新工科背景下的测控专业实践教学改革

白 洁，汤晓君

（西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049）

引言

近年来，国内各高校积极开展新工科建设，工程教育专业认证工作也普遍展开，社会对专业人才培养的需求不断提升［1］。按照西安交通大学定位，结合测控专业人才培养目标，要求毕业生具有扎实的专业基础，能够成为智能制造、信息、能源、电气、环境、航空航天等领域与仪器科学相关的研究型和创新型人才［2］。通过对用人单位的调研发现，毕业生的工作能力与专业培养目标是有差距的，尤其是工程实践能力方面。因此，我们提出加强实践活动，对每一实践环节都要有系统的训练方案及实施流程。测控专业课程主要包括“传感器原理”“测控电路”“智能仪器”“电气测量技术”“仪器仪表”和“过程控制”等，教学内容都是独立的，课程实验只是为了加强测控专业课程理论知识的理解和应用，课程内容之间的衔接过程却被忽略了。这样，学生的知识体系是割裂的，没有形成完整的知识体系。笔者希望通过项目设计将各门课程的内容进行梳理和整合，使学生对测量系统有一个整体的把握，成为毕业设计环节的训练和预演。所以，项目设计环节起着承上启下的作用，既集成和梳理各门课程内容，又为毕业设计做准备。

通过调研其他高校关于项目设计这一实践环节的做法，总结经验与教训，结合学校测控专业的实际情况，我们对存在的问题进行了深入的剖析。同时根据企业的需求，对现行的实践教学模式进行了改进，采取了教学案例和项目驱动相结合的方式，既提高了学生学习的兴趣，为其构建了一个完整的知识体系，又注重培养学生解决实际问题的能力，教学效果良好。

一、测控专业项目设计改革

分析要求和差距，将课程实验、项目设计和毕业设计等实践活动重新进行了整合和规划，梳理了每个实践环节的学习目标和实施方法，既加强了学生的实践能力，又增强了学生的社会责任感。

（一）改革目标

1.增加思想政治教育内容，将时政热点融入选题当中，积极引导学生树立正确的人生观和价值观，培养学生关心时事的意识和奉献精神，增强社会责任感。

2.掌握完整的测量系统设计流程，学会总体方案及软硬件设计，理解系统调试的功能，能对测试结果进行评价，了解今后改进的方向。

3.能够发现问题、解决问题及举一反三的能力。

（二）改革思路

学生自行决定项目的设计主题，查阅资料，并确定项目总体方案，实现软硬件设计，最终经过系统调试给出分析结果，验证设计的有效性。在整个项目实施过程中，教师的任务就是引导学生细致地查找问题及处理问题，对于知识薄弱的地方给予耐心指导。

学生根据当前社会热点问题和现象进行选题。比如：老人摔倒和走失等现象，让学生更加了解社会，关心弱势群体，体现正能量等。

（三）改革流程

整个项目设计的实施过程是闭环的，在设计过程中不管在哪一步出现问题，首先在该步中查找问题，如果查不出问题就返回上步或检查设计方案是否合理，如图1所示。

图1 改革方案流程

二、实例

学生选题有2个路径：一是教师根据自己的科研项目，从中提炼题目供学生选择；二是学生自己根据社会需求和热点确定题目。现以测控17班项目设计为例说明改革的实施过程。

（一）项目设计选题

测控17班共有学生28名，其中选择教师命题的学生有18名，自命题学生有10名。学生自己选择题目，一般都是贴合社会热点现象或自身涉及的问题。所以，选题就是发现问题，然后经过实践解决问题。学生在这其中提升了发现问题和解决问题的能力。比如，有2位学生关注到社会老龄化的问题。随着空巢老人的家庭增多，老人的安全成了社会亟须解决的问题。这2位学生分别选择了“老人跌倒”和“老人走失”的社会问题作为选题内容，设计了基于单片机的“老人跌倒”和“老人走失”的报警系统，以实时监测老人的状况，发生危险情况时进行报警。现以“老人跌倒”报警为例，说明项目实施的全过程。

学生在选定“老人跌倒”的题目后，必须回答这3个问题：“跌倒”是什么样的体位？监测体位的方法是什么？将监测设备放在哪里合适？查阅相关资料，获知目前跌倒监测的方法大致分为三类：基于声学、视频和可穿戴式的跌倒监测系统［3］。学生根据课堂学到的知识，结合自身能力，选用陀螺仪监测人体倾斜角度，实现可穿戴式的跌倒监测。该方法相对来说简单易行，是课程内容的扩展。

（二）根据目标设定，研究角度和加速度变化的算法

首先找到“摔倒”的评估方法，启发学生观察和体会人在跌倒时的体位。人跌倒，实质上是人体从直立的状态发生一个角度的倾斜，这个倾角既要大，变化速度又要快，才能判定为跌倒状态。综合分析老年人日常活动状态，可以将倾斜角度和加速度的测量作为监测跌倒的重要量化指标［4］。

查阅相关元器件的手册，选择能测量角度和加速度的传感器。通过分析其优缺点，选取MPU 6050传感器。该传感器功能齐全，用法简单，完全满足测量需求。

（三）系统总体设计确定

对人体的各种姿态进行观察分析，找出常见的几种跌倒方式的角度变化，确认摔倒后报警。MPU 6050传感器将采集的角度和加速度信息传递给单片机，进行分析处理，判断老人是否摔倒。同时，将处理结果经过无线传输模块传送到上位机或手机中，实时显示人体的状况，发生异常时报警。系统的总体设计框如图2所示。

