论文部分内容阅读
摘要：控制专业的设计类课程是为了让学生更好地提高实际动手设计控制系统的能力，但由于缺乏实物，往往都流于纸面。因此探索将智能车竞赛成果经过合理优化，应用于此类课程。通过实际的教学改革和多班次的授课成果证明，此种方式可以让更多的学生汲取竞赛里的实践真知，令其充分提高专业知识的综合运用能力和解决实际问题的动手能力。
关键词：课程；竞赛成果；优化；实践教学；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）30-0089-02
高等教育要求培养出的大学生不仅仅具有扎实的专业基础知识、良好的身心素质，更要求其能够具备相当的实践动手能力和一定的创新能力，使其步入社会后能够具备一定的竞争能力。[1]尤其对于部队院校学员，毕业后多数派入基层部队从事军事指挥和设备实操等相关工作，因此，更是要求学员在院校期间就敢于动手、乐于动手、精于动手。
为此，从2007年开始，教研室对承担的自动控制原理、计算机控制、单片机原理等课程拓展了其实践课程，即在本科毕业设计之前、在学完多数专业课之后开设一门40学时的“控制系统课程设计”，此课程通过较全面的控制系统综合设计，使学员完成控制理论认知、验证到工程实践的成长过程，拓宽学员知识面，提高其对控制系统工程设计的能力及创新能力。
本课程授课之初安排了几次设计性课程，如单级倒立摆系统的研究与仿真、炉温控制系统的设计、鱼缸温度控制系统的设计等。这些题目均要求学生在分析了控制需求后，能够进行系统的建模或是绘制出硬件原理图，并对模型进行仿真或是对硬件图进行相应的编程调试。这样的安排模式确实能够使学生对原先枯燥的课本知识有一个醍醐灌顶的效果，知道学习的理论究竟是如何应用的实际研究对象上。由于课时所限，40学时的课时最多能让学生做到仿真和软件调试阶段，根本不可能做出实物，这样使得学生的实践能力仅仅还停留在仿真的阶段。
自2010年开始，海军航空工程学院开始组织学生参与飞思卡尔智能车大赛，并由教研室承担比赛的组织和培训工作。竞赛可以从一定程度上带动部分学生的实践能力，这一点在众多高校中得到了验证，如陆杰、武丽等的文章所述。[2-8]但是竞赛毕竟只是针对少数能力较强的学生，而众多普通的学生往往由于畏难情绪等各种原因而放弃了这一锻炼动手能力的机会。因此可以考虑将这样一种竞赛的成果经过优化应用到教学上，裘君[9]在其文章中对于这一思想作出了理论阐述。由此在海军航空工程学院参加了两届飞思卡尔比赛，积累了一定的成绩和培训经验之后，为了解决“控制系统课程设计”在学时上和培养实践能力上的冲突，并更好地利用竞赛成果，探索将竞赛成果应用到实践教学，使得这样一种竞赛所带来的优势不仅仅作用在少数能力较强的学生身上，而且将竞赛成果进行简化，让多数能力普通的学生一样可以汲取到这种竞赛所带来的实践上的养分。
一、探索
众所周知，飞思卡尔智能车比赛对于尚处本科阶段或者是从来没有进行过动手实践的学生来说是个不小的挑战。需要参赛的学生分析竞赛的要求，根据需求改造车模、设计硬件电路板及传感器的布局，并根据硬件电路进行软件编程与调试。涉及到的知识涵盖了自动控制原理、单片机系统、计算机控制、汽车工程等多个学科。如何将这样一个成果转化为40学时的课时内容，使得学生既能吃得饱又不至于无法消化呢？
1.人员的分组
飞思卡尔比赛自第五届开始一直分为光电组、摄像头组、电磁组。光电组多使用红外对管或激光管（第八届之前），摄像头组主要是使用CCD摄像头或者CMOS摄像头，电磁组主要是使用电磁感应线圈等磁场传感器去检测带电导线周围相应电磁场的强度和方向。
海军航空工程学院在参加完两届后，保留下这三种类别共6辆竞赛用车。在本课程改革的第一年试点中使用其中的三辆，分别为光电车、摄像头车和电磁车。试点中的第一个专业为测控工程，人数为20人。在授课之前由教员简要介绍三种车所使用的路径检测的原理，以及软件、硬件的主要侧重点，而后以学生意愿为主，分为10组，每组两人，其中光电车四组、摄像头和电磁各三组。
2.课程内容和学时安排
如前所述，本门课面向的对象为控制类专业大三的本科生，本身已修完“自动控制原理”“单片机原理及应用”“C语言”等主干课程，因此对于课程内容所涉及到的单片机及编程类的知识需要合理优化，避免占用过多的课时而影响了实践性这一要求。课程的安排要避免由零到整的常规教学思路，应遵循先整体后部分的规律，强调如何应对需求、问题，提出具体的解决方法这一思路。具体的课程安排可见表1。
