劉 晨 ，郭 軍 ，劉佳良 ，侯 帥

（1.東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遼寧 沈陽 110819）

0 引 言

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(jì)等方面既具有代表性，難度又較低，是良好的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺[1]。筆者在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作中，經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的摸索與改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套支持迭代演進(jìn)的智能車創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[2]。整套創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可以滿足各個(gè)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(gè)性化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，遞進(jìn)式增加實(shí)驗(yàn)難度。

1 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀及可行性分析

1.1 本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，各高校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍以課程實(shí)驗(yàn)為主，其內(nèi)容包括演示性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)4部分[3]。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，且實(shí)驗(yàn)大綱對于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課程知識點(diǎn)的匹配程度有嚴(yán)格的要求，這導(dǎo)致學(xué)生無法將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行有效的融合與貫通，忽略各門課程之間的聯(lián)系，加上驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過多、實(shí)驗(yàn)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?？焖侔l(fā)展的教學(xué)需求迫切需要開發(fā)設(shè)計(jì)綜合性、開放性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1.2 基于智能車的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可行性分析

基于智能車的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)圍繞著智能車迭代演進(jìn)式展開實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，涉及計(jì)算機(jī)、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(shí)踐能力，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)難度遞進(jìn)式增加，在終極實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，開拓學(xué)生思維，培養(yǎng)其創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

將智能車作為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的起始實(shí)驗(yàn)難度低，學(xué)生容易上手，不容易產(chǎn)生抵觸心理；同時(shí)在學(xué)生不斷學(xué)習(xí)的過程中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)難度可迭代演進(jìn)式調(diào)整，保證學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

在實(shí)驗(yàn)裝置方面，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)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(kuò)展構(gòu)件3部分[4]。整套實(shí)驗(yàn)裝置價(jià)格低廉，有利于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開展。

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

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(shí)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(shí)驗(yàn)共分為4部分：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分、單傳感器實(shí)驗(yàn)部分、多傳感器及車車通信實(shí)驗(yàn)部分、綜合實(shí)驗(yàn)部分。實(shí)驗(yàn)包括7個(gè)關(guān)卡的實(shí)驗(yàn)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(lán)牙接力、信使智能車的設(shè)計(jì)，其中前6個(gè)內(nèi)容大約需要4～8小時(shí)的完成時(shí)間，最后一部分內(nèi)容用于探索，約需要32小時(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺鐖D2所示。

圖2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

2.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

本階段要求學(xué)生完成智能車的拼裝及基本動作，實(shí)現(xiàn)對于智能車的初步探索[6]。以STC89C52系列單片機(jī)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(gè)基本動作。

2.2 單傳感器實(shí)驗(yàn)

在單傳感器實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生在車上加裝傳感器，自主編程分別實(shí)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(jì)能力[7-9]。

2.3 多傳感器及車車通訊實(shí)驗(yàn)

隨著實(shí)踐環(huán)節(jié)的不斷深入和完善，本階段計(jì)劃引入多種傳感器，基于智能車進(jìn)行復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，完成基于M4核心的STM32系列芯片的有限輸入輸出點(diǎn)的智能車設(shè)計(jì)[10]，完成智能車的紅外綜合；同時(shí)，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(shí)現(xiàn)車車通訊。

2.4 綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)部分要求學(xué)生完成信使智能車的設(shè)計(jì)，并為完成以上所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)生提供自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)端預(yù)約送貨地點(diǎn)等。

3 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用情況

這種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭呀?jīng)在東北大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院暑期夏令營、電子設(shè)計(jì)大賽培訓(xùn)、嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行過多次應(yīng)用，已覆蓋計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)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(gè)專業(yè)4個(gè)年級的學(xué)生，覆蓋學(xué)生人數(shù)近800人。

3.1 暑期夏令營

為了將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與夏令營更好地結(jié)合，針對暑期夏令營的特點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以關(guān)卡的形式發(fā)布，要求學(xué)生組隊(duì)闖關(guān)，提高學(xué)生興趣。在近兩年計(jì)算機(jī)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(jì)人數(shù)達(dá)8 960。

3.2 電子設(shè)計(jì)大賽培訓(xùn)

基于智能車的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)作為電子設(shè)計(jì)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(qiáng)、編程能力較弱的特點(diǎn)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加強(qiáng)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(shí)，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(jì)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。

3.3 嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用課程開放性實(shí)驗(yàn)

嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的硬件類課程，面向計(jì)算機(jī)專業(yè)大三年級的學(xué)生開展，其實(shí)驗(yàn)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(jì)，包括共享單車的設(shè)計(jì)、智能快遞柜的模擬、智能車的設(shè)計(jì)等。

在嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用課程的開放性實(shí)驗(yàn)中，為學(xué)生提供32學(xué)時(shí)的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)空間，鼓勵(lì)學(xué)生完成智能車綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡易信使智能車的設(shè)計(jì)；將學(xué)生所學(xué)的多門計(jì)算機(jī)專業(yè)課程知識融合，從底層的硬件電路設(shè)計(jì)到算法設(shè)計(jì)等，均由學(xué)生自主完成。

4 結(jié) 語

基于智能車的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?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(jìn)行融合，形成一個(gè)綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭呀?jīng)經(jīng)過兩年時(shí)間的驗(yàn)證，實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程相比，這種迭代演進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)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(shí)踐能力。另外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ骄哂羞B貫性，可以隨著新技術(shù)的發(fā)展不斷延拓。