基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革
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作者:张秦艳 林炜豪 刘春 蔡宁 林雪燕
摘要：测控系统课程设计是北京邮电大学自动化专业本科生主干课程。文章分析了以往课程的不足之处，在“以学生为中心”和创新思想的指导下，利用两轮自平衡小车为实验平台，进行了测控系统课程设计实践教学改革。在新的教学实践中，学生自主选择硬件配置，既有分工合作，又有独立设计。通过教学改革，培养了学生学习主动性和自学能力，增进了合作意识，提高了综合设计能力和创新能力。
关键词：测控系统;两轮自平衡小车;教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）15-0119-03
引言
新经济发展驱动下新工科建设的提出，对工科人才培养的理念和模式提出新的挑战[1]。测控系统课程设计是北京邮电大学自动化专业本科生主干课程，它安排在大三下学期，此时学生已经积累了一定的专业基础知识，如模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、微机原理及接口技术、甚至智能控制等，已具备C语言、java语言编程能力，可以在此时安排一门综合的课程设计，有利于学生对所学知识的融会贯通。而测控系统课程设计正是一门这样的课程，它的重要性也可想而知。它可以承前启后，如果设计得好，学生就会对所学本专业的信心倍增。
我们旧有的测控系统课程设计的题目，是让学生基于C++或Visual Basic（VB）编写信号采集程序并进行快速傅立叶变换后将时域和频域波形显示出来。这个题目内容只有检测、没有控制，综合性不够，少有学生在系统功能上能有更多的创新。而且这个题目做了若干年，总有个别同学存在抄袭往届现象。因而有必要重新设计课程内容，进行课程改革。
一、“以学生为中心”和鼓励学生创新的要求
传统的教学模式是传授式模式，它以“教材为中心、教师为中心、教室为中心”称为老三中心。而“以学生为中心”（Student-Centeredness，SC）的本科教学改革始于美国1980年代，席卷了美国所有高校，这场运动目前仍在继续[2]。SC模式的基本特征是“新三中心”：以学生发展为中心、以学生学习为中心、以学习效果为中心。随着“以学生为中心”的本科教学改革的深入，本课程也需要转变观念，以老三中心为基础、以新三中心为引领，遵照七个原则[3]去设计教学内容。
创新是近年来国内高校培养本科生提得最多的名词。随着高等教育改革的深入，我国高等教育面临着激烈的市场竞争。现代企业需要既懂工程技术知识，又懂经济管理;既会外语，又懂计算机操作;既具有综合分析问题能力，又具有开拓创新能力的高素质复合型人才[4]。很多学者积极探讨培养本科生创新能力的新途径，比如鼓励学生参加创新项目、竞赛、科研项目等。我们认为课程是大学本科生学习的最基本环节，如果每一门课程都能培养学生的创新能力，学生的创新能力自然而然就得到提升。因而，我们决定从基础做起，在课程中设计创新能力的培养环节。
二、测控系统课程设计的改革
两轮自平衡式的轮式机器人，其设计应用了倒立摆模型的控制思想，因为具有零转弯半径的优点，在未来的物流、工业和交通运输领域有着很大的发展空间。本课程采用安徽合动智能科技有限公司提供的两轮自平衡小车实验平台，它采用积木化设计，包括主控板、驱动电路板、陀螺仪模块、超声波模块、红外模块、蓝牙模块、电机及编码器、线性CCD模块、轮子、电池等。其主控芯片是基于TI公司的C2000TMS320F28069DSP。所有编程都是基于C语言在CCS6.2平台上开发。下面分三个方面说明本课程设计的教学改革。
（一）课程分层次设计