课程之初先用2个学时来介绍飞思卡尔智能车竞赛的相关背景，以及结合实车分析智能车主要的系统构成，如图1所示。这样一种整体的框架非常重要，有助于学生较快地把握要研究对象的整体结构。对于智能车的机械改装和优化，如前后轮参数等内容可以弱化，之后可用2个学时的时间对智能车的主要组成部分及电路插线，如传感器部分、舵机、光电编码器、主控板等进行随意的拆卸、组装，以加深对智能车主体构成的映像。对于如光电检测、电磁、摄像头、S-D5型号舵机、欧姆龙编码器等传感器的原理及接线说明，可以安排2个学时的自学时间。
表1 课程安排
序号 课题 学时
讲课 自学 实操 小时
1 智能车大赛的背景
智能车主要构成 √ 2
2 拆装智能车主要结构 √ 2
3 传感器原理及接线 √ 2
4 S12单片机（主讲PLL，PWM，TIM模块） √ 2
5 S12单片机（自学PIT、IO、ATD、SCI模块） √ 2
6 硬件电路原理及接线 √ 2
7 PCB电路及接线 √ 2
8 CodeWarrior的使用 √ 2 9-10 编程-初始化及周期中断部分 √ 4
11-12 编程-信息采集部分 √ 4
13 计算机控制中的PID的编程原理 √ 2
14-15 编程-速度PID的控制 √ 4
16-17 编程-舵机PID的控制 √ 4
18-19 实车调试 √ 4
20 答辩 √ 2
接下来，需要讲解智能车的主控部分，即XS128芯片的功能及用法。由于智能车上所用已为单片机最小系统，而且课时所限，因此这里的讲解不再遵循一般上课时对于单片机课程的做法，依次从嵌入式概述讲起，到芯片内部结构、汇编语言、寻址、各功能模块，最后综合实例，而是依然遵循先整体-后部分的原则，如图2所示，先简要介绍XS128的引脚、结构、存储器大小及映射，而后只讲解智能车上需要用到的模块。在讲解各模块时，也并不是枯燥地去灌输各模块内寄存器的用法，而是针对具体的程序语言学习寄存器的设置，如在讲解锁相环模块时，如图3所示，通过列出步骤让学生便于理解，并对需要设置的寄存器加以讲解。依照这样的模式可以依次讲解PWM模块及TIM模块，并安排学生自学剩下的若干模块。
硬件电路的设计部分对于学生的要求不高，一则PCB的制作也是一门专门的学科，不可能在这么短的时间掌握。另外，重新设计电路意味着所有的硬软件都需重新制作，这样又回到之前这门课的矛盾上。因此对于这一部分由教员主讲各模块电路原理图的原理及接线，学生则需要自己将原理图与实际硬件电路板对应起来。
在充分理解了软件需求与硬件功能的前提下，软件的编程就可以顺利展开。当然，不同的芯片所要求的编译环境不尽相同，但都较为类似，因此可以利用已经掌握的各模块代码去自学使用CodeWarrior的编译环境。此时多数学生对智能车功能的实现都了然于胸，想尝试去编制代码，但又不知从何入手。因此教员对于这一部分可采取由部分至整体这一循序渐进的方式，把整个代码部分分为初始化部分、中断部分、信息采集部分、PID控制部分等。对于PID部分，尽管学生事先接触过，但由于其重要性，需要再次分析PID三个参数的控制作用，以及讲解数字式PID算法及其改进，如增量式PID、带死区的PID算法等。
二、实践
对控制系统课程设计课程作了如上改革后，于2012年秋季对测控工程专业进行了试点，至今有六个班次200余人按照上述的改革内容完成了课程，实验车辆也随着智能车比赛的积累而扩展到了电磁直立、光电直立车。课程结束后所有学生均对智能车的构造、电路、程序有了充分的认识，甚至部分学生对此类设计产生了浓厚兴趣，重新参加了来年的智能车竞赛及电子设计大赛，获得了优异的成绩。在整个过程中学生创新意识加强，实践能力得到了锻炼，并将其发挥到了其他科技活动与竞赛中，综合素质有了很大的提高。
三、结语
实践证明，参与竞赛可以让少数的学生受益，而将竞赛类成果经过优化应用于广泛的教学中，可以用最低的成本、最优化的资源让更多的学生掌握从工程实践的角度设计系统的能力，培养其日后从事科学、技术的研究能力，激发他们在工作岗位上的创新与探索潜能，有利于高等教育和军队院校实践类教学的改革，可以为社会培养出会动脑更能动手的高素质人才。
参考文献：
[1]段成芳.培养大学生创新能力的教学管理改革——以“挑战杯”为个案的研究[D].长沙：湖南农业大学，2005.
