李斌，王智勇，婁璟

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島 125105）

近年來，在教育部提出新工科建設(shè)和“雙一流”建設(shè)的背景下，遼寧工程技術(shù)大學(xué)堅(jiān)持“以生為本、以學(xué)為中心、以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向”的OBE 育人理念，著力推進(jìn)電氣類大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)[1-3]，每年積極組織學(xué)生參加各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽，用實(shí)際行動(dòng)踐行“博學(xué)篤行、誠樸求是”的校訓(xùn)。遼寧工程技術(shù)大學(xué)還以學(xué)科競(jìng)賽為重要載體[4-7]，形成“以賽促學(xué)、以賽促創(chuàng)、以賽促教、教學(xué)相長”的分層遞進(jìn)實(shí)踐教學(xué)模式，進(jìn)一步提高新工科應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量。

本文以大學(xué)生智能車競(jìng)賽中電磁平衡小車為例，通過構(gòu)建四階融合遞進(jìn)金字塔實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)模式以及創(chuàng)新實(shí)踐能力評(píng)價(jià)體系等有效手段，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、深度學(xué)習(xí)，取得了一定成效，對(duì)理工科高校創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)具有一定的借鑒意義。

1 多學(xué)科交叉融合的學(xué)科競(jìng)賽

電氣類專業(yè)具有理論性強(qiáng)、涉及范圍廣、計(jì)算量大等特點(diǎn)，其專業(yè)課知識(shí)跨度大，學(xué)生短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)多門理論課程，難以完全理解專業(yè)知識(shí)。為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐要求，積極組建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐工作室，組織第二課堂創(chuàng)新教學(xué)，積極開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生參加競(jìng)賽類課程實(shí)踐。

其中，智能車競(jìng)賽包含如圖1 所示的多學(xué)科交叉融合的知識(shí)體系[8-9]，對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的要求較高，能夠考查學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。智能車競(jìng)賽主要包含仿真、實(shí)踐調(diào)試等環(huán)節(jié)，競(jìng)賽項(xiàng)目的實(shí)施能有效提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

圖1 智能車知識(shí)體系結(jié)構(gòu)圖

2 以競(jìng)賽為載體，構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新模式

依據(jù)電氣類專業(yè)不同年級(jí)學(xué)生具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)和能力，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將學(xué)生的實(shí)踐訓(xùn)練學(xué)習(xí)進(jìn)程劃分為四階遞進(jìn)的金字塔模式：引導(dǎo)階段、提升階段、創(chuàng)新階段、挑戰(zhàn)階段，并制定每個(gè)階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)，如圖2 所示。

圖2 教學(xué)實(shí)踐四階遞進(jìn)金字塔模式示意圖

這些學(xué)習(xí)目標(biāo)從基礎(chǔ)開始，逐步推進(jìn)，最終取得學(xué)習(xí)成果。根據(jù)目標(biāo)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)鼓勵(lì)學(xué)生參加學(xué)院、學(xué)校、省級(jí)、國家級(jí)等逐級(jí)遞進(jìn)的學(xué)科競(jìng)賽，從而形成“以賽促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，以賽促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升，以賽促進(jìn)創(chuàng)新成果取得，教學(xué)相長”的實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新模式。

2.1 引導(dǎo)階段

對(duì)于大一學(xué)生，教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過講座、報(bào)告等靈活多樣的形式，引導(dǎo)他們積極參加各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，讓他們了解參賽的基礎(chǔ)是單片機(jī)的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐，可為其制定如圖3 所示的實(shí)踐學(xué)習(xí)方案。目前，市場(chǎng)上常見的51、32 系列單片機(jī)價(jià)格低，且其性能滿足自動(dòng)控制類初級(jí)學(xué)習(xí)，對(duì)于課程實(shí)踐，能夠做到每名學(xué)生都擁有一套開發(fā)板。學(xué)生根據(jù)電路圖制作較簡單的控制電路，配合單片機(jī)程序，達(dá)到預(yù)期的任務(wù)效果。在引導(dǎo)階段，學(xué)生將實(shí)踐內(nèi)容與理論課程結(jié)合，能夠提升學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)行自主探究。