我们在设计课程时，注重了内容层次的设计。既有理论学习环节，又有实践环节。实践环节包括基础设计及实验、综合设计及实验和探究性设计及实验。
理论学习内容包括引言、小车背景知识介绍、小车套件组成、智能小车控制基本原理、智能小车的平衡控制、编码器原理及小车速度控制原理、转向控制原理、直流电机原理与驱动、陀螺仪与角度测量、超声波测距原理、红外传感器原理、线性CCD工作原理以及注意事项等。
基础设计及实验包括时钟控制、GPIO输出——LED跑马灯、GPIO输入——按键实验、定时器中断——Timer0 Interrupt、SCI串口通信、Epwm基础实验、ECap基础实验、ADC电压采集实验、ECap实验——超声波测距、Epwm实验——电机调速、IIC实验——MPU6050数据读取、EQep实验——编码器信号采集和ADC实验——线性CCD数据采集共十三个实验。通过基础设计实验，使学生掌握IO口设计、ADC设计、定时器中断、串口通信等基本环节以及TMS320F28069DSP所特有的脉宽调制、增强型脉冲捕获、增强型正交编码器脉冲检测以及内置集成电路总线的使用。
综合设计及实验包括平衡车平衡控制、平衡控制进阶、平衡车之圈内避障、平衡车之红外循迹、平衡车之CCD循迹。前两个实验是实现小车基本的平衡控制，之后三个是基于不同的传感器实现避障或循迹的功能，而且循迹的轨道有三个，一个比一个难度加大。
探究性设计及实验是App控制设计实验，是开发基于android手机的app和小车底层通信及控制程序，并在小车上调试通过。学生自主提出手机端和小车端的功能和解决方案，并设计程序得以实现。这是最具挑战性的内容，要求学生具有很强的创新能力。
本课程设计的内容，有基础，有综合，还有创新;由浅入深，层层深入。
（二）课程学时安排
我們设计了相应的学时安排。这门课计划总共32学时，理论学习占4个学时，基础设计及实验占16学时，综合设计及实验占10学时，竞赛占2学时。这个安排，时间非常紧凑，因为综合设计要求有独立设计环节，一个小组只有一台小车，只能串行操作，而且调控制参数很费时间，后来我们实施时增加了4学时，才得以完成。 （三）实验组织及实施
我们在本校2016级自动化专业2个小班实施了该项教学改革，以30人小班为单位，3人一组。以往是一个专业两个小班一块上课，由一个老师指导，学生有问题老师指导不过来，影响了互动效果。这次我们改革了指导方式，一个老师带一个小班，学生有问题可以及时解决。
基础实验要求每个学生必做，即在小车上调试通过程序，记录实验结果，除了时钟控制和IIC实验——MPU6050数据读取这两个比较难、需提供例程外，其他都要学生自己参考指导书和芯片参考手册编写程序。
综合设计其中前两个是每个学生必做的，平衡车之圈内避障、平衡车之红外循迹、平衡车之CCD循迹为三选一，也就是一个小组3人组成，3人各自完成不同的设计内容并在小车上调试通过。
最后一个探究性实验是选做实验，是给有创新能力的学生准备的。需要学生富有想象力并能通过自学实现android程序和小车蓝牙通信程序的开发。
实验内容非常充实，环环相扣，这是以前的课程设计没法相比的。
竞赛的实施采用学生录视频的方式提交，评判标准首先是避障或循迹完成的质量，避障比如能否贴着墙壁走、直角是否标准、是否有撞墙的现象等，循迹比如能完成几个赛道、能否完成一来一回循迹、轨迹末端是否原地调头、直角拐得是否标准、能否走十字等，其次是速度。我们最后评出避障、红外循迹、CCD循迹三项竞赛的前三名。另外，评出app控制的特别奖励一名。
三、学生成绩评定方法改革
学生成绩评定方法是教学改革很重要的一环。由于实验内容崭新的，因而学生成绩的评定方法也必须随之而变。我们采用的是定性与定量相结合的评定方法。具体表现在出勤率、设计及实验的实现速度、实现质量以及报告质量。
