以智能汽车竞赛活动拓展“电子技术实训”课程教学

赵必武，唐 鹏

(绵阳师范学院机电工程学院，四川绵阳 621000)

0 引言

“电子技术实训”课程是一门充分培养学生的实验能力的课程，而且现在科技发展迅速，国家社会需要更多的应用型人才，所以科学的教学方式尤为重要.传统的教学模式太过枯燥乏味，大部分是验证性试验，实验箱上已将各类需要用到的电路模块固化，学生只是按照实验指导书上的操作步骤，将各个电路模块用导线连接好，这样学生们无法从课堂中得到乐趣就无法激发其学习兴趣.同时，师范院校的工科教学实力相对薄弱，导致工科办学经验不足、设备少等一系列特殊情况.为了更好地培养学生的动手能力、分析能力和创造能力，我们以智能汽车竞赛为此次教学改革的重点内容，让学生在组装智能汽车的过程中发现问题，创新器件的组装方式，在电子技术基础课程的理论知识的学习基础上掌握绘制电路图的基本思路，并通过电脑软件绘制电路图，最后进行焊接.

1 “电子技术实训”课程实验教学现状

目前，学生学习“电子技术实训”课程是按照实验指导书顺次操作.在操作过程中，对实验的现象和结果进行观察、判断和记录，以此加强学生在课堂上学习到的理论知识.这种方法虽然能一定程度锻炼和培养学生的动手能力，但存在学习过程机械、对实验理解不够深入、不能高效的将理论知识和实践内容融汇贯通等诸多不足.针对传统“电子技术实训”课程的不足，本文提出了以智能汽车竞赛推动“电子技术实训”课程的实验教学方式，以提高“电子技术实训”实验课程的教学质量，促进学生通过智能汽车比赛来提高电子技术的工程实践应用能力.

2 以智能汽车大赛推动电工电子技术实例

依据机电工程学院电子技术基础课程设计课程标准，该课程旨在结合工作岗位技能要求培养学生认识电子元器件，掌握与电路板焊接相关的基本技术，学会对电路板进行调试，理解识别电路板的方法等相关知识.安排四个教学项目来系统学习该课程,包括常见工具的使用，元器件的识别、检测选用与代换，电路板的认识和焊接，电路图的识别和绘制.接下来将扼要介绍这四个项目在智能汽车竞赛平台的应用与实现.

2.1 智能汽车大赛简介

全国大学生智能汽车竞赛，是一项高水平、高层次和高水准的专业竞赛，是教育部倡导的全国大学生课外学术科技竞赛中的A类项目.在2008年，被列入国家教学质量与教学改革工程资助项目科技人文竞赛名录；在2017年，成功入选《中国高校创新人才培养暨学科竞赛评估结果》，是其中的19个竞赛项目之一.该竞赛已连续举办14届，涵盖知识面广、涉猎领域多、运用知识深，极大地培养和考验了学生的知识融合和实践动手能力，为学生学习方式的转变和探究式学习方法的培养提供了通道.我校学生在老师的指导下，参加了该赛的第14届比赛，并且在比赛过程中取得了佳绩，得到了老师及同学的肯定，也为智能汽车竞赛推动“电子技术实训”课程的教学改革提供了信心.

2.2 硬件系统整体设计

本课程要使学生能够正确使用烙铁及焊剂，掌握焊接的方法技能；熟练掌握电学类仪器仪表以及相关实验设备的使用方法，对其功能、结构原理和作用进行认识；能使用仪器仪表，能对常用的电子元器件进行正确的识别和检测；掌握相关电路制作方法及电子产品组装工艺等.但仅依靠这些，远远不能够使学生具有良好的理解能力.因此，我们将这些基本知识运用在智能汽车的各个部分当中.为了能够让智能小车在赛道上寻迹，并能稳定、快速的行驶，系统的总体设计运用了模块化分区设计理念，使各个功能模块在安装上独立，但连接上有机配合.在安装时，只需按照器件安装位置，进行对号入座，依次连接，大幅度提高了组装小车的速度，保证了零件和电子元器件模块安装的准确度.同时，维护和保养均很简单，若出现故障，只需排查出相应故障模块更换即可.根据设计思路，小车的模块大体分为以下几大部分：(1)视觉传感器部分.视觉传感器搭配了鱼眼镜头，摄像头模块采用CMOS芯片，让小车能够检测和识别的视野范围得到有效提高.(2)控制与处理部分.车模的电路由飞思卡尔单片机构成的最小系统、多电压稳压模块、编码器速度检测模块、直流电机驱动模块(双路)、转向舵机驱动模块、赛道图像采集模块和程序下载调试模块等7部分组成[1].

