结合智能汽车竞赛探索自动化专业实践教学改革

林 辉

（韶关学院 物理与机电工程学院，广东 韶关 512005）

学科竞赛对提高学生的专业知识综合运用能力、实际动手能力、分析问题和解决问题的能力具有独特的促进作用.全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是受教育部高等教育司委托，由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，飞思卡尔公司协办，由各大学分别承办的面向全国大学生的重要科技赛事.第三、四、五届连续被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目，已发展成为全国30个省（自治区）、直辖市的400余所高校广泛参与的，集自动控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多个学科于一体的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一项具有探索性的工程实践活动.

将竞赛与教学结合，通过组织学生参加竞赛，使学生将所学的各个模块知识进行串联，学会综合应用，培养学生的实践动手能力和创新意识；另一方面，竞赛过程中暴露的问题和积累的经验反过来促进教学和实践的改革.两者相辅相成，相互促进.笔者结合全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛，对自动化专业的实践教学改革进行了一些探索.

1 当前实践教学中存在的问题

传统的教学模式普遍存在着重理论、轻实践的倾向，即所谓“上课讲理论，实验验证理论，考试背理论”，学生学完课程之后的结果往往是“上课听懂了，考试及格了，遇到问题傻眼了”.因为大多数高校偏重对学生理论知识掌握程度的考核，所以无形之中就把实践教学以及对学生实践动手能力、创新能力等实际能力放在了次要的位置上，纯粹的理论学习在教学中占有绝对的地位.教学中的薄弱环节是理论与实践结合不够，学生往往不具备综合运用所学知识进行设计的能力.创新及独立工作的能力是学生普遍欠缺的，也是教学过程中存在问题的集中体现，究其主要原因就是实践不足［1］.目前实践教学主要存在以下几个问题.

（1）主观认识上，对实践教学不够重视，一定程度上存在“重理论、轻实践，重课堂、轻课外”倾向.把实践教学看作是理论教学的补充，内容大多停留在对理论教学内容的验证上.在实践过程中不够注重调动学生的主动性和积极性，不够注重培养学生的实践动手能力和创新意识.另一方面，部分同学没有认真对待实践教学环节，上课时不能按照老师的要求认真完成实践任务，而是把实践任务寄托在别的同学身上，课后抄实验报告敷衍了事.

图1 参赛模型车

图2 比赛赛道

（2）学生对课程学习兴趣不高.学生对课程的重要性认识不够，没有充分明确的学习目标，学习兴趣不浓.部分学生甚至出现不想学、懒惰、厌烦、消极的情绪，这也是实验课上学生积极性不高、敷衍了事的重要原因.［2］

（3）专业课程设置过于细化，造成每门课程“各自为政”，学生学完很多课程后，很难有整体观，不懂得如何综合运用所学的知识，可谓“只见树木不见森林”.

（4）验证性实验比例过多，设计性和综合性的实践教学环节不足.例如，对于《C语言程序设计》课，安排的实验内容一般都有60%以上的验证性实验［2］.这样，部分学生在程序出错后，不是通过调试来改错，而是逐行对照书上的内容进行纠正，导致学生不会调试程序，也很难学会编写程序，更谈不上开发一个完整的项目.

2 结合竞赛的实践教学改革

全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛要求参赛选手使用统一的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位、32位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，制作一部能够自主识别赛道的模型车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜［3］.笔者以模型车的制作及调试为主线，采用循序渐进的方法，把这个复杂的系统项目分解到相关课程的实践教学环节中，使学生在实践过程中根据总体目标逐步实现各个功能模块.这样可以使得相关课程的实验内容不再是孤立的，而是相互联系的，是在一个总体目标驱动下不断增加和完善的过程，而学生在一个又一个小的任务的驱动下，一次又一次的亲身体验迈向成功的喜悦［2］.

2.1 重整部分验证性实验

验证性实验是基础，笔者结合智能汽车竞赛对一些课程的验证性实验进行了重新设计.例如在《计算机控制技术》课程中，以模型车速度控制为背景，设计了PID控制算法、PID参数整定、模糊智能控制算法等验证性实验.通过Matlab仿真软件一方面使学生加深理解课程的内容，另一方面通过后续的项目实践如直流电机速度控制等使学生从理论指导实践，切实掌握课程的内容.

2.2 增加综合性和设计性实验

综合性和设计性实验的设计以紧扣教学大纲、课程内容与实际系统，题目难度适中，具有一定的创新和探索性为原则，让学生有一定的思考和发挥的空间［4］.以模型车制作及调试为主线，笔者结合《C语言程序设计》、《微机原理及应用》、《模拟电子技术》、《检测技术与自动化仪表》、《计算机控制技术》等课程的内容，增加综合性和设计性实验，帮助学生建立系统的概念，要求学生在正确理解实验目的和要求的基础上，查阅资料，完成相应硬件电路的设计和搭建、界面设计和控制算法软件编程.

