新工科背景下的測控專業實踐教學改革

白 潔，湯曉君

（西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049）

引言

近年來，國內各高校積極開展新工科建設，工程教育專業認證工作也普遍展開，社會對專業人才培養的需求不斷提升［1］。按照西安交通大學定位，結合測控專業人才培養目標，要求畢業生具有扎實的專業基礎，能夠成為智能制造、信息、能源、電氣、環境、航空航天等領域與儀器科學相關的研究型和創新型人才［2］。通過對用人單位的調研發現，畢業生的工作能力與專業培養目標是有差距的，尤其是工程實踐能力方面。因此，我們提出加強實踐活動，對每一實踐環節都要有系統的訓練方案及實施流程。測控專業課程主要包括“傳感器原理”“測控電路”“智能儀器”“電氣測量技術”“儀器儀表”和“過程控制”等，教學內容都是獨立的，課程實驗只是為了加強測控專業課程理論知識的理解和應用，課程內容之間的銜接過程卻被忽略了。這樣，學生的知識體系是割裂的，沒有形成完整的知識體系。筆者希望通過項目設計將各門課程的內容進行梳理和整合，使學生對測量系統有一個整體的把握，成為畢業設計環節的訓練和預演。所以，項目設計環節起著承上啟下的作用，既集成和梳理各門課程內容，又為畢業設計做準備。

通過調研其他高校關于項目設計這一實踐環節的做法，總結經驗與教訓，結合學校測控專業的實際情況，我們對存在的問題進行了深入的剖析。同時根據企業的需求，對現行的實踐教學模式進行了改進，采取了教學案例和項目驅動相結合的方式，既提高了學生學習的興趣，為其構建了一個完整的知識體系，又注重培養學生解決實際問題的能力，教學效果良好。

一、測控專業項目設計改革

分析要求和差距，將課程實驗、項目設計和畢業設計等實踐活動重新進行了整合和規劃，梳理了每個實踐環節的學習目標和實施方法，既加強了學生的實踐能力，又增強了學生的社會責任感。

（一）改革目標

1.增加思想政治教育內容，將時政熱點融入選題當中，積極引導學生樹立正確的人生觀和價值觀，培養學生關心時事的意識和奉獻精神，增強社會責任感。

2.掌握完整的測量系統設計流程，學會總體方案及軟硬件設計，理解系統調試的功能，能對測試結果進行評價，了解今后改進的方向。

3.能夠發現問題、解決問題及舉一反三的能力。

（二）改革思路

學生自行決定項目的設計主題，查閱資料，并確定項目總體方案，實現軟硬件設計，最終經過系統調試給出分析結果，驗證設計的有效性。在整個項目實施過程中，教師的任務就是引導學生細致地查找問題及處理問題，對于知識薄弱的地方給予耐心指導。

學生根據當前社會熱點問題和現象進行選題。比如：老人摔倒和走失等現象，讓學生更加了解社會，關心弱勢群體，體現正能量等。

（三）改革流程

整個項目設計的實施過程是閉環的，在設計過程中不管在哪一步出現問題，首先在該步中查找問題，如果查不出問題就返回上步或檢查設計方案是否合理，如圖1所示。

圖1 改革方案流程

二、實例

學生選題有2個路徑：一是教師根據自己的科研項目，從中提煉題目供學生選擇；二是學生自己根據社會需求和熱點確定題目。現以測控17班項目設計為例說明改革的實施過程。

（一）項目設計選題

測控17班共有學生28名，其中選擇教師命題的學生有18名，自命題學生有10名。學生自己選擇題目，一般都是貼合社會熱點現象或自身涉及的問題。所以，選題就是發現問題，然后經過實踐解決問題。學生在這其中提升了發現問題和解決問題的能力。比如，有2位學生關注到社會老齡化的問題。隨著空巢老人的家庭增多，老人的安全成了社會亟須解決的問題。這2位學生分別選擇了“老人跌倒”和“老人走失”的社會問題作為選題內容，設計了基于單片機的“老人跌倒”和“老人走失”的報警系統，以實時監測老人的狀況，發生危險情況時進行報警。現以“老人跌倒”報警為例，說明項目實施的全過程。

學生在選定“老人跌倒”的題目后，必須回答這3個問題：“跌倒”是什么樣的體位？監測體位的方法是什么？將監測設備放在哪里合適？查閱相關資料，獲知目前跌倒監測的方法大致分為三類：基于聲學、視頻和可穿戴式的跌倒監測系統［3］。學生根據課堂學到的知識，結合自身能力，選用陀螺儀監測人體傾斜角度，實現可穿戴式的跌倒監測。該方法相對來說簡單易行，是課程內容的擴展。

（二）根據目標設定，研究角度和加速度變化的算法

首先找到“摔倒”的評估方法，啟發學生觀察和體會人在跌倒時的體位。人跌倒，實質上是人體從直立的狀態發生一個角度的傾斜，這個傾角既要大，變化速度又要快，才能判定為跌倒狀態。綜合分析老年人日常活動狀態，可以將傾斜角度和加速度的測量作為監測跌倒的重要量化指標［4］。

查閱相關元器件的手冊，選擇能測量角度和加速度的傳感器。通過分析其優缺點，選取MPU 6050傳感器。該傳感器功能齊全，用法簡單，完全滿足測量需求。

（三）系統總體設計確定

對人體的各種姿態進行觀察分析，找出常見的幾種跌倒方式的角度變化，確認摔倒后報警。MPU 6050傳感器將采集的角度和加速度信息傳遞給單片機，進行分析處理，判斷老人是否摔倒。同時，將處理結果經過無線傳輸模塊傳送到上位機或手機中，實時顯示人體的狀況，發生異常時報警。系統的總體設計框如圖2所示。

