趙奉奎 呂立亞

摘 ? 要：針對(duì)當(dāng)前汽車傳感器技術(shù)課程理論性課堂教學(xué)與實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)教學(xué)相分離，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不易拓展的問題，提出了結(jié)合全國大學(xué)生智能汽車競賽，搭建使用靈活、運(yùn)作高效的智能車實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的傳感器教學(xué)、實(shí)驗(yàn)改革方案，課堂教學(xué)過程中利用智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證理論，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生通過自己安裝傳感器、編程處理傳感器信號(hào)的方式鍛煉實(shí)踐能力。實(shí)踐結(jié)果表明教學(xué)改革方案能夠促進(jìn)課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)融合，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握更加深入，實(shí)踐能力得到了明顯提高。

關(guān)鍵詞：汽車傳感器 ?智能車 ?教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（a）-0199-03

Abstract： Theoretical teaching and experiments are usually implemented separately and the content of practice teaching is not expandable. To solve this problem， a theoretical teaching and experiments reform program for course of automobile sensor technique is proposed. This program builds intelligent cars as experimental platform based on the national university students intelligent cars race. It is believed that the developed experimental platform would be more flexible and high efficiency. The experimental platform， i.e.， the intelligent cars are used to verify the theoretical analytic results on the class. When doing experiments， students are required to install the sensors and process sensor signals on MCU by programming. Results demonstrate that the program promotes the combination of teaching and experiment， and makes the students have deeper understanding of the theories and enhanced practicing abilities.

Key Words： Automobile Sensor; Intelligent Car; Teaching Reform

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高，越來越多的傳統(tǒng)的機(jī)械控制系統(tǒng)由電子控制系統(tǒng)代替。在此背景下，汽車電子方向成為車輛工程專業(yè)發(fā)展的重要方向，也是行業(yè)未來發(fā)展趨勢(shì)，人才缺口巨大。汽車電子方向的學(xué)生除了需要掌握汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚摰葌鹘y(tǒng)車輛工程的專業(yè)課外，還需要掌握汽車傳感器技術(shù)、汽車電子控制技術(shù)、汽車電器與電子技術(shù)等課程。汽車傳感器技術(shù)是汽車電器、電控系統(tǒng)的前端器件，是汽車電子控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此對(duì)該課程知識(shí)的掌握非常關(guān)鍵。汽車傳感器技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)方式為課堂上進(jìn)行理論教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在教學(xué)過程中存在一些繼續(xù)解決的問題：（1）持續(xù)的知識(shí)講解會(huì)使課堂枯燥乏味，學(xué)生的學(xué)習(xí)激情隨著教學(xué)內(nèi)容的深入而逐漸消退，學(xué)習(xí)興趣下降，學(xué)習(xí)效果差;（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積大，課堂上無法直觀的觀察傳感器信號(hào)，教學(xué)和實(shí)驗(yàn)分離，且臺(tái)架上的傳感器種類固定、數(shù)量少、綜合性差，且臺(tái)架試驗(yàn)方法固定，不能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性;（3）實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí);（4）臺(tái)架不適于加速度、角速度、距離等信號(hào)的測(cè)量。

全國大學(xué)生智能汽車競賽是受教育部高等教育司委托，由教育部高等自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦、恩智浦（中國）管理有限公司協(xié)辦的賽事，競賽是以智能車為研究對(duì)象，面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)[1]。該競賽以汽車電子為背景，在統(tǒng)一的汽車模型上，使用恩智浦半導(dǎo)體公司的微控制器作為核心控制模塊，通過安裝傳感器、設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編寫單片機(jī)程序，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的智能車，按照規(guī)定路線行進(jìn)，用時(shí)最短者獲勝。

通過全國大學(xué)生智能汽車競賽進(jìn)行教學(xué)改革，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺點(diǎn)，能夠建立有效的理論和實(shí)踐相結(jié)合的途徑，提高學(xué)生分析解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新精神。

1 ?汽車傳感器技術(shù)教學(xué)改革方案概況

高等教育發(fā)展歷程中形成的理性主義課程理念認(rèn)為實(shí)踐課程是為了讓學(xué)生更好地理解和掌握理論知識(shí)。當(dāng)前專業(yè)教材重視理論完整性、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性、邏輯嚴(yán)密性和知識(shí)深度性，有助于學(xué)生盡快掌握基本的理論、概念、原理和原則，但卻忽視了實(shí)踐應(yīng)用，不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力[2]。汽車傳感器技術(shù)，是一門理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)的課程，汽車傳感器技術(shù)教材既要詳細(xì)敘述傳感器的工作原理，又要對(duì)傳感器在汽車上的安裝位置、輸出信號(hào)類型和信號(hào)處理方法進(jìn)行詳細(xì)分析。例如MEMS角速度傳感器大都利用哥氏力原理，教學(xué)過程中需要向?qū)W生詳細(xì)解釋哥氏力產(chǎn)生的原因和檢測(cè)方法，進(jìn)而分析角速度傳感器輸出信號(hào)類型。南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室有很多臺(tái)架，可用于對(duì)傳統(tǒng)汽車傳感器進(jìn)行測(cè)試，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)所需的溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器、氣體傳感器、空氣流量傳感器等和底盤控制系統(tǒng)所需的車速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等等，還研發(fā)了電動(dòng)汽車再生制動(dòng)臺(tái)架[3]。近幾年新型傳感器在汽車上使用越來越多，如加速度計(jì)、陀螺儀、毫米波雷達(dá)、LiDAR和攝像頭等，而這些傳感器缺乏有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)供學(xué)生實(shí)踐。因此，汽車傳感器技術(shù)課程教學(xué)方式急需改革。