圖3 學(xué)生基礎(chǔ)課程實(shí)踐學(xué)習(xí)方案

2.2 提升階段

通過單片機(jī)和簡單電路的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)有一定程度的了解，可以從軟件建模仿真開始進(jìn)一步學(xué)習(xí)[10]。以制作平衡車為例，使用MATLAB 等軟件仿真，在一定邏輯下模擬車輛各項(xiàng)數(shù)據(jù)，得到車輛運(yùn)行時(shí)平衡曲線等內(nèi)容，平衡車仿真流程如圖4 所示。仿真的優(yōu)點(diǎn)在于可排除在實(shí)物制作過程中由于經(jīng)驗(yàn)少、手工精度低、器件本身等原因造成的無法正常運(yùn)行的問題，對(duì)于此類問題，初學(xué)者很難發(fā)現(xiàn)。通過仿真得出的平衡車姿態(tài)等數(shù)據(jù)，可作為學(xué)生下一步制作模型的參考，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升其自主學(xué)習(xí)能力。

圖4 平衡車仿真流程圖

2.3 創(chuàng)新階段

全國大學(xué)生智能車競(jìng)賽要求制作出在給定賽道上能自主行駛且性能良好的智能車，這類復(fù)雜的工程問題需要團(tuán)隊(duì)成員共同探討和學(xué)習(xí)所涉及的新知識(shí)，在結(jié)合實(shí)際調(diào)車經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，全面優(yōu)化智能車的設(shè)計(jì)，制作具有團(tuán)隊(duì)特色的智能車模型。因此，遼寧工程技術(shù)大學(xué)設(shè)立各級(jí)賽事，要求學(xué)生使用指定的芯片與模型，發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神，設(shè)計(jì)性能良好的模型車。

2.4 挑戰(zhàn)階段

以汽車電子技術(shù)、人工智能技術(shù)為背景的智能車競(jìng)賽，包括自動(dòng)控制、識(shí)別、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科的競(jìng)技項(xiàng)目，多學(xué)科融合，具有極強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。

合作挑戰(zhàn)：智能車涵蓋的范圍較廣，涉及大量知識(shí)，因此，必須要開展團(tuán)隊(duì)合作，團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)自身專業(yè)和興趣選擇知識(shí)模塊，進(jìn)行學(xué)習(xí)，最后將知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用。這一過程能夠培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

現(xiàn)場(chǎng)挑戰(zhàn)：競(jìng)賽在全新的環(huán)境中進(jìn)行，賽道存在很大不確定性。摩擦力不同，周邊環(huán)境的電磁干擾等都是對(duì)車輛穩(wěn)定性的考驗(yàn)，因此，需要學(xué)生能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，這將直接影響最終的競(jìng)賽成績。

智能車競(jìng)賽在校賽、省賽、國賽的每個(gè)階段均存在不同程度的挑戰(zhàn)性，需要團(tuán)隊(duì)密切協(xié)作，發(fā)揮創(chuàng)新能力，不斷提升模型車的性能。

3 學(xué)生的自創(chuàng)成果

平衡車模制作主要分為兩部分：程序調(diào)試和硬件電路。車?？蚣苋鐖D5 所示。

圖5 車?？蚣?/p>

3.1 程序調(diào)試

陀螺儀是整個(gè)平衡車的核心，將其安裝在車身幾何轉(zhuǎn)軸附近，兩個(gè)傳感器——陀螺儀與加速度計(jì)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給控制芯片。其中，陀螺儀采集到的是車模左右晃動(dòng)的實(shí)時(shí)速度，當(dāng)其以任意角度靜止時(shí)，其值為零；加速度計(jì)的x 軸與z 軸經(jīng)過反正切計(jì)算，可得到當(dāng)前傳感器與水平面夾角。理論上，只使用加速度計(jì)就能得到平衡車傾斜度，但是在平衡車前進(jìn)過程中，由于地面不平產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)干擾加速度計(jì)的數(shù)值，無法保持穩(wěn)定。因而，需要將兩者數(shù)據(jù)融合互補(bǔ)來減小影響。目前融合算法有多種[11-12]，這里采用的是一階互補(bǔ)算法，將兩組數(shù)據(jù)乘以不同的系數(shù)，系數(shù)的大小決定了對(duì)此傳感器數(shù)據(jù)的信任程度：

