劉 晨 ,郭 軍 ,劉佳良 ,侯 帥
(1.東北大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;2.東北大學(xué) 計算機國家級實驗教學(xué)示范中心,遼寧 沈陽 110819)
隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的飛速發(fā)展,人工智能越來越受到人們的關(guān)注。智能車作為人工智能的代表產(chǎn)物之一,在信息提取及處理、控制系統(tǒng)構(gòu)成、控制方案設(shè)計等方面既具有代表性,難度又較低,是良好的本科教學(xué)實驗平臺[1]。筆者在教學(xué)和實驗操作中,經(jīng)過對實驗內(nèi)容的摸索與改進,設(shè)計了一套支持迭代演進的智能車創(chuàng)新實驗[2]。整套創(chuàng)新實驗可以滿足各個年級學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,并且可根據(jù)學(xué)生的專業(yè)及年級差異,個性化設(shè)計實驗內(nèi)容,遞進式增加實驗難度。
目前,各高校本科實驗教學(xué)仍以課程實驗為主,其內(nèi)容包括演示性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗4部分[3]。實驗內(nèi)容多以驗證性實驗為主,且實驗大綱對于實驗內(nèi)容與課程知識點的匹配程度有嚴格的要求,這導(dǎo)致學(xué)生無法將實驗內(nèi)容進行有效的融合與貫通,忽略各門課程之間的聯(lián)系,加上驗證性實驗過多、實驗結(jié)果唯一性導(dǎo)致學(xué)生思維受到束縛,其綜合性動手能力無法得到有效的鍛煉。快速發(fā)展的教學(xué)需求迫切需要開發(fā)設(shè)計綜合性、開放性的創(chuàng)新實驗教學(xué)體系。
基于智能車的創(chuàng)新型實驗圍繞著智能車迭代演進式展開實驗內(nèi)容,涉及計算機、通信、電子、自動化等多學(xué)科的知識,不再拘泥于某一門課程體系,將多學(xué)科、多課程的知識融合,鍛煉學(xué)生動手實踐能力,同時將實驗難度遞進式增加,在終極實驗中要求學(xué)生自主設(shè)計并實現(xiàn),開拓學(xué)生思維,培養(yǎng)其創(chuàng)新設(shè)計能力。
將智能車作為創(chuàng)新實驗的基礎(chǔ),主要考慮到智能車本身的趣味性與靈活性,且智能車實驗的起始實驗難度低,學(xué)生容易上手,不容易產(chǎn)生抵觸心理;同時在學(xué)生不斷學(xué)習(xí)的過程中,實驗內(nèi)容及實驗難度可迭代演進式調(diào)整,保證學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。
在實驗裝置方面,創(chuàng)新實驗用到的硬件裝置主要包括基礎(chǔ)車體構(gòu)件、智能裝置構(gòu)件和擴展構(gòu)件3部分[4]。整套實驗裝置價格低廉,有利于創(chuàng)新實驗的開展。
所謂智能車就是在普通車輛的基礎(chǔ)上增加嵌入式芯片、傳感器、執(zhí)行器等裝置,實現(xiàn)智能信息交換的嵌入式系統(tǒng)[5]。智能車的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 智能車硬件結(jié)構(gòu)
創(chuàng)新實驗共分為4部分:基礎(chǔ)實驗部分、單傳感器實驗部分、多傳感器及車車通信實驗部分、綜合實驗部分。實驗包括7個關(guān)卡的實驗內(nèi)容:智能車的基本動作、智能車的光電對管尋跡、智能車的CCD尋跡、智能車的避障、智能車的紅外綜合、智能車的藍牙接力、信使智能車的設(shè)計,其中前6個內(nèi)容大約需要4~8小時的完成時間,最后一部分內(nèi)容用于探索,約需要32小時,實驗?zāi)J饺鐖D2所示。
圖2 創(chuàng)新實驗?zāi)J?/p>
本階段要求學(xué)生完成智能車的拼裝及基本動作,實現(xiàn)對于智能車的初步探索[6]。以STC89C52系列單片機芯片為核心,配套外部模塊,要求學(xué)生在1min內(nèi)讓小車自動完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、停止5個基本動作。
