫、虛擬仿真和硬件制作、調試等過程。

實驗內容有效地結合了實驗教學與現代控制技術，突出了實驗課程的高階性、創新性與挑戰度，形成了“實踐+虛擬”融合與“模塊+集成”結合的汽車單片機實驗體系。實驗過程將實驗室教學與現代信息技術相融合，在有限課堂教學期間，拓寬學生學習的空間和時間，提升課堂轉化效率。學生經過實驗課程訓練，完成省部級大學生創新創業訓練計劃項目1 項，獲得國家級專業競賽二等獎2項，教學實踐表明，實驗教學改革對學生工程實踐與創新能力的培養有重要的意義。