图2 系统总体设计框

（四）系统软、硬件设计

1.系统硬件设计。选用STM32F103单片机作为核心模块，根据传送的数据，分析处理，判断人体的姿态。传感器选择的MPU 6050传感器模块，是一种六轴传感器模块，能同时检测三轴加速度、三轴陀螺仪（三轴角速度）的运动数据及温度数据，通过I2C总线传输给单片机［5］。无线传输模块选用Zigbee，直接将人体姿态信息传输出去。同时设计了OLED显示屏和串口调试助手，用于后期系统调试。

2.系统软件设计。程序启动后，首先要进行单片机、传感器、Zigbee模块及存储空间初始化。如果一切正常，就启动MPU 6050传感器模块进行角度和加速度的测量，将数据传到单片机中进行处理，并将结果传输出去。如果结果异常，引发报警机制，其程序流程如图3所示。

图3 系统主程序流程

在项目设计过程中，硬件设备的选择和软件程序的编制都很重要，学生也很重视，80%的精力都花在这里，反而对系统调试和结果分析不重视，认为设计完了也就结束了。系统调试和结果分析是判断学生选择方法是否有效的证明，要提醒学生务必重视起来。

三、系统调试和结果分析

人体姿态一般用前后（X方向）、左右（Y方向）、上下（Z方向）三个方向角表示。MPU 6050传感器模块可输出俯仰角（X方向）、偏航角（Y方向）、横滚角（Z方向）、加速度和温度信息，通过俯仰角和横滚角2个数据即可判定身体的姿态。俯仰角表示前后方向摔倒，横滚角表示上下方向摔倒。

（一）系统的软硬件调试

系统上电后，如果一切正常，则在显示屏上能够看到MPU 6050传感器模块实时输出的横滚角、俯仰角、偏航角和温度信息。沿着不同方向缓慢转动MPU 6050传感器模块，蜂鸣器并未报警。快速大角度地晃动，蜂鸣器报警，表明系统运行正常。MPU 6050传感器的坐标及方向示意如图4所示。

图4 MPU 6050 传感器的坐标及方向

（二）跌倒实验测试

通过观察发现，人体的跌倒动作是突发且剧烈的，作用时间非常短。经过多次测试，本实验设定人体跌倒的判断依据在2秒内，人体的横滚角或俯仰角变化超过60°。

1.实验设计。跌倒状态一般分为向左、向右、向前跪下，向前趴下，向后仰倒，向后坐倒等情况［6］。本次实验将跌倒、站立、翻身、行走、弯腰、上下楼梯和坐下同时作为测试项目，用于判断识别跌倒状态的准确率。

2.实验测试结果与分析。将装置放在腰间，模拟老人动作，分别重复站立、翻身、坐下、行走、弯腰和上下楼梯等各20次，以不同方向和不同姿势跌倒20次，记录每个动作识别的准确率。从计算结果看，各种动作的识别准确率是不同的。对于各种形态的跌倒测试，识别准确率高达90%，说明该装置基本能够将跌倒这一状态检测出来。对于其他动作识别情况分析如下：（1）站立动作：静止的状态，其准确率达到100%，能够被准确地识别出来；（2）翻身和坐下动作：一般动作比较缓慢，但也存在动作过大的情况，准确率为80%；（3）行走和上下楼梯：老人行走和上楼梯的识别率也较高，识别率为90%，下楼梯时产生的冲击力较大，容易晃动，识别率为60%，今后在该动作上需要进行改进；（4）弯腰和慢跑动作：这2个动作识别率为60%，主要是弯腰在姿态上与向前跌倒十分相似，差别在于行动的速度，这是避免误判的关键。

3.需要改进的方面。学生通过软硬件设计及调试，最终实现了“老人摔倒”报警这一基本功能，但整个系统并不完善，需要进一步改进。（1）MPU 6050传感器模块在采集倾斜角度时会发生零点漂移，导致出现误差累计的问题；（2）测试装置放在被检测者的腰部是否合适，还有待进一步的测试；（3）通过Zigbee将处理结果上传到上位机乃至手机，由于时间关系，最终没有实现。

结语

学生经过项目选题、软硬件设计、系统调试和结果分析等步骤的训练后，实践能力都有所提升，特别是在项目选题时，关注社会热点问题，能够认真思考，想办法解决问题。这对于个人和社会都具有意义，也是思想政治教育的切入点。

在项目实施过程中，学生选择感兴趣的题目，遇到困难也能主动寻找解决办法。当然，也会存在不足。比如：在搭建硬件电路过程中，不熟悉元器件的手册，不会根据应用场合选择合适的元器件；在软件设计方面，程序书写不严谨，可读性弱；在撰写项目完结报告时，不懂得详略得当，尤其是参考文献书写格式不规范等。这些不足之处，将是下一步实践教学改革的重点方向。

对于项目设计的实践活动，要允许学生出错，积极寻找答案。这是自我完善的过程，也是学习的最好状态和方式。学生的实践活动是一个闭环过程，只有不断试错、不断改进，才能培养学生正确对待困难的态度，正确认识自己，充满信心，具有责任担当，为进入社会打下坚实的基础。