2.3 智能汽车中各个元器件的识别

为使学生能认识电子元器件，本课程沿用课堂板书与多媒体幻灯片相结合、随堂测试训练以及课后巩固训练相搭配的传统教学授课方式，但这种教学模式下学生对电子元器件的认识有限，很难转换思维，仅仅停留在理论知识中，看见实物也难以识别，因而运用汽车智能竞赛这个机会，让学生在组装智能小车的过程中，学习如何识别、检测和选用元器件.比如在2020年的智能汽车竞赛中，学生采用32位飞思卡尔单片机(MK60DN512ZVLQ51)作为主控芯片，以该芯片及其外围电路作为小车的微型控制器，对小车的速度和导向进行控制监测，对赛道图像进行实时处理，同步地控制转向舵机和驱动电机按照特定模式工作，以保证智能汽车平稳行驶.实现了教学目标并超出预期，同时学生还灵活运用电子元器件实现对智能汽车的部分硬件系统设计.

2.4 智能汽车中电路板的焊接

电路板的焊接是对学生实践能力培养的重要学习项目，往届学生的学习往往是在实验室进行，学生除认识电路板和机器焊接流程外，还需先学会使用电烙铁以及热风焊机，再由老师讲解基本的手工焊接技巧.电烙铁是电路元器件焊接的必备工具，因其直接使用220 V AC电源作为电源且能产生300 ℃左右的高温，所以电烙铁也是一款具有危险性的工具.其次，与电烙铁相关的知识始终贯穿于整个实习教学过程.因此，在学生刚刚踏入电学实验的起步时间段，让学生学习电烙铁的结构原理、检验方法和使用方法至关重要.电烙铁主要由用于焊接的烙铁头、提供热量的烙铁芯、隔绝热量的外壳、把持操作的手柄、连接220 V AC电源的引线和电源插头等部分组成.常见的电烙铁运用了电流热效应的原理加热，按结构划分，可以分为外热式和内热式两种.实验室常用的内热式电烙铁，采用轻量化设计，功率适合，温度提升快，具有使用方便、可靠性高等优点.电烙铁的主要使用部分为烙铁头，由于铜的热导性好，因此电烙铁的头部通常使用铜制成，根据不同焊接物的焊接要求，选择锥形、凿形或圆形面型的烙铁头.如果在操作的过程中，有维持温度时间长的需求，可通过采用较大的烙铁头来实现.在结束对电烙铁的选择后，需要对电烙铁的状态进行检查，以排除使用过程中发生的隐患.使用万用表判断电烙铁是否存在内部连接短路开路、外部壳体漏电等危险情况.检查电源线及插头是否具有破损和漏电的隐患，判断烙铁头是否紧固，手柄上的电源线是否发生损坏性的弯折或者存在较大范围松动，电烙铁的绝缘外壳是否有被破坏的情况，以此判断电烙铁是否能够使用.在上述检测完成后，才能使用电烙铁进行电路元器件的焊接.然而，因实验室的设施较为简陋，实验时间较为紧张，加之学生学习兴趣缺乏，所以教学效果也会不尽人意.而智能汽车竞赛，包括了焊接电路板这一必要的环节.让学生自发参与到竞赛中来，主动学习知识、探讨奥秘和解决问题，进而让学习更有针对性.在能够绘制电路图和PCB封装绘制的基础上，焊接电路板时，思路也会更加清晰，通过准备竞赛过程中所得的能力和素养，在以后的岗位上遇到电子元器件的连接和安装问题时能够从容应对[2].

