徐 鵬，周 鵬，萬(wàn)文略，張 蓮

基于電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽導(dǎo)向的自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)改革

徐 鵬，周 鵬，萬(wàn)文略，張 蓮

（重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院自動(dòng)化系，重慶400054）

在分析全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中“控制系統(tǒng)類”題目的基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)專業(yè)理論教學(xué)體系內(nèi)容及實(shí)踐教學(xué)方式的改革進(jìn)行了研討，并提出相應(yīng)的對(duì)策，力圖以競(jìng)賽促進(jìn)創(chuàng)新教育，以求進(jìn)一步構(gòu)建電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽與專業(yè)教學(xué)的良性循環(huán)，提升學(xué)生的專業(yè)綜合實(shí)踐能力。

電子設(shè)計(jì)；控制類；自動(dòng)化；理論教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽是教育部與信息產(chǎn)業(yè)部共同舉辦的與教學(xué)改革實(shí)踐緊密結(jié)合的四項(xiàng)科技競(jìng)賽之一。舉辦競(jìng)賽的目的在于按照緊密結(jié)合教學(xué)實(shí)際，著重基礎(chǔ)、注重前沿的原則，促進(jìn)電子信息類專業(yè)和課程的建設(shè)，引導(dǎo)高等學(xué)校在教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、協(xié)作精神；加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練，提高學(xué)生針對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行電子設(shè)計(jì)、制作的綜合能力；吸引、鼓勵(lì)廣大學(xué)生踴躍參加課外科技活動(dòng)，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件［1－2］。

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽逐漸形成了多層次（省市級(jí)與國(guó)家級(jí)）和多學(xué)科（電子、通信、電氣及控制等）的格局?；仡櫄v屆電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目，其主要類型有電源類、放大器類、儀器儀表類、控制類、數(shù)據(jù)采集與處理類等。其中，與“控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”相關(guān)的題目涉及復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題，不再局限于單輸入單輸出的系統(tǒng)，出現(xiàn)了多變量強(qiáng)耦合系統(tǒng)，對(duì)大學(xué)生設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力提出了更高的要求。在“以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促建、以賽促改”［3］的基本思想下，筆者分析了電子競(jìng)賽歷年“控制系統(tǒng)類”題目?jī)?nèi)涵及參賽學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題，旨在以此推進(jìn)我院自動(dòng)化專業(yè)教育教學(xué)改革的進(jìn)程，提高學(xué)生設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力，引導(dǎo)大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)向更加專業(yè)化方向發(fā)展。

1 電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽“控制系統(tǒng)類”賽題分析

從1997年至今，幾乎每屆電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽都有“控制系統(tǒng)類”的題目，如表1所示。從這些題目可以明顯看出，控制系統(tǒng)所涉及的對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，出現(xiàn)了多輸入多輸出對(duì)象，如四旋翼飛行器，其控制難度大幅度提高，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力提出了更高的要求?！翱刂葡到y(tǒng)類”題目知識(shí)覆蓋面廣泛，涉及許多相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)應(yīng)用，參賽學(xué)生只有綜合運(yùn)用所學(xué)到的知識(shí)，才能完成設(shè)計(jì)任務(wù)。同時(shí)，所有設(shè)計(jì)工作需由參賽的3位隊(duì)員在較短時(shí)間（4天3夜）內(nèi)完成，不僅是對(duì)競(jìng)賽學(xué)生團(tuán)隊(duì)綜合能力的全面檢驗(yàn)，也是對(duì)高等院校電氣自動(dòng)化類專業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的檢驗(yàn)。

表1 全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（本科組）“控制系統(tǒng)類”題目（1997—2015）［4］

2 參賽學(xué)生存在的問(wèn)題分析

（以重慶理工大學(xué)為例）

2．1 缺乏機(jī)構(gòu)裝置制作能力

“控制系統(tǒng)類”題目往往需要進(jìn)行機(jī)構(gòu)裝置的設(shè)計(jì)與制作，其設(shè)計(jì)和制作質(zhì)量的水平對(duì)后期控制目標(biāo)的達(dá)成起著至關(guān)重要的影響。自動(dòng)化專業(yè)的同學(xué)往往將注意力放在狹義控制系統(tǒng)（MUC和傳感器）構(gòu)建上，而忽視了這方面的能力訓(xùn)練，導(dǎo)致構(gòu)建的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)具有本質(zhì)難控性，甚至出現(xiàn)某些參賽隊(duì)伍因?yàn)闄C(jī)構(gòu)裝置上的失誤而直接退賽的情況。

