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电子设计竞赛的控制系统设计

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全国大学生电子设计竞赛是面向大学生的群众性科技活动,其目的在于按照紧密结合教学实际,着重基础、注重前沿的原则,促进电子信息类专业和课程的建设,引导高等学校在教学中注重培养大学生的创新能力、协作精神;加强学生动手能力的培养和工程实践的训练,提高学生针对实际问题进行电子设计、制作的综合能力;吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动,为优秀人才脱颖而出创造条件。经过近几年的发展,各大院校的实验室硬件设施都得到了显著的改善,但是在硬件设施日益完善的今天,针对电子设计竞赛所提出的实践能力培养的内涵建设要求,如何将实践教学改革引向深入,对实践教育工作者提出了更加严格的要求。为此,本文分析并总结了历届电子竞赛赛题,根据其侧重点的不同进行了分类,包括电源类、信号源类、无线电类、放大器类、仪器仪表类、数据采集与处理类、控制类7个大类,针对不同类型的题目建立起相对应的实践教学改革方案,引导大学生科技活动向更加专业化的方向拓展,这也是将实践教学工作引向细致深入的有效径。如表1所示,回顾历届“控制类”赛题,控制系统设计的题目越来越向复杂系统的控制方向发展,需要控制的变量不仅数量增加,且相互之间的耦合程度也在提升,对大学生的控制系统设计能力提出了更高的要求。为了适应新的变化,需要针对“控制系统设计”这一问题制定科学的教学改革方案,才能满足大赛组委会对当前大学生提出的更高要求,从而进一步提高实践教学质量,深入贯彻以电子竞赛促进实践教学改革的目标。

1明确培养目标,建立层次化实训教学内容体系

把握竞赛精神,明确电子设计竞赛控制系统设计方向的培养目标,关键在于把握竞赛命题内容,与时俱进,从而引导实践教学的发展,全面提高学生工程实践能力。在实践教学过程中重点解决两个问题,一是如何加强学生的基础能力,二是如何提高学生的综合设计能力,最终使学生的电子制作技能、控制系统设计调试技能及解决实际问题的能力达到全国大学生电子设计竞赛所要求的标准。分析历届控制类题目的命题内容发现,对大学生控制系统设计能力的培养,涉及传感器应用、模拟电路制作、功率电路制作、数字电路制作、控制算法编写、机械制作等多方面的知识,具有非常强的综合性。典型的控制系统结构框图如图1所示。其中检测电路主要涉及各类传感器及其相应调理电路的设计制作;控制电路涉及单片机、ARM、FPGA等控制器的应用;驱动电路主要包括电机驱动和其他功率电路的设计制作;机械统主要包括电机的应用、机械结构的制作等。另外根据具体要求,还可能需要通信电路和其他的扩展电路。针对控制系统设计所需的知识结构,建立层次化的实训教学内容体系,合理分配基本性实验、设计性实验、综合性实验比例,按阶段实施学习计划,逐步培养学生从基础模块训练到驱动程序的编写能力,再到PID控制算法的编写与调试能力,最终使学生达到一般控制系统的综合设计能力,具体的教学内容如表2所示。实践教学内容整体包含了3个层次的训练:①训练学生掌握电工电子工程实践的基础知识和基本技能;②训练学生掌握仪器仪表的使用方法及与单片机有关的基础知识;③训练学生掌握与控制系统设计有关的各个功能模块的设计与调试方法;④对学生知识面进行拓展,训练学生学习与高级控制系统设计有关的知识。

2以开放实验室为基础,改革实践教学管理体制

为了全面提高学生控制系统设计能力这一实践教学的根本目标,一方面要打破传统的实践教学模式,不再以“自动控制原理”“电机学”“传感器检测技术”等理论课程的界限划定分属于各门课程的实践教学,而是要建立起由验证性实验、设计性实验、综合性实验综合构成的层次化实践教学内容体系;另一方面要在管理上打破陈规,建立以学生自主管理为基础的开放实验室,模糊课堂与课余的时间概念,将实践教学向课堂外有效延伸。开放实验室作为学生开展课外科技活动的主要场所,是支撑实践教学环节的基本物质保障,近年来得到了各高校的重视。开展较早的院校均通过向学生开放实验室资源培养出了许多优秀的工程实践人才,通过参加学科竞赛、课程设计、毕业设计等教学环节的评比,这些学生的动手能力、协作精神以及创新思维等综合素质都明显提高,获得了教师、同学、社会的普遍认可。但是,随着越来越多的学生积极参与开放实验室,随之而来的场地、设备、经费及管理方面的问题也日益凸显,制约了实践教学活动的顺利展开,教师引导并帮助学生实现实验室自主管理成为解决该问题的有效途径。在如何引导学生的自主管理体制问题上,学校也做了积极的探索,包括以下3个方面。(1)模拟公司管理制。将学生以班集体的组织形式招收到开放实验室中,实验室的日常管理主要由班长负责,教师主要与班长进行沟通协调,一般不直接参与管理,基本的管理组织结构如图2所示。班长作为总负责人定期安排组织工作,下属5个部门的具体分工如下:①技术部,主要负责实验室的仪器仪表等设备的管理以及技术培训工作;②财务部,主要负责班费的管理工作;③元器件库,主要负责学生常用元器件的购买、分发、管理工作;④网络部,主要负责网站的建设和管理工作;⑤办公室,主要负责组织协调安全、卫生、纪律、规章制度等日常管理工作。(2)师徒培训制。对技术知识的渴望是开放实验室中组建班集体的核心动力来源,为了让学生们能够得到有效的技术培训,可采用师徒制的方法引导学生互帮互助,先进带动后进,形成“大三带大二、大二带大一、老师带大四”的基本制度。这种制度不仅让更多的学生受益,而且师生之间建立了深厚的师徒情分,在实践过程中提高了学生的团队合作意识,不仅为电子竞赛,也为学生毕业后进入社会合作创业打下了坚实的感情基础。(3)项目考核制。为了对每个团队学生的阶段性学习成果进行测试,可利用学校的各种政策和经费支持,通过创新项目对学生团队进行综合性考核,让学生对工程项目的立项申请、方案论证、项目实施、实验验证、总结报告等环节有一个系统性的认知,培养更加有效的工程思维能力。具体的项目经费不仅可以通过国家大学生创新项目获得,也可以通过校企合作、大学计划等多个方式获得,作为开放实验室的重要物质保障。