[2]陆 杰，苗夺谦.实验教学中注重过程的认识与实践——同济大学-飞思卡尔微控制器教学联合实验室建设与实践的思考[J].计算机教育，2009，（15）.
[3]武 丽.基于智能车大赛的学生创新能力培养的探索与实践[J].中国电力教育，2011，（29）：40-41.
[4]刘影，刘海峰，刘晨东.大学生电子设计竞赛对高校教改的几点启示[J].职业技术教育，教科版，2002，34（23）：42-43.
[5]李尧英，莫钊.电子设计竞赛与创新人才培养的思考[J].中国成人教育，2006，（3）：67-68.
[6]李艳，杨兴明，王龙.电子设计竞赛与大学生素质能力培养[J].科技信息，2007.（7）：165-166.
[7]宋寅卯，等.智能车大赛与电类专业教学改革[J].中国轻工教育，
2010，（2）.
[8]廖晓东，吴允平，蔡声镇，等.大学生电子设计竞赛与工科教学改革[J].福建师范大学学报：自然科学版，2005，（12）：110-112.
[9]裘君，何小其，刘毅华.基于竞赛驱动的自动化专业实践教学改革探索[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2012，（2）：67-70.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：课程；竞赛成果；优化；实践教学；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）30-0089-02
高等教育要求培养出的大学生不仅仅具有扎实的专业基础知识、良好的身心素质，更要求其能够具备相当的实践动手能力和一定的创新能力，使其步入社会后能够具备一定的竞争能力。[1]尤其对于部队院校学员，毕业后多数派入基层部队从事军事指挥和设备实操等相关工作，因此，更是要求学员在院校期间就敢于动手、乐于动手、精于动手。
为此，从2007年开始，教研室对承担的自动控制原理、计算机控制、单片机原理等课程拓展了其实践课程，即在本科毕业设计之前、在学完多数专业课之后开设一门40学时的“控制系统课程设计”，此课程通过较全面的控制系统综合设计，使学员完成控制理论认知、验证到工程实践的成长过程，拓宽学员知识面，提高其对控制系统工程设计的能力及创新能力。
本课程授课之初安排了几次设计性课程，如单级倒立摆系统的研究与仿真、炉温控制系统的设计、鱼缸温度控制系统的设计等。这些题目均要求学生在分析了控制需求后，能够进行系统的建模或是绘制出硬件原理图，并对模型进行仿真或是对硬件图进行相应的编程调试。这样的安排模式确实能够使学生对原先枯燥的课本知识有一个醍醐灌顶的效果，知道学习的理论究竟是如何应用的实际研究对象上。由于课时所限，40学时的课时最多能让学生做到仿真和软件调试阶段，根本不可能做出实物，这样使得学生的实践能力仅仅还停留在仿真的阶段。
自2010年开始，海军航空工程学院开始组织学生参与飞思卡尔智能车大赛，并由教研室承担比赛的组织和培训工作。竞赛可以从一定程度上带动部分学生的实践能力，这一点在众多高校中得到了验证，如陆杰、武丽等的文章所述。[2-8]但是竞赛毕竟只是针对少数能力较强的学生，而众多普通的学生往往由于畏难情绪等各种原因而放弃了这一锻炼动手能力的机会。因此可以考虑将这样一种竞赛的成果经过优化应用到教学上，裘君[9]在其文章中对于这一思想作出了理论阐述。由此在海军航空工程学院参加了两届飞思卡尔比赛，积累了一定的成绩和培训经验之后，为了解决“控制系统课程设计”在学时上和培养实践能力上的冲突，并更好地利用竞赛成果，探索将竞赛成果应用到实践教学，使得这样一种竞赛所带来的优势不仅仅作用在少数能力较强的学生身上，而且将竞赛成果进行简化，让多数能力普通的学生一样可以汲取到这种竞赛所带来的实践上的养分。