基础设计及实验占40%，综合（1，2）占10%，综合（3、4、5之一）占20%，探究为附加分最多10分，报告占30%。实验按照出勤率、认真程度、完成效果、完成快慢、答辩情况综合考核。具体实施时，由于基础实验和综合（1，2）完成得都比较好，出勤率也都是满勤，我们就按照完成快慢排序考核，10个小组，分成三档，分别对应90，80，70分，各小组内根据贡献率及平时表现上下浮动5分;综合（3、4、5之一）完成质量和速度参差不齐，我们就重点按质量排序，质量相同的再按照速度排序，也是跟上面类似，分成三档，分值及浮动相同。探究则根据完成的质量和速度酌情加分。
报告按照设计任务5%、小组分工5%、设计内容25%、实验效果30%、遇到的问题及解决办法20%、收获体会和意见及建议10%、报告书写规范程度5%评定。
按照这套评定方法，给出的小班成绩符合正态分布规律，有效地实现了学生成绩的评定。
四、课程改革的效果评价
经过一轮教学改革的实践，其效果是很明显的：
（一）培养了学生自学能力
本课程除了安排4学时的理论授课，其他环节都是以学生自学为主，要求学生课前预习实验指导书（中文）以及芯片参考手册（英文）、设计相应的程序，课上调试程序、软硬件联调并记录实验结果，所以锻炼了学生中英文自学能力。
（二）师生互动加强
本课程以实践课为主，采取的形式是学生动手实验，教师辅导验收。学生遇到问题，教师会及时回答。师生互动对教师是一种挑战，需要教师备课充分才能解决各种各样的问题。
（三）锻炼了学生团队合作意识
SC教改要求增强学生的合作意识，因此我们设计三人一个小组，让不同智力水平、不同学习成绩、不同素质的学生组成一组，使他们学会分工协作，取长补短，达到集体合作的效果最佳是我们追求的改革目标。我们在成绩评定上也体现出这一点，小组任务完成得快而好，那么小组成员的成绩都高一个档次。
（四）促进了学生的学习主动性
SC教改要求学生积极学习。我们只是给了两个最基本的例程（时钟控制和IIC——MPU6050数据读取）和app控制部分例程，把学生领进门，剩下的程序需要学生自学编程完成，在学习中发现问题并解决问题，尤其探究性实验能积极促进学生的自主性。
（五）加强了创新思维训练
我们通过综合设计及探究性实验的实践，极大地促进了学生的创新意识和创新思维。我们所提供的传感器模块有五种，提供给学生丰富的信息数据，怎么使小车既能平衡又能沿预期的轨迹前进，对学生来说是个挑战。另外，小车提供了SCI串口通信以及蓝牙通讯模块，这使得平衡小车与手机的通讯成为可能，这需要学生既要懂得通信协议，又要懂得java编程，这个程序的功能连公司里面的研发人员都没有完全做到，而我们的学生做到了。
五、结论
我们在SC教学改革思想和创新思维的指导下，进行了测控系统课程设计教学改革，课程基于两轮自平衡小车，为我校自动化专业的学生提供了一个展示自己能力的平台。在新的教学实践中，学生自主选择硬件配置，既有分工合作，又有独立设计。课程分为理论学习，基础设计及实验、综合设计及实验和探究设计及实验，促进了学生自学能力、综合设计能力和创新能力的发展，学习效果进一步提升。此外，本文还提出了学生成绩的评定方法，有效地实现了学生成绩的评定。
参考文献：
[1]熊伟丽，陶洪峰，刘艳君，等.新工科背景下自动化专业工程实践教学体系的建设与思考[J].高教学刊，2019，（12）：62-64.
[2]赵炬明.论新三中心：概念与历史——美国SC本科教学改革研究之一[J].高等工程教育研究，2016，（3）：35-56.
[3]趙炬明.聚焦设计：实践与方法（下）——美国“以学生为中心”的本科教学改革研究之三[J].高等工程教育研究，2018，170（03）：35-50.
[4]骆雪晴，何飞，李永峰.基于创新能力培养的本科生研究性学习研究[J].高教学刊，2018，85（13）：39-41.
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