在單傳感器實驗中,要求學(xué)生在車上加裝傳感器,自主編程分別實現(xiàn)智能車的紅外尋跡、智能車的CCD尋跡、智能車的避障,考查學(xué)生對于簡單算法的設(shè)計能力[7-9]。
隨著實踐環(huán)節(jié)的不斷深入和完善,本階段計劃引入多種傳感器,基于智能車進行復(fù)雜的算法設(shè)計與實現(xiàn),完成基于M4核心的STM32系列芯片的有限輸入輸出點的智能車設(shè)計[10],完成智能車的紅外綜合;同時,在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上引入無線通訊的知識,在智能車上加入無線通信模塊,實現(xiàn)車車通訊。
綜合設(shè)計實驗部分要求學(xué)生完成信使智能車的設(shè)計,并為完成以上所有實驗內(nèi)容的學(xué)生提供自主創(chuàng)新設(shè)計思路。該思路是基于google無人駕駛汽車的思想,能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的傳送信件的功能[11]。學(xué)生需要學(xué)習(xí)并實現(xiàn)的內(nèi)容包括智能車的路徑規(guī)劃算法、智能車的避障算法、手機端預(yù)約送貨地點等。
這種創(chuàng)新實驗?zāi)J揭呀?jīng)在東北大學(xué)計算機學(xué)院暑期夏令營、電子設(shè)計大賽培訓(xùn)、嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用課程的實驗教學(xué)中進行過多次應(yīng)用,已覆蓋計算機學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息工程、通信工程4個專業(yè)4個年級的學(xué)生,覆蓋學(xué)生人數(shù)近800人。
為了將實驗內(nèi)容與夏令營更好地結(jié)合,針對暑期夏令營的特點,將實驗內(nèi)容以關(guān)卡的形式發(fā)布,要求學(xué)生組隊闖關(guān),提高學(xué)生興趣。在近兩年計算機學(xué)院舉辦的暑期夏令營中,智能車主題共培訓(xùn)學(xué)生近160人,累計人數(shù)達8 960。
基于智能車的創(chuàng)新實驗作為電子設(shè)計大賽前期培訓(xùn)的一部分,面向通信電子類專業(yè)低年級的學(xué)生展開,每年服務(wù)學(xué)生約1 440人。
在培訓(xùn)過程中,針對通信電子類專業(yè)學(xué)生動手能力強、編程能力較弱的特點,調(diào)整實驗內(nèi)容,加強器件的多樣性和綜合性,弱化算法的復(fù)雜度。面對CCD尋跡算法等代碼量較高的算法時,將部分代碼以模塊化的形式提供給學(xué)生。在2018年的“TI杯”遼寧省電子設(shè)計大賽中,經(jīng)過此培訓(xùn)的學(xué)生中有多人取得優(yōu)異的成績。
嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用是計算機專業(yè)重要的硬件類課程,面向計算機專業(yè)大三年級的學(xué)生開展,其實驗內(nèi)容為基于嵌入式控制器完成小型智能系統(tǒng)的設(shè)計,包括共享單車的設(shè)計、智能快遞柜的模擬、智能車的設(shè)計等。
在嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用課程的開放性實驗中,為學(xué)生提供32學(xué)時的擴展實驗空間,鼓勵學(xué)生完成智能車綜合設(shè)計實驗,實現(xiàn)一個簡易信使智能車的設(shè)計;將學(xué)生所學(xué)的多門計算機專業(yè)課程知識融合,從底層的硬件電路設(shè)計到算法設(shè)計等,均由學(xué)生自主完成。
基于智能車的創(chuàng)新實驗?zāi)J讲辉僖栏接谀骋婚T理論課,而是將多專業(yè)、多方向的知識基于智能車進行融合,形成一個綜合性創(chuàng)新實驗體系。該創(chuàng)新實驗?zāi)J揭呀?jīng)經(jīng)過兩年時間的驗證,實踐表明,與傳統(tǒng)的實驗課程相比,這種迭代演進式的實驗教學(xué)模式對于學(xué)生來說,更容易激發(fā)他們的興趣,開拓其思維。學(xué)生以興趣為導(dǎo)向參與,有利于提高其動手實踐能力。另外,整個實驗?zāi)J骄哂羞B貫性,可以隨著新技術(shù)的發(fā)展不斷延拓。