一、探索
众所周知，飞思卡尔智能车比赛对于尚处本科阶段或者是从来没有进行过动手实践的学生来说是个不小的挑战。需要参赛的学生分析竞赛的要求，根据需求改造车模、设计硬件电路板及传感器的布局，并根据硬件电路进行软件编程与调试。涉及到的知识涵盖了自动控制原理、单片机系统、计算机控制、汽车工程等多个学科。如何将这样一个成果转化为40学时的课时内容，使得学生既能吃得饱又不至于无法消化呢？
1.人员的分组
飞思卡尔比赛自第五届开始一直分为光电组、摄像头组、电磁组。光电组多使用红外对管或激光管（第八届之前），摄像头组主要是使用CCD摄像头或者CMOS摄像头，电磁组主要是使用电磁感应线圈等磁场传感器去检测带电导线周围相应电磁场的强度和方向。
海军航空工程学院在参加完两届后，保留下这三种类别共6辆竞赛用车。在本课程改革的第一年试点中使用其中的三辆，分别为光电车、摄像头车和电磁车。试点中的第一个专业为测控工程，人数为20人。在授课之前由教员简要介绍三种车所使用的路径检测的原理，以及软件、硬件的主要侧重点，而后以学生意愿为主，分为10组，每组两人，其中光电车四组、摄像头和电磁各三组。
2.课程内容和学时安排
如前所述，本门课面向的对象为控制类专业大三的本科生，本身已修完“自动控制原理”“单片机原理及应用”“C语言”等主干课程，因此对于课程内容所涉及到的单片机及编程类的知识需要合理优化，避免占用过多的课时而影响了实践性这一要求。课程的安排要避免由零到整的常规教学思路，应遵循先整体后部分的规律，强调如何应对需求、问题，提出具体的解决方法这一思路。具体的课程安排可见表1。
课程之初先用2个学时来介绍飞思卡尔智能车竞赛的相关背景，以及结合实车分析智能车主要的系统构成，如图1所示。这样一种整体的框架非常重要，有助于学生较快地把握要研究对象的整体结构。对于智能车的机械改装和优化，如前后轮参数等内容可以弱化，之后可用2个学时的时间对智能车的主要组成部分及电路插线，如传感器部分、舵机、光电编码器、主控板等进行随意的拆卸、组装，以加深对智能车主体构成的映像。对于如光电检测、电磁、摄像头、S-D5型号舵机、欧姆龙编码器等传感器的原理及接线说明，可以安排2个学时的自学时间。
表1 课程安排
序号 课题 学时
讲课 自学 实操 小时
1 智能车大赛的背景
智能车主要构成 √ 2
2 拆装智能车主要结构 √ 2
3 传感器原理及接线 √ 2
4 S12单片机（主讲PLL，PWM，TIM模块） √ 2
5 S12单片机（自学PIT、IO、ATD、SCI模块） √ 2
6 硬件电路原理及接线 √ 2
7 PCB电路及接线 √ 2
8 CodeWarrior的使用 √ 2 9-10 编程-初始化及周期中断部分 √ 4
11-12 编程-信息采集部分 √ 4
13 计算机控制中的PID的编程原理 √ 2
14-15 编程-速度PID的控制 √ 4
16-17 编程-舵机PID的控制 √ 4
18-19 实车调试 √ 4
20 答辩 √ 2
接下来，需要讲解智能车的主控部分，即XS128芯片的功能及用法。由于智能车上所用已为单片机最小系统，而且课时所限，因此这里的讲解不再遵循一般上课时对于单片机课程的做法，依次从嵌入式概述讲起，到芯片内部结构、汇编语言、寻址、各功能模块，最后综合实例，而是依然遵循先整体-后部分的原则，如图2所示，先简要介绍XS128的引脚、结构、存储器大小及映射，而后只讲解智能车上需要用到的模块。在讲解各模块时，也并不是枯燥地去灌输各模块内寄存器的用法，而是针对具体的程序语言学习寄存器的设置，如在讲解锁相环模块时，如图3所示，通过列出步骤让学生便于理解，并对需要设置的寄存器加以讲解。依照这样的模式可以依次讲解PWM模块及TIM模块，并安排学生自学剩下的若干模块。