2.5 智能汽车中电路图的识别

电路图的识别要求将电路化整为零、化繁为简、科学区分和逐一识别.首先，把整个电路图划分成几个分区或者单元，以此将较多功能的电路图的单个或者少许功能区域作为一个整体，再将这些整体用浅显易懂的文字、图标和绘画等功能表示.比如，使用常用的公式以及衍生出的变形公式表示电路中电压电流的关系，使用数理统计的方法描点连线，绘制出相应的信号波形进行分析等等.转化完成之后，再对这些数据进行联系和整合：可利用程序框图的方法，将各种小整体逐个放入对应的框图中，然后在框图之间进行描点连线，构成整体的框图，完成一个电路结构示意图的绘制，从而在图中寻找电路各部分区域之间的联系和实现对应功能的原理.至此，电路的对应关系和工作原理就清晰明了.比如，通过事先绘制好的电路结构示意图，区分出稳压模块、编码器速度检测模块和双路直流电机驱动模块等功能模块的具体位置以及实现对应功能的原理.从熟悉的电路入手，由易到难，循序渐进，直至将不熟悉的电路理解.

对于特殊系统模块和主要供电模块，需进行标注，用彩色笔标识出线路的位置、电压电流关系及线路数量等关键信息，以便于区分和识别.对于电源线的标注，一般采用黑色标注地线.在标注识别信号流程，辨别信号的方向和途径、以及各模块之间的联系和区别时，可以采用以下的方式：(1)对信号进行顺向清理的方式.寻找到信号的始末位置，从信号的产生部分(或接收部分)至处理信号的部分进行逐步理清.(2)对信号进行逆向清理的方式.把信号的终点或者本质发生转化的那一点作为开始点，逐渐往前进行分析.

在分析的过程中，要以电路里存在的一些典型特征为抓手，分辨和了解实际电路的基本结构原理和信号处理流程，明了各级电路的功能和原理.同时，在部分电路中，要以“接地”为重点.比如，分析晶体管与某一节点的电位变化关系时，务必将“共地线”作为基准，否则就不能准确的测量出电位变化趋势，尤其是在分析负反馈作用时，这种要领至关重要[3].

3 “电子技术实训”课程教学改革的思路

3.1 调整教学大纲

根据相应的需求，调整“电子技术实训”课程的教学大纲，以便于后续课程知识更好地在“电子技术实训”课程中发挥作用，更好地适应专业培养的需要.课程调整前后具体方案及对比如表1所示.

表1 课程调整前后的方案对比Tab.1 Program comparison between the before and after scheme adjustment

指导老师需具备相关的电子技术指导经验，可以让学生更好地了解相关内容，为学生的实验环节提供必要的理论和实验操作指引与支持，对学生的操作方法予以纠正，鼓励学生在实践中学习和成长.让学生适应备赛、自主实践和课程相结合的新环境，更好的融入实验室氛围，提升学生学习的兴趣，达到“电子技术实训”课程教改的目的.

3.2 改进“电子技术实训”课程的考核方式

目前，电子实训类的考试仅围绕实验报告和记录数据，考核标准单一，实训过程中的操作、技能没有引入考核，不能实现对学生分析能力和操作能力等进行全面客观的评价，已经不适应改革后的教学模块.改革后的实训课程，将以任务驱动型的课题为导向，更加注重学生的实践过程，并配套构建更加科学合理的考核评价体系.新的考核系统中，修改了考核内容及标准，既关注学生在实训过程中的操作情况，又关注学生的实验操作结果，坚持多元化的评价方法，实现了对学生实验过程中综合的客观的全流程考核评价[4].

