新工科背景下四階融合遞進式實踐教學創新模式探索
——以電磁平衡小車為例

李斌，王智勇，婁璟

（遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島 125105）

近年來，在教育部提出新工科建設和“雙一流”建設的背景下，遼寧工程技術大學堅持“以生為本、以學為中心、以學習產出為導向”的OBE 育人理念，著力推進電氣類大學生創新實踐能力培養[1-3]，每年積極組織學生參加各類大學生創新創業競賽，用實際行動踐行“博學篤行、誠樸求是”的校訓。遼寧工程技術大學還以學科競賽為重要載體[4-7]，形成“以賽促學、以賽促創、以賽促教、教學相長”的分層遞進實踐教學模式，進一步提高新工科應用型創新人才培養質量。

本文以大學生智能車競賽中電磁平衡小車為例，通過構建四階融合遞進金字塔實踐教學培養模式以及創新實踐能力評價體系等有效手段，引導學生主動參與、深度學習，取得了一定成效，對理工科高校創新實踐人才培養具有一定的借鑒意義。

1 多學科交叉融合的學科競賽

電氣類專業具有理論性強、涉及范圍廣、計算量大等特點，其專業課知識跨度大，學生短時間內學習多門理論課程，難以完全理解專業知識。為了加強學生對專業知識的理解，教學團隊結合遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院創新創業實踐要求，積極組建創新創業實踐工作室，組織第二課堂創新教學，積極開展大學生創新創業訓練項目，鼓勵并引導學生參加競賽類課程實踐。

其中，智能車競賽包含如圖1 所示的多學科交叉融合的知識體系[8-9]，對學生綜合應用能力的要求較高，能夠考查學生的團隊協作能力。智能車競賽主要包含仿真、實踐調試等環節，競賽項目的實施能有效提高學生的創新實踐能力。

圖1 智能車知識體系結構圖

2 以競賽為載體，構建實踐教學創新模式

依據電氣類專業不同年級學生具備的知識結構體系特點和能力，教學團隊將學生的實踐訓練學習進程劃分為四階遞進的金字塔模式：引導階段、提升階段、創新階段、挑戰階段，并制定每個階段的學習目標，如圖2 所示。

圖2 教學實踐四階遞進金字塔模式示意圖

這些學習目標從基礎開始，逐步推進，最終取得學習成果。根據目標，教學團隊鼓勵學生參加學院、學校、省級、國家級等逐級遞進的學科競賽，從而形成“以賽促進學生學習，以賽促進教學質量提升，以賽促進創新成果取得，教學相長”的實踐教學創新模式。

2.1 引導階段

對于大一學生，教學團隊通過講座、報告等靈活多樣的形式，引導他們積極參加各類創新創業大賽，讓他們了解參賽的基礎是單片機的理論學習與實踐，可為其制定如圖3 所示的實踐學習方案。目前，市場上常見的51、32 系列單片機價格低，且其性能滿足自動控制類初級學習，對于課程實踐，能夠做到每名學生都擁有一套開發板。學生根據電路圖制作較簡單的控制電路，配合單片機程序，達到預期的任務效果。在引導階段，學生將實踐內容與理論課程結合，能夠提升學習興趣，進行自主探究。

圖3 學生基礎課程實踐學習方案

2.2 提升階段

通過單片機和簡單電路的學習，學生對專業基礎知識有一定程度的了解，可以從軟件建模仿真開始進一步學習[10]。以制作平衡車為例，使用MATLAB 等軟件仿真，在一定邏輯下模擬車輛各項數據，得到車輛運行時平衡曲線等內容，平衡車仿真流程如圖4 所示。仿真的優點在于可排除在實物制作過程中由于經驗少、手工精度低、器件本身等原因造成的無法正常運行的問題，對于此類問題，初學者很難發現。通過仿真得出的平衡車姿態等數據，可作為學生下一步制作模型的參考，從而激發學生學習興趣，提升其自主學習能力。

圖4 平衡車仿真流程圖

2.3 創新階段

全國大學生智能車競賽要求制作出在給定賽道上能自主行駛且性能良好的智能車，這類復雜的工程問題需要團隊成員共同探討和學習所涉及的新知識，在結合實際調車經驗的基礎上，全面優化智能車的設計，制作具有團隊特色的智能車模型。因此，遼寧工程技術大學設立各級賽事，要求學生使用指定的芯片與模型，發揚創新精神，設計性能良好的模型車。

