新工科背景下四阶融合递进式实践教学创新模式探索
——以电磁平衡小车为例

李斌，王智勇，娄璟

（辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛 125105）

近年来，在教育部提出新工科建设和“双一流”建设的背景下，辽宁工程技术大学坚持“以生为本、以学为中心、以学习产出为导向”的OBE 育人理念，着力推进电气类大学生创新实践能力培养[1-3]，每年积极组织学生参加各类大学生创新创业竞赛，用实际行动践行“博学笃行、诚朴求是”的校训。辽宁工程技术大学还以学科竞赛为重要载体[4-7]，形成“以赛促学、以赛促创、以赛促教、教学相长”的分层递进实践教学模式，进一步提高新工科应用型创新人才培养质量。

本文以大学生智能车竞赛中电磁平衡小车为例，通过构建四阶融合递进金字塔实践教学培养模式以及创新实践能力评价体系等有效手段，引导学生主动参与、深度学习，取得了一定成效，对理工科高校创新实践人才培养具有一定的借鉴意义。

1 多学科交叉融合的学科竞赛

电气类专业具有理论性强、涉及范围广、计算量大等特点，其专业课知识跨度大，学生短时间内学习多门理论课程，难以完全理解专业知识。为了加强学生对专业知识的理解，教学团队结合辽宁工程技术大学电气与控制工程学院创新创业实践要求，积极组建创新创业实践工作室，组织第二课堂创新教学，积极开展大学生创新创业训练项目，鼓励并引导学生参加竞赛类课程实践。

其中，智能车竞赛包含如图1 所示的多学科交叉融合的知识体系[8-9]，对学生综合应用能力的要求较高，能够考查学生的团队协作能力。智能车竞赛主要包含仿真、实践调试等环节，竞赛项目的实施能有效提高学生的创新实践能力。

图1 智能车知识体系结构图

2 以竞赛为载体，构建实践教学创新模式

依据电气类专业不同年级学生具备的知识结构体系特点和能力，教学团队将学生的实践训练学习进程划分为四阶递进的金字塔模式：引导阶段、提升阶段、创新阶段、挑战阶段，并制定每个阶段的学习目标，如图2 所示。

图2 教学实践四阶递进金字塔模式示意图

这些学习目标从基础开始，逐步推进，最终取得学习成果。根据目标，教学团队鼓励学生参加学院、学校、省级、国家级等逐级递进的学科竞赛，从而形成“以赛促进学生学习，以赛促进教学质量提升，以赛促进创新成果取得，教学相长”的实践教学创新模式。

2.1 引导阶段

对于大一学生，教学团队通过讲座、报告等灵活多样的形式，引导他们积极参加各类创新创业大赛，让他们了解参赛的基础是单片机的理论学习与实践，可为其制定如图3 所示的实践学习方案。目前，市场上常见的51、32 系列单片机价格低，且其性能满足自动控制类初级学习，对于课程实践，能够做到每名学生都拥有一套开发板。学生根据电路图制作较简单的控制电路，配合单片机程序，达到预期的任务效果。在引导阶段，学生将实践内容与理论课程结合，能够提升学习兴趣，进行自主探究。

图3 学生基础课程实践学习方案

2.2 提升阶段

通过单片机和简单电路的学习，学生对专业基础知识有一定程度的了解，可以从软件建模仿真开始进一步学习[10]。以制作平衡车为例，使用MATLAB 等软件仿真，在一定逻辑下模拟车辆各项数据，得到车辆运行时平衡曲线等内容，平衡车仿真流程如图4 所示。仿真的优点在于可排除在实物制作过程中由于经验少、手工精度低、器件本身等原因造成的无法正常运行的问题，对于此类问题，初学者很难发现。通过仿真得出的平衡车姿态等数据，可作为学生下一步制作模型的参考，从而激发学生学习兴趣，提升其自主学习能力。

图4 平衡车仿真流程图

2.3 创新阶段

全国大学生智能车竞赛要求制作出在给定赛道上能自主行驶且性能良好的智能车，这类复杂的工程问题需要团队成员共同探讨和学习所涉及的新知识，在结合实际调车经验的基础上，全面优化智能车的设计，制作具有团队特色的智能车模型。因此，辽宁工程技术大学设立各级赛事，要求学生使用指定的芯片与模型，发扬创新精神，设计性能良好的模型车。