4 “电子技术实训”课程教学改革的主要内容

4.1 改进传统的课堂教学模式

4.1.1 实验教学融入课堂教学环节 把实验室搬进课堂，用实验讲解理论知识，搭起联通实验教学与课堂教学之间的有效桥梁.围绕智能汽车，构建以此为基础的传感器安装及试验平台.围绕智能汽车两轮直立车模、三轮车模以及四轮车模等多种车辆型号，探讨传感器的选用和设计方案、线路连接规划和接口预留方案，以备为后续车辆升级和功能拓展提供充足的接口.构建以飞思卡尔等单片机为核心的主控实验平台，设计带有传感器接口、编码器接口、与电机驱动模块和舵机驱动模块为一体的通用控制主板，并将合适的传感器、通用控制主板分别安装于不同的车辆型号上，构建智能汽车试验平台.

4.1.2 实验教学改革 传统实验课程教学模式下，在规定时间内，先由老师进行实验理论知识的讲述，再由学生进行操作.改革后的实验教学，将实验教学设计为传感器原理学习、传感器组装及传感器信号分析等多个环节，各环节给予学生充足的时间和空间.在自主学习或探讨中，发挥主观能动性，培养学生在电子技术和建模等方面的创新能力.实验过程中，在传感器组装过程，和学生一起领悟传感器的通过原理；在传感器的信号分析环节，和学生一起理解滤波放大及正交信号的原理.

4.1.3 拓展学生的知识和能力 实验时，设计了拓展任务，让学生根据自己的理解，自己动手或在实验的模型基础之上，设计一辆智能汽车模型.智能汽车模型需包含多电机驱动、视频信号及光电里程传感器信号的接收和采集模块，并进行相关电路的设计和调试.流程如图1所示.

图1 智能车模型设计流程图Fig.1 Design flow chart of intelligent automobile model

4.2 教学改革的具体实施计划

将智能汽车竞赛作为辅助教学，通过选拔的方式确定最后能参加比赛的同学，增加其学习压力和动力，可以促使他们主动去拓宽自己的知识面.智能汽车比赛作为涵盖了自动控制、计算机和机械等多学科的综合性比赛，学生在比赛中可以提出、分析、设计、开发并研究智能汽车的机械结构、电子线路、运动控制和开发与调试工具等问题，将理论与实际结合的同时能很好的培养学生对知识的把握和创新能力，以及从事科学研究的能力，而且比赛是大学生组成的团队,可以促进同学间知识的交流，在交流中产生知识的碰撞，促使学习兴趣增强，能达到预期的教学目的.

通过竞赛作为载体，教师们也能不局限于课本和箱体实验器材上，可以更好的引导学生进行实验操作，例如焊接电子元件、设计连接线路等.学生也能够在教师引导下把握电子技术的逻辑脉络，最后完全掌握知识，增强动手能力，达到预期的教学目的.

将智能汽车竞赛与学生毕业论文或者大学生“互联网+”创新创业项目相结合，不仅可以培养学生自主科研的能力和创新实践能力，学生的综合设计能力也能得到一定的提高.当前已参加过往届智能汽车竞赛的学生将以该比赛为基础，以备赛过程中收获到的知识与经验为依托，以基于飞思卡尔单片机的智能小车作为论文题目进行深入学习和分析，为未来的工作和研究打下基础.

5 “电子技术实训”课程教学改革的特色

通过智能汽车竞赛以及与竞赛相关的教育教学活动，让学生的兴趣爱好得到了极大的激发，培养了学生探究科学的能力，让学生的综合素质得到全面的提升，促进学生对“电子技术实训”课程的了解，使学生更有兴趣、更有动力、更加自主地完成这门课程.本次教学改革，具有如下特点：(1)培养了学生动手能力和科研的基本技能；(2)培养了学生的主动创新能力；(3)提供了良好的教学改革平台.

6 结束语

通过以赛促教、以赛促学的方式，将竞赛融入实训课堂，激发学生学习实践类课程的兴趣，培养学生的创新和实践能力，让学生自主探索电子类知识中的科学奥秘，充分提高学生学习主动性和积极性.以智能汽车竞赛推动“电子技术实训”课程的教学改革，为解决目前教学中存在的问题提供很好的思路，学校建立专门的实验室，为竞赛投入更多的资金，也为更多优秀学子提供更大的发展平台，为教学研究和教学改革提供更好的平台.此外，教学改革也为其他院校相关专业实训课程的开展与优化提质起到借鉴和参考作用.