2．2 控制問(wèn)題分析與解決能力薄弱

由于競(jìng)賽的時(shí)間較短，對(duì)于構(gòu)建好的機(jī)構(gòu)裝置（含MCU和傳感器），參賽隊(duì)員往往立即著手編寫(xiě)控制程序算法，而對(duì)機(jī)構(gòu)裝置的本質(zhì)特性缺乏仔細(xì)的研究與分析。一旦出現(xiàn)難于控制的情況，也只能簡(jiǎn)單地調(diào)整控制器參數(shù)。對(duì)于系統(tǒng)控制問(wèn)題，多數(shù)參賽學(xué)生無(wú)法從系統(tǒng)模型入手提出相應(yīng)的控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法。

2．3 專業(yè)科技英語(yǔ)能力差

無(wú)論是平時(shí)培訓(xùn)還是競(jìng)賽都會(huì)用到新的元器件，這些元器件說(shuō)明文本往往都是英文的，許多同學(xué)對(duì)這些英文文檔的專業(yè)詞匯理解起來(lái)非常吃力，專業(yè)英語(yǔ)的閱讀成為某些學(xué)生一道難以逾越的屏障。

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中參賽學(xué)生暴露的問(wèn)題，充分說(shuō)明原有的教學(xué)計(jì)劃及模式存在一定的問(wèn)題，無(wú)法滿足對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的要求，自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

3 專業(yè)核心課程的教學(xué)實(shí)踐改革對(duì)策

3．1 現(xiàn)狀和問(wèn)題

基于信息物理融合系統(tǒng)的智能化，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的“工業(yè)4．0”時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，按照《中國(guó)制造2025》中對(duì)自動(dòng)化技術(shù)提出的新要求，改革自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式，是自動(dòng)化專業(yè)教育教學(xué)改革的當(dāng)務(wù)之急［5］。以重慶理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)為例，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，已基本形成“控制理論—控制器—被控對(duì)象”這一完整的教學(xué)實(shí)踐體系結(jié)構(gòu)，并在“控制器—被控對(duì)象”環(huán)節(jié)中加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教育，有力促進(jìn)了學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。但從近幾屆電子競(jìng)賽“控制設(shè)計(jì)”類試題看，其知識(shí)面主要覆蓋微處理器、傳感器及控制理論等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，且設(shè)計(jì)指標(biāo)要求高，而現(xiàn)有教學(xué)計(jì)劃中，基礎(chǔ)教材的深度和廣度已不能適應(yīng)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和工程應(yīng)用實(shí)踐的要求。因此，需要進(jìn)行更進(jìn)一步的教學(xué)改革。

3．2 以32位微控制器為核心內(nèi)容重構(gòu)單片機(jī)課程體系

目前，自動(dòng)化專業(yè)的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程內(nèi)容主要是圍繞8位的51單片機(jī)來(lái)展開(kāi)的。而51單片機(jī)在運(yùn)算速度和外設(shè)接口擴(kuò)展性方面，已無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，這一點(diǎn)在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽及其他創(chuàng)新項(xiàng)目中也得到了充分的證實(shí)。因此，在該課程中應(yīng)考慮對(duì)32位單片機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹v解。在目前修訂后的教學(xué)大綱中，該課程的48學(xué)時(shí)均設(shè)計(jì)為實(shí)踐課程。教學(xué)過(guò)程中51單片機(jī)采用仿真軟件（Proteus等）能有效提高教學(xué)進(jìn)程，并且學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間完成最小系統(tǒng)的構(gòu)建及程序設(shè)計(jì)等相關(guān)環(huán)節(jié)。而對(duì)于32位單片機(jī)，可以考慮利用現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)板或核心板進(jìn)行教學(xué)。因此，在該課程中涵蓋這兩類芯片的教學(xué)方案是完全可行的。同時(shí)，考慮通過(guò)3～5年的教學(xué)實(shí)踐完全過(guò)渡到32位單片機(jī)教學(xué)。

3．3 加強(qiáng)對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程多采用理論為主、實(shí)驗(yàn)為輔的教學(xué)模式，往往會(huì)出現(xiàn)重理論輕實(shí)踐的狀況。同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)豐富的實(shí)踐，學(xué)生也很難深刻理解和掌握相關(guān)內(nèi)容。因此，該課程建設(shè)過(guò)程中可考慮分配更多的實(shí)踐學(xué)時(shí)，在實(shí)踐過(guò)程中指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，使學(xué)生具備基本的微機(jī)接口設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集處理及數(shù)字控制設(shè)計(jì)等能力。同時(shí)，該實(shí)踐環(huán)節(jié)又能有效支撐前修課程單片機(jī)原理及應(yīng)用。