2.4 挑戰階段

以汽車電子技術、人工智能技術為背景的智能車競賽，包括自動控制、識別、傳感器技術、計算機等多個學科的競技項目，多學科融合，具有極強的挑戰性。

合作挑戰：智能車涵蓋的范圍較廣，涉及大量知識，因此，必須要開展團隊合作，團隊成員根據自身專業和興趣選擇知識模塊，進行學習，最后將知識進行應用。這一過程能夠培養學生的團隊合作意識。

現場挑戰：競賽在全新的環境中進行，賽道存在很大不確定性。摩擦力不同，周邊環境的電磁干擾等都是對車輛穩定性的考驗，因此，需要學生能夠應對突發情況，這將直接影響最終的競賽成績。

智能車競賽在校賽、省賽、國賽的每個階段均存在不同程度的挑戰性，需要團隊密切協作，發揮創新能力，不斷提升模型車的性能。

3 學生的自創成果

平衡車模制作主要分為兩部分：程序調試和硬件電路。車模框架如圖5 所示。

圖5 車模框架

3.1 程序調試

陀螺儀是整個平衡車的核心，將其安裝在車身幾何轉軸附近，兩個傳感器——陀螺儀與加速度計，將數據實時傳輸給控制芯片。其中，陀螺儀采集到的是車模左右晃動的實時速度，當其以任意角度靜止時，其值為零；加速度計的x 軸與z 軸經過反正切計算，可得到當前傳感器與水平面夾角。理論上，只使用加速度計就能得到平衡車傾斜度，但是在平衡車前進過程中，由于地面不平產生的震動會干擾加速度計的數值，無法保持穩定。因而，需要將兩者數據融合互補來減小影響。目前融合算法有多種[11-12]，這里采用的是一階互補算法，將兩組數據乘以不同的系數，系數的大小決定了對此傳感器數據的信任程度：

式中，K1、K2分別表示加速度計和陀螺儀的系數，dt表示積分時間。

圖6、圖7 曲線分別為車模左右晃動時，調參前后傳感器輸出的數據曲線。可見，陀螺儀曲線在晃動時呈現突然變大又急速減小的狀態；加速度計曲線在傾斜固定角度時能夠得到穩定的數值。姿態角由兩傳感器數據經一階互補后得到。

圖6 調參前姿態曲線

圖7 調參后姿態曲線

由圖6 可知，一階互補在沒有合理調參前，姿態角對于傳感器數據有滯后性，無法應用于平衡算法中。從圖7 一階互補參數調節后的曲線可見，姿態角已經接近傳感器實時角度，此時可用于平衡控制。

3.2 硬件制作

平衡車模型電路板上含有芯片插槽、傳感器、ADC采樣電路、電機驅動部分等，手工制作的精度不足，因此，要使用專業PCB 繪制軟件進行制作，保證其不會產生信號互相干擾的故障。繪制PCB 時要注意布線不能相互垂直，否則會造成信號干擾等問題。圖8 所示為最小系統與電磁ADC 采集電路。

圖8 最小系統與電磁ADC 采集

印刷完成的PCB 板如圖9 所示，學生需在PCB板上手動焊接相關元器件，制作完成的模型車如圖10 所示。整個模型車的制作與調試能有效提高學生團隊協作、分析解決復雜問題、自主學習、動手實踐以及創新創造能力。

圖9 印刷PCB 板

圖10 學生制作的模型車

4 思政引領，重構創新實踐評價體系

以競賽為載體，在實踐教學環節中，堅持“以生為本、以學為中心、以學習產出為指導”，以“金課”標準“兩性一度”為抓手，在學生參加競賽的不同階段，采用如圖11 所示的全過程、全方位、多維度、多元化、多層次的創新實踐能力評價體系[13]，培養學生的探究精神和實踐能力，促進學生主動參與、深度學習[14]。同時，通過引導學生參加智能車競賽，推動我國無人駕駛汽車的創新研發[15]。

圖11 創新實踐能力評價體系

5 結語

經過幾年的探索實踐，教學團隊堅持以學科競賽為重要載體，形成“以賽促學、以賽促創、以賽促教、教學相長”四階融合遞進的金字塔式實踐教學模式。同時，教學團隊秉承“以生為本、以學為中心、以學習產出為導向”，以“金課”標準“兩性一度”為抓手，以思政為引領，重構全過程、全方位、多維度、多元化、多層次的創新實踐能力評價體系，進一步提高新工科應用型創新人才培養質量。近幾年，學生參加各類競賽獲國家級獎項50余項、省級獎項60 余項，該專業畢業生就業率均在95%以上。