例如，直流电机速度控制综合实验，对学生作以下要求：

（1）根据控制对象的要求，对单片机进行选型，自主设计制作单片机最小系统.

（2）通过查阅资料自主设计制作码盘、光电检测电路和信号调理电路采集电机旋转输出的脉冲信号，再编写信号处理程序得到电机转速.

（3）根据测得的电机转速采用PID控制算法计算得到输出的控制量，即PWM信号.

（4）根据电机参数，自主设计制作电机驱动电路.

（5）具备与PC上位机串口通信功能，通过上位机串口调试助手软件将给定的电机转速传送给单片机，单片机不断调整输出的PWM信号使电机达到给定的转速，同时将测得的实际转速传送给串口调试助手显示.

该实验实现了一个简单的闭环控制系统，涉及了传感器技术、数据采集和处理、单片机计数器和串口通信、PID控制算法、电机驱动和程序设计等多门课程的内容，帮助学生将相关课程的内容联系起来，使学生将所学的各个模块知识进行串联，学会综合应用，同时也为学生参加智能汽车竞赛和毕业设计打下基础.

2.3 调整课程开设时间

为了让学生更早接触专业课程，更好地参加智能汽车竞赛和申报大学生创新创业训练计划项目，在本科培养计划中对一些专业基础课程进行了调整.例如，将《微机原理及应用》前移到二年级上学期，使学生对“控制”有一个基本概念，更好地结合其它课程的实践教学环节，培养学生的实践动手能力.

2.4 建立开放性实验室

开放性实验室作为实验中心下设的一个实验室，服从实验中心的统一管理，其核心作用是为学生课程学习、课外科技活动和各类学科竞赛提供设备和场所.对于不同年级的学生，实验室开放的内容有所不同.对于一年级的学生，由于宿舍没有电脑，实验室晚上定期开放，为学生提供更多的上机编程的机会；对于二、三年级的学生，主要是参加智能汽车竞赛和大学生创新创业训练计划项目的学生，实验室配备了电源、信号发生器、示波器、过塑机、打孔机等常用的仪器设备，学生可以自主进行电路设计、制PCB板、调试等，为相关技术的学习创造良好的实践条件.仪器设备实行“专管专用”制度，安排智能汽车竞赛指导老师作为管理人员，各专用设备落实相应的责任人.开放性实验室有助于学生学习自主性和主体性的培养.

2.5 拓展课外科技活动

课外科技活动不仅能开阔学生的视野，引发学生的学习兴趣，缩短书本知识与工程实践之间的距离，促进学生自主完善知识结构，提高学生的自学能力，还可以培养学生的创新精神和科研精神，增进学生工程实践素质的培养［5］.课外科技活动的形式多种多样，除了各种全国性的学科竞赛，如“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生电子设计竞赛、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛，还有大学生创新创业训练计划项目和教师科研项目等.参与各种课外科技活动，不仅能够锻炼学生实践动手能力，还能培养学生的沟通能力、团队协作精神和创新意识.

3 结语

经过近年来的改革与实践，韶关学院自动化专业实践教学取得了较好的效果，达到了预期目标.近两年，自动化专业学生在各项课外科技活动中成绩斐然，获得全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛华南赛区比赛中，获得一等奖1项、二等奖6项，三等奖4项和优秀奖1项；获得实用新型专利1项；大学生创新创业训练计划项目省级6项，校级25项；在广东省大学生电子设计竞赛中，获得三等奖1项和成功参赛奖1项；在第十二届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛中获得三等奖1项等佳绩.实践证明，依托智能汽车竞赛推动高等院校的实践教学改革是一条切实有效的途经，为培养未来科技创新人才提供了一个良好的平台.

［1］张晓花,朱陈松,朱昌平.学科竞赛促进电机课程教学改革［J］.实验室研究与探索,2011,30(6):278-280,299.

［2］彭治国,刘海浪,陈辉金.基于“卓越计划”下的C语言程序设计实验教改研究［J］.装备制造技术,2012(7):225-227.

［3］程磊，吴怀宇，熊凌，等.结合智能汽车竞赛活动的自动化专业教学改革［J］.电气电子教学学报,2009,31(z2):116-119.

［4］戎舟，刘瑞兰.从虚拟仪器设计竞赛探索实践教学改革［J］.电气电子教学学报,2013,35(8):109-111.

［5］何莉，张里.电子实践教学与电子设计竞赛改革探索［J］.实验科学与技术,2013,11(5):275-277.