3．4 構(gòu)建面向?qū)ο蟮目刂葡到y(tǒng)仿真課程教學(xué)模式

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽暴露出學(xué)生在構(gòu)建控制系統(tǒng)過(guò)程中，系統(tǒng)分析和算法設(shè)計(jì)能力偏弱的問(wèn)題，他們對(duì)仿真軟件的使用還停留在數(shù)據(jù)處理的初級(jí)階段。因此，在控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)改革中，需要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的控制系統(tǒng)分析和算法設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。在原有控制系統(tǒng)仿真課程中，往往前期花較多課時(shí)介紹Matlab軟件中的控制系統(tǒng)基本句法操作；后續(xù)的實(shí)踐過(guò)程主要集中在具體理論的仿真實(shí)現(xiàn)，而缺少針對(duì)具體系統(tǒng)的仿真分析與算法設(shè)計(jì)的相應(yīng)內(nèi)容。目前，在自動(dòng)控制原理課程使用的教材中都有相應(yīng)環(huán)節(jié)的仿真句法。同時(shí)，該課程也安排有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，可以解決基本的單輸入單輸出系統(tǒng)的仿真構(gòu)建。因此，在控制系統(tǒng)仿真課程中，應(yīng)設(shè)計(jì)針對(duì)具體系統(tǒng)的模型分析、仿真構(gòu)建和算法設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。例如，考慮在教學(xué)過(guò)程中指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建單擺系統(tǒng)穩(wěn)擺過(guò)程仿真系統(tǒng)（單輸入單輸出系統(tǒng)）和四旋翼飛行器仿真系統(tǒng)（多輸入多輸出系統(tǒng)）；進(jìn)一步結(jié)合硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)（dSPACE，RT－Lab等）中構(gòu)建幾個(gè)系統(tǒng)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅能用于仿真類課程教學(xué)，還能有效支撐后續(xù)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

此外，上述課程教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，需要查閱一些英文技術(shù)手冊(cè)及英文資料。在課程教學(xué)中，可以通過(guò)課堂講解和課后自學(xué)的方式使學(xué)生掌握相關(guān)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，提高學(xué)生查閱外文資料的能力。

4 專業(yè)集中實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革對(duì)策

4．1 構(gòu)建“貫通性”集中實(shí)踐教育環(huán)節(jié)

通過(guò)集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，能將核心骨干課程進(jìn)行有效的綜合，以培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和設(shè)計(jì)的能力。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和自動(dòng)化工程課程設(shè)計(jì)均為自動(dòng)化專業(yè)必修的集中實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于兩門(mén)實(shí)踐課程具有一定的承接性，在前期的教學(xué)實(shí)踐中往往考慮將兩門(mén)實(shí)踐項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，沒(méi)有對(duì)后期畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)要求進(jìn)行考慮，甚至出現(xiàn)三個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的題目完全不具備相關(guān)性的現(xiàn)象，這勢(shì)必影響對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。由于三個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的課題內(nèi)容有一定的連貫性，所以參加畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)的老師均應(yīng)參與前兩個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，結(jié)合自己的科研專長(zhǎng)針對(duì)每個(gè)學(xué)生特點(diǎn)擬訂課題或方向。學(xué)生在開(kāi)始進(jìn)行集中實(shí)踐前進(jìn)行課題選擇，指導(dǎo)教師結(jié)合課題需要設(shè)置分層次教學(xué)要求。

以電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為例，在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)中，可考慮設(shè)計(jì)直流電機(jī)單閉環(huán)調(diào)試系統(tǒng)這樣的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，在自動(dòng)化工程課程設(shè)計(jì)中。可以設(shè)計(jì)具體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制任務(wù)，如小車(chē)巡線和自平衡小車(chē)等。經(jīng)過(guò)兩個(gè)集中環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作特點(diǎn)就能產(chǎn)生較為深刻的認(rèn)識(shí)。在“畢業(yè)設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)，可以考慮就前期構(gòu)建的系統(tǒng)提出更高的控制要求，或者更換控制電機(jī)，如同步電機(jī)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制目標(biāo)。通過(guò)設(shè)定連貫性的實(shí)踐環(huán)節(jié)課題內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)某一領(lǐng)域的控制問(wèn)題得到充分的實(shí)踐鍛煉。同時(shí)，也能加深對(duì)該控制系統(tǒng)的理解，進(jìn)而提高自身的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