式中，K1、K2分別表示加速度計(jì)和陀螺儀的系數(shù)，dt表示積分時(shí)間。

圖6、圖7 曲線分別為車模左右晃動(dòng)時(shí)，調(diào)參前后傳感器輸出的數(shù)據(jù)曲線?？梢?，陀螺儀曲線在晃動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)突然變大又急速減小的狀態(tài)；加速度計(jì)曲線在傾斜固定角度時(shí)能夠得到穩(wěn)定的數(shù)值。姿態(tài)角由兩傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)一階互補(bǔ)后得到。

圖6 調(diào)參前姿態(tài)曲線

圖7 調(diào)參后姿態(tài)曲線

由圖6 可知，一階互補(bǔ)在沒有合理調(diào)參前，姿態(tài)角對(duì)于傳感器數(shù)據(jù)有滯后性，無法應(yīng)用于平衡算法中。從圖7 一階互補(bǔ)參數(shù)調(diào)節(jié)后的曲線可見，姿態(tài)角已經(jīng)接近傳感器實(shí)時(shí)角度，此時(shí)可用于平衡控制。

3.2 硬件制作

平衡車模型電路板上含有芯片插槽、傳感器、ADC采樣電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分等，手工制作的精度不足，因此，要使用專業(yè)PCB 繪制軟件進(jìn)行制作，保證其不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)互相干擾的故障。繪制PCB 時(shí)要注意布線不能相互垂直，否則會(huì)造成信號(hào)干擾等問題。圖8 所示為最小系統(tǒng)與電磁ADC 采集電路。

圖8 最小系統(tǒng)與電磁ADC 采集

印刷完成的PCB 板如圖9 所示，學(xué)生需在PCB板上手動(dòng)焊接相關(guān)元器件，制作完成的模型車如圖10 所示。整個(gè)模型車的制作與調(diào)試能有效提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、分析解決復(fù)雜問題、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)手實(shí)踐以及創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

圖9 印刷PCB 板

圖10 學(xué)生制作的模型車

4 思政引領(lǐng)，重構(gòu)創(chuàng)新實(shí)踐評(píng)價(jià)體系

以競(jìng)賽為載體，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，堅(jiān)持“以生為本、以學(xué)為中心、以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為指導(dǎo)”，以“金課”標(biāo)準(zhǔn)“兩性一度”為抓手，在學(xué)生參加競(jìng)賽的不同階段，采用如圖11 所示的全過程、全方位、多維度、多元化、多層次的創(chuàng)新實(shí)踐能力評(píng)價(jià)體系[13]，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)參與、深度學(xué)習(xí)[14]。同時(shí)，通過引導(dǎo)學(xué)生參加智能車競(jìng)賽，推動(dòng)我國無人駕駛汽車的創(chuàng)新研發(fā)[15]。

圖11 創(chuàng)新實(shí)踐能力評(píng)價(jià)體系

5 結(jié)語

經(jīng)過幾年的探索實(shí)踐，教學(xué)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持以學(xué)科競(jìng)賽為重要載體，形成“以賽促學(xué)、以賽促創(chuàng)、以賽促教、教學(xué)相長”四階融合遞進(jìn)的金字塔式實(shí)踐教學(xué)模式。同時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)秉承“以生為本、以學(xué)為中心、以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向”，以“金課”標(biāo)準(zhǔn)“兩性一度”為抓手，以思政為引領(lǐng)，重構(gòu)全過程、全方位、多維度、多元化、多層次的創(chuàng)新實(shí)踐能力評(píng)價(jià)體系，進(jìn)一步提高新工科應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量。近幾年，學(xué)生參加各類競(jìng)賽獲國家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)50余項(xiàng)、省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)60 余項(xiàng)，該專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)率均在95%以上。