硬件电路的设计部分对于学生的要求不高，一则PCB的制作也是一门专门的学科，不可能在这么短的时间掌握。另外，重新设计电路意味着所有的硬软件都需重新制作，这样又回到之前这门课的矛盾上。因此对于这一部分由教员主讲各模块电路原理图的原理及接线，学生则需要自己将原理图与实际硬件电路板对应起来。
在充分理解了软件需求与硬件功能的前提下，软件的编程就可以顺利展开。当然，不同的芯片所要求的编译环境不尽相同，但都较为类似，因此可以利用已经掌握的各模块代码去自学使用CodeWarrior的编译环境。此时多数学生对智能车功能的实现都了然于胸，想尝试去编制代码，但又不知从何入手。因此教员对于这一部分可采取由部分至整体这一循序渐进的方式，把整个代码部分分为初始化部分、中断部分、信息采集部分、PID控制部分等。对于PID部分，尽管学生事先接触过，但由于其重要性，需要再次分析PID三个参数的控制作用，以及讲解数字式PID算法及其改进，如增量式PID、带死区的PID算法等。
二、实践
对控制系统课程设计课程作了如上改革后，于2012年秋季对测控工程专业进行了试点，至今有六个班次200余人按照上述的改革内容完成了课程，实验车辆也随着智能车比赛的积累而扩展到了电磁直立、光电直立车。课程结束后所有学生均对智能车的构造、电路、程序有了充分的认识，甚至部分学生对此类设计产生了浓厚兴趣，重新参加了来年的智能车竞赛及电子设计大赛，获得了优异的成绩。在整个过程中学生创新意识加强，实践能力得到了锻炼，并将其发挥到了其他科技活动与竞赛中，综合素质有了很大的提高。
三、结语
实践证明，参与竞赛可以让少数的学生受益，而将竞赛类成果经过优化应用于广泛的教学中，可以用最低的成本、最优化的资源让更多的学生掌握从工程实践的角度设计系统的能力，培养其日后从事科学、技术的研究能力，激发他们在工作岗位上的创新与探索潜能，有利于高等教育和军队院校实践类教学的改革，可以为社会培养出会动脑更能动手的高素质人才。
参考文献：
[1]段成芳.培养大学生创新能力的教学管理改革——以“挑战杯”为个案的研究[D].长沙：湖南农业大学，2005.
[2]陆 杰，苗夺谦.实验教学中注重过程的认识与实践——同济大学-飞思卡尔微控制器教学联合实验室建设与实践的思考[J].计算机教育，2009，（15）.
[3]武 丽.基于智能车大赛的学生创新能力培养的探索与实践[J].中国电力教育，2011，（29）：40-41.
[4]刘影，刘海峰，刘晨东.大学生电子设计竞赛对高校教改的几点启示[J].职业技术教育，教科版，2002，34（23）：42-43.
[5]李尧英，莫钊.电子设计竞赛与创新人才培养的思考[J].中国成人教育，2006，（3）：67-68.
[6]李艳，杨兴明，王龙.电子设计竞赛与大学生素质能力培养[J].科技信息，2007.（7）：165-166.
[7]宋寅卯，等.智能车大赛与电类专业教学改革[J].中国轻工教育，
2010，（2）.
[8]廖晓东，吴允平，蔡声镇，等.大学生电子设计竞赛与工科教学改革[J].福建师范大学学报：自然科学版，2005，（12）：110-112.
[9]裘君，何小其，刘毅华.基于竞赛驱动的自动化专业实践教学改革探索[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2012，（2）：67-70.
（责任编辑：王祝萍）