4．2 建立“集中－分散”式實(shí)踐教育模式

專業(yè)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教育環(huán)節(jié)，要求學(xué)生在“規(guī)定的時(shí)間和規(guī)定的地點(diǎn)”完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，現(xiàn)在的做法是每班指定兩位教師完成題目設(shè)計(jì)及相應(yīng)指導(dǎo)工作，其教育方式顯然不適合“三環(huán)節(jié)項(xiàng)目?jī)?nèi)容連貫性”模式的要求。同時(shí)，在“貫通性”模式下，鼓勵(lì)系里的所有老師參與指導(dǎo)，并針對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行題目設(shè)計(jì)。但要求全體參與老師在集中實(shí)踐的工作時(shí)間內(nèi)連續(xù)到教室進(jìn)行指導(dǎo)，顯然是不合適的，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，需要對(duì)原有集中實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行一定的調(diào)整。

首先，在集中實(shí)踐環(huán)節(jié)需安排一定數(shù)量的值班老師，保證學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐的過(guò)程相對(duì)集中，這既能檢查學(xué)生的出勤情況，又能給予學(xué)生一定的課題指導(dǎo)。同時(shí)，結(jié)合每位指導(dǎo)教師的工作時(shí)間安排一定的分散指導(dǎo)學(xué)時(shí)，以便指導(dǎo)老師有針對(duì)性地進(jìn)行“一對(duì)一”的檢查指導(dǎo)，以保證學(xué)生實(shí)踐課題的順利進(jìn)行。在實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)束時(shí)，組織考評(píng)小組對(duì)學(xué)生完成的實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)收答辯，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合考評(píng)。“集中—分散”模式在專業(yè)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中能有效兼顧共性和個(gè)性，有效調(diào)動(dòng)指導(dǎo)教師和學(xué)生的參與積極性，有效支撐后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)。

5 結(jié)束語(yǔ)

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽不僅對(duì)自動(dòng)化專業(yè)理論和實(shí)踐的教學(xué)改革指明了方向，而且對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)起到了極大的促進(jìn)作用。高校應(yīng)當(dāng)以競(jìng)賽為契機(jī)，不斷深化理論和實(shí)踐教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的教學(xué)效果，以培養(yǎng)出更多高素質(zhì)的專業(yè)創(chuàng)新人才。

［1］ 楊民生，伍宗富，任艷惠．以電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽促進(jìn)自動(dòng)化實(shí)踐教學(xué)改革研究［J］．教育教學(xué)論壇，2012（34）：123－124．

［2］ 朱穎莉．以競(jìng)賽為契機(jī)推進(jìn)教學(xué)改革——從全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽談電子信息類專業(yè)教學(xué)改革的推進(jìn)［J］．科技信息（學(xué)術(shù)研究），2008（5）：340－341．

［3］ 王延盛，姜穎，何琳鋒，等．結(jié)合技能競(jìng)賽，創(chuàng)新“賽訓(xùn)一體”特色教學(xué)方法——以電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)為例［J］．天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2016（1）：22－26．

［4］ 張奇，柴鈺．面向電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)研究［J］．工業(yè)和信息化教育，2015（10）：83－87．

［5］ 吳曉蓓．《中國(guó)制造2025》與自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)［J］．中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2015（8）：9－11．

A Study on the Teaching Reform for the Major of Automation Based on the National Undergraduate Electronic Design Contest

XU Peng，ZHOU Peng，WANWenlue，ZHANG Lian
（School of Electrical and Electronic Engineering of Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，P．R．China）

Based on the analysis of the“control-related type”problems in the National Undergraduate Electronic Design Contest，in combination with the characteristics of themajor of automation，this paper probes into the reform of both the contentof the specialized theoretical teaching system and themode of the practical teaching aswell as presenting relevant solutions to promote the innovation education with the contest，further build a positive cycle between the contest and the specialized teaching，and enhance the students'professional ability in comprehensive practice．

electronic design；control-related type；automation；theoretical teaching；practical teaching

G712

A

1008-8032（2017）02-0007-03

2016－12－26

徐 鵬（1978－），工學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)殡姎庀到y(tǒng)智能控制技術(shù)及機(jī)器人控制技術(shù)。