2.4 挑战阶段

以汽车电子技术、人工智能技术为背景的智能车竞赛，包括自动控制、识别、传感器技术、计算机等多个学科的竞技项目，多学科融合，具有极强的挑战性。

合作挑战：智能车涵盖的范围较广，涉及大量知识，因此，必须要开展团队合作，团队成员根据自身专业和兴趣选择知识模块，进行学习，最后将知识进行应用。这一过程能够培养学生的团队合作意识。

现场挑战：竞赛在全新的环境中进行，赛道存在很大不确定性。摩擦力不同，周边环境的电磁干扰等都是对车辆稳定性的考验，因此，需要学生能够应对突发情况，这将直接影响最终的竞赛成绩。

智能车竞赛在校赛、省赛、国赛的每个阶段均存在不同程度的挑战性，需要团队密切协作，发挥创新能力，不断提升模型车的性能。

3 学生的自创成果

平衡车模制作主要分为两部分：程序调试和硬件电路。车模框架如图5 所示。

图5 车模框架

3.1 程序调试

陀螺仪是整个平衡车的核心，将其安装在车身几何转轴附近，两个传感器——陀螺仪与加速度计，将数据实时传输给控制芯片。其中，陀螺仪采集到的是车模左右晃动的实时速度，当其以任意角度静止时，其值为零；加速度计的x 轴与z 轴经过反正切计算，可得到当前传感器与水平面夹角。理论上，只使用加速度计就能得到平衡车倾斜度，但是在平衡车前进过程中，由于地面不平产生的震动会干扰加速度计的数值，无法保持稳定。因而，需要将两者数据融合互补来减小影响。目前融合算法有多种[11-12]，这里采用的是一阶互补算法，将两组数据乘以不同的系数，系数的大小决定了对此传感器数据的信任程度：

式中，K1、K2分别表示加速度计和陀螺仪的系数，dt表示积分时间。

图6、图7 曲线分别为车模左右晃动时，调参前后传感器输出的数据曲线。可见，陀螺仪曲线在晃动时呈现突然变大又急速减小的状态；加速度计曲线在倾斜固定角度时能够得到稳定的数值。姿态角由两传感器数据经一阶互补后得到。

图6 调参前姿态曲线

图7 调参后姿态曲线

由图6 可知，一阶互补在没有合理调参前，姿态角对于传感器数据有滞后性，无法应用于平衡算法中。从图7 一阶互补参数调节后的曲线可见，姿态角已经接近传感器实时角度，此时可用于平衡控制。

3.2 硬件制作

平衡车模型电路板上含有芯片插槽、传感器、ADC采样电路、电机驱动部分等，手工制作的精度不足，因此，要使用专业PCB 绘制软件进行制作，保证其不会产生信号互相干扰的故障。绘制PCB 时要注意布线不能相互垂直，否则会造成信号干扰等问题。图8 所示为最小系统与电磁ADC 采集电路。

图8 最小系统与电磁ADC 采集

印刷完成的PCB 板如图9 所示，学生需在PCB板上手动焊接相关元器件，制作完成的模型车如图10 所示。整个模型车的制作与调试能有效提高学生团队协作、分析解决复杂问题、自主学习、动手实践以及创新创造能力。

图9 印刷PCB 板

图10 学生制作的模型车

4 思政引领，重构创新实践评价体系

以竞赛为载体，在实践教学环节中，坚持“以生为本、以学为中心、以学习产出为指导”，以“金课”标准“两性一度”为抓手，在学生参加竞赛的不同阶段，采用如图11 所示的全过程、全方位、多维度、多元化、多层次的创新实践能力评价体系[13]，培养学生的探究精神和实践能力，促进学生主动参与、深度学习[14]。同时，通过引导学生参加智能车竞赛，推动我国无人驾驶汽车的创新研发[15]。

图11 创新实践能力评价体系

5 结语

经过几年的探索实践，教学团队坚持以学科竞赛为重要载体，形成“以赛促学、以赛促创、以赛促教、教学相长”四阶融合递进的金字塔式实践教学模式。同时，教学团队秉承“以生为本、以学为中心、以学习产出为导向”，以“金课”标准“两性一度”为抓手，以思政为引领，重构全过程、全方位、多维度、多元化、多层次的创新实践能力评价体系，进一步提高新工科应用型创新人才培养质量。近几年，学生参加各类竞赛获国家级奖项50余项、省级奖项60 余项，该专业毕业生就业率均在95%以上。