教學(xué)改革內(nèi)容包括三部分，如圖1所示。第一部分將實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)教室，將課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，建立課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效通道;第二部分對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，設(shè)計(jì)傳感器安裝環(huán)節(jié)、傳感器輸出信號(hào)測(cè)試環(huán)節(jié)和基于單片機(jī)的傳感器信號(hào)處理環(huán)節(jié)，給學(xué)生足夠的空間發(fā)揮主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力;第三部分為課程擴(kuò)展，學(xué)生技能訓(xùn)練過程中動(dòng)手打造一輛智能車，設(shè)計(jì)信號(hào)采集電機(jī)控制電路，安裝智能車并進(jìn)行智能車調(diào)試。

2 ?汽車傳感器技術(shù)教學(xué)改革方案實(shí)施

在教學(xué)課堂講授理論知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)行新型傳感器的部分實(shí)踐活動(dòng)，并深入實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，建立理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)的雙向、互動(dòng)關(guān)系，將理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)有機(jī)融合起來[4]。

2.1 智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)制作

車模是傳感器安裝、測(cè)試的平臺(tái)，智能車比賽提供了多種車模，包括兩輪直立車模，三輪車模和四輪車模。在車模上可安裝的傳感器種類較多，智能車主板需要為各種傳感器留下大量接口，以備功能擴(kuò)展。為此，以恩智浦單片機(jī)為控制器，設(shè)計(jì)通用的控制主板，控制主板包括傳感器接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和光電編碼器接口。將通用的控制主板分別安裝在兩輪直立車模、三輪車模和四輪車模上，制作成智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.2 課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合

傳統(tǒng)教學(xué)方式在進(jìn)行課堂教學(xué)時(shí)主要講授理論知識(shí)，進(jìn)行教學(xué)改革后，講解傳感器的工作原理和輸出信號(hào)的類型及濾波放大處理方法，將裝有傳感器的智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)帶進(jìn)課堂，在課堂上利用示波器等設(shè)備展示隨輸入信號(hào)的變化傳感器輸出信號(hào)的變化，對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。并講解傳感器信號(hào)在單片機(jī)中的處理過程，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)的結(jié)合。

在深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革方面，實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生除了在臺(tái)架上進(jìn)行傳統(tǒng)傳感器的實(shí)驗(yàn)，也在智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行新型傳感器的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在智能車上動(dòng)手安裝傳感器，利用示波器觀察傳感器及各級(jí)信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)，并結(jié)合傳感器工作原理分析傳感器信號(hào)。之后進(jìn)行單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)讀取，通過藍(lán)牙串口，將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行觀察記錄。 智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)比臺(tái)架試驗(yàn)更加靈活、自由，為學(xué)生提供了發(fā)揮主動(dòng)能動(dòng)性的空間，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

2.3 技能訓(xùn)練

課堂及實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，為了進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，在學(xué)期末的技能訓(xùn)練環(huán)節(jié)按照大學(xué)生智能車競賽設(shè)置的組別和要求布置智能車設(shè)計(jì)任務(wù)，利用技能訓(xùn)練整合傳感器技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、EDA、自動(dòng)控制原理和C語言等多門課程，實(shí)現(xiàn)多門課程的綜合實(shí)踐訓(xùn)練?；谥悄苘嚫傎惖募寄苡?xùn)練有助于學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，也為參加全國大學(xué)生智能汽車競賽提前做好準(zhǔn)備。

3 ?結(jié)語

針對(duì)當(dāng)前汽車傳感器技術(shù)課程課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相分離，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不易拓展等問題，提出了基于智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的傳感器教學(xué)、實(shí)驗(yàn)改革方案。智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用靈活、運(yùn)作高效，實(shí)踐表明，教學(xué)改革后的汽車傳感器技術(shù)課程有效融合了課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，建立了理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)的雙向、互動(dòng)關(guān)系，改善了課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合設(shè)計(jì)能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 全國大學(xué)生智能汽車競賽介紹[EB/OL].http：//smartcar.xujc.com/2018/0801/c5280a107641/page.htm，2019.

[2] 潘懋元，周群英.從高校分類的視角看應(yīng)用型本科課程建設(shè)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2009（3）：4-7.

[3] 呂立亞.電動(dòng)汽車RBS與ABS集成控制研究[D].南京林業(yè)大學(xué)，2018.

[4] 鄭琰，張駿，趙奉奎.物流工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學(xué)模式創(chuàng)新研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017，14（20）：215-216.