3采用实例化教学手段,自制实验设备

实验设备的选用是实践教学体系形成的重要环节,为了适应大学生电子设计竞赛的要求,结合学校实践教学体系的内容特点以及学生掌握知识结构的基本情况,实验室自行研制了更加符合学校实际情况的实验设备,不仅节约了设备购置经费,降低了成本,还能够以自制设备为基础,拓展一些有特色的实践教学课程,并应用于课程设计、毕业设计等其他教学环节。根据一般控制系统设计的基本特点,以培养学生对于简单系统建模、理论模型的工程应用、PID控制算法设计、C语言实现以及控制系统分析5个方面的能力为目的,选择有代表性的、学生感兴趣的控制系统设计案例作为教学对象,以实例带动学生学习,让学生直观地感受到控制系统设计的难度和技巧,激发学生的学习兴趣和想象力,促进学生创新实践水平的提高。如图3所示,结合历届电子竞赛题目,自制ARM、FPGA等开发板以促进学生对高级嵌入式系统处理器的学习和掌握,自制智能小车、两轮自平衡小车、四轴飞行器等比较典型的控制系统作为实验教学设备,由简入繁,逐步深入,具有一定的代表性,且受到大学生的普遍喜爱。兴趣与理论的结合能进一步提高学生的设计能力。实验设备研制过程中,通过组织学生申请立项,使其积极参与示例程序的编写与硬件调试工作,并且将学生设计使用过程中的实际感受及时反馈记录,最终开发出了符合学校实际情况的教学设备,提升了实践教学效果。

4实践教学方法的创新性设计

实践教学方法是指导教师以工程实践为主,培养学生工程素养、获得工程技能的一系列教学活动的组合,实践教学与理论教学相辅相成。实践教学方法的创新,有赖于打破传统的以理论教学为主、实践教学为辅的教学观念。为了吸引学生兴趣,以实践教学推动理论知识的掌握和吸收,可以从以下3个方面进行把握。(1)实践教学课程的设置更加具有针对性和系统性,有效整合学校分散的实践教学资源,形成系统化解决某个问题的课程体系。比如以控制系统设计为目的,相关的课程设置可以涵盖如下5个方面:①控制系统常用传感器课程,包括温度传感器、光电传感器、超声波传感器、倾角传感器、角度位移传感器、音频信号检测器等;②控制系统常用微控制器课程,包括单片机、FPGA、ARM、DSP;③控制系统常用外围模块课程,包括键盘和LED控制、液晶显示器、触摸屏、ADC和DAC、无线收发模块、语音模块等;④控制系统常用电机控制课程,包括舵机、直流电机、步进电机的控制等;⑤控制系统PID控制算法课程,包括增量式PID算法设计、位置式PID算法设计等。(2)提倡学生先做后学,学完再做。首先在实践过程中发现实际问题,然后通过理论学习与实验解决问题,使学生获取的知识结构更加具有针对性,过程中教师要注意引导学生掌握解决某个问题的有效途径和方法,了解学生的思维方式,而不是把主要精力放在问题本身上,积极营造民主、宽松的实践教学氛围,鼓励学生大胆提问,不唯师、不唯书,通过讨论、网络、请教、看书等各种各样的方法最终达到解决问题的目的。(3)突出学生在实践教学过程中的主体地位。教师引导学生以工程项目化的方式面对并解决问题,激发学生的学习兴趣,使教师对学生的实践教学成为一种自我意识激发下的活动,模糊课堂与生活的界限,鼓励学生利用课余时间主动投入到实践活动当中来,当学生从实践中获得成就感和荣誉感后,就会感染更多的学生参与,形成良性循环。

5结语

根据对大学生电子设计竞赛控制类题目命题方向的把握,提炼出大赛精神以及内涵的培养目标和基本要求,从历年的竞赛题目对控制系统设计能力的需求,提炼出实践教学的基本内容,并把它们进行分解、优化,使之贯穿于学校课程实验、课程设计、毕业设计、科技活动等实践性教学环节中,这样通盘性的考虑,使实践性教学内容不仅层次清楚、目标明确,而且克服了重复交叠、各环节内容之间相互脱节的问题。另外,与教学内容相适宜的教学方法、教学设施将会有效地提高实践教学效果。

作者:张奇 柴钰 单位:西安科技大学工程训练中心

电子设计竞赛的控制系统设计责任编辑:杨雪    阅读:人次