圖2 系統總體設計框

（四）系統軟、硬件設計

1.系統硬件設計。選用STM32F103單片機作為核心模塊，根據傳送的數據，分析處理，判斷人體的姿態。傳感器選擇的MPU 6050傳感器模塊，是一種六軸傳感器模塊，能同時檢測三軸加速度、三軸陀螺儀（三軸角速度）的運動數據及溫度數據，通過I2C總線傳輸給單片機［5］。無線傳輸模塊選用Zigbee，直接將人體姿態信息傳輸出去。同時設計了OLED顯示屏和串口調試助手，用于后期系統調試。

2.系統軟件設計。程序啟動后，首先要進行單片機、傳感器、Zigbee模塊及存儲空間初始化。如果一切正常，就啟動MPU 6050傳感器模塊進行角度和加速度的測量，將數據傳到單片機中進行處理，并將結果傳輸出去。如果結果異常，引發報警機制，其程序流程如圖3所示。

圖3 系統主程序流程

在項目設計過程中，硬件設備的選擇和軟件程序的編制都很重要，學生也很重視，80%的精力都花在這里，反而對系統調試和結果分析不重視，認為設計完了也就結束了。系統調試和結果分析是判斷學生選擇方法是否有效的證明，要提醒學生務必重視起來。

三、系統調試和結果分析

人體姿態一般用前后（X方向）、左右（Y方向）、上下（Z方向）三個方向角表示。MPU 6050傳感器模塊可輸出俯仰角（X方向）、偏航角（Y方向）、橫滾角（Z方向）、加速度和溫度信息，通過俯仰角和橫滾角2個數據即可判定身體的姿態。俯仰角表示前后方向摔倒，橫滾角表示上下方向摔倒。

（一）系統的軟硬件調試

系統上電后，如果一切正常，則在顯示屏上能夠看到MPU 6050傳感器模塊實時輸出的橫滾角、俯仰角、偏航角和溫度信息。沿著不同方向緩慢轉動MPU 6050傳感器模塊，蜂鳴器并未報警。快速大角度地晃動，蜂鳴器報警，表明系統運行正常。MPU 6050傳感器的坐標及方向示意如圖4所示。

圖4 MPU 6050 傳感器的坐標及方向

（二）跌倒實驗測試

通過觀察發現，人體的跌倒動作是突發且劇烈的，作用時間非常短。經過多次測試，本實驗設定人體跌倒的判斷依據在2秒內，人體的橫滾角或俯仰角變化超過60°。

1.實驗設計。跌倒狀態一般分為向左、向右、向前跪下，向前趴下，向后仰倒，向后坐倒等情況［6］。本次實驗將跌倒、站立、翻身、行走、彎腰、上下樓梯和坐下同時作為測試項目，用于判斷識別跌倒狀態的準確率。

2.實驗測試結果與分析。將裝置放在腰間，模擬老人動作，分別重復站立、翻身、坐下、行走、彎腰和上下樓梯等各20次，以不同方向和不同姿勢跌倒20次，記錄每個動作識別的準確率。從計算結果看，各種動作的識別準確率是不同的。對于各種形態的跌倒測試，識別準確率高達90%，說明該裝置基本能夠將跌倒這一狀態檢測出來。對于其他動作識別情況分析如下：（1）站立動作：靜止的狀態，其準確率達到100%，能夠被準確地識別出來；（2）翻身和坐下動作：一般動作比較緩慢，但也存在動作過大的情況，準確率為80%；（3）行走和上下樓梯：老人行走和上樓梯的識別率也較高，識別率為90%，下樓梯時產生的沖擊力較大，容易晃動，識別率為60%，今后在該動作上需要進行改進；（4）彎腰和慢跑動作：這2個動作識別率為60%，主要是彎腰在姿態上與向前跌倒十分相似，差別在于行動的速度，這是避免誤判的關鍵。

3.需要改進的方面。學生通過軟硬件設計及調試，最終實現了“老人摔倒”報警這一基本功能，但整個系統并不完善，需要進一步改進。（1）MPU 6050傳感器模塊在采集傾斜角度時會發生零點漂移，導致出現誤差累計的問題；（2）測試裝置放在被檢測者的腰部是否合適，還有待進一步的測試；（3）通過Zigbee將處理結果上傳到上位機乃至手機，由于時間關系，最終沒有實現。

結語

學生經過項目選題、軟硬件設計、系統調試和結果分析等步驟的訓練后，實踐能力都有所提升，特別是在項目選題時，關注社會熱點問題，能夠認真思考，想辦法解決問題。這對于個人和社會都具有意義，也是思想政治教育的切入點。

在項目實施過程中，學生選擇感興趣的題目，遇到困難也能主動尋找解決辦法。當然，也會存在不足。比如：在搭建硬件電路過程中，不熟悉元器件的手冊，不會根據應用場合選擇合適的元器件；在軟件設計方面，程序書寫不嚴謹，可讀性弱；在撰寫項目完結報告時，不懂得詳略得當，尤其是參考文獻書寫格式不規范等。這些不足之處，將是下一步實踐教學改革的重點方向。

對于項目設計的實踐活動，要允許學生出錯，積極尋找答案。這是自我完善的過程，也是學習的最好狀態和方式。學生的實踐活動是一個閉環過程，只有不斷試錯、不斷改進，才能培養學生正確對待困難的態度，正確認識自己，充滿信心，具有責任擔當，為進入社會打下堅實的基礎。