面向电气专业的大学生综合实践课教学设计

【摘要】面向电气专业，开设“机器人实践课”，作为综合性实践课，加强了各课程的联系性，提高学生的动手能力和创新能力。采用建构主义教学理论，提出了课程的情境设计方法和具体设计内容，引导学生通过自主学习和独立探索，完成知识体系的构建，并取得良好教学效果。

【关键词】构建主义学习理论；机器人；嵌入式系统；学习情境设计

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097（2011）02―0144―05

引言

长期以来，我国大学教学一直以知识为本位，在知识传授过程中，教师起主体作用，学生则被动接受知识，大学教学重知识轻能力、重共性轻个性、重灌输轻引导。在这种师生授受教学模式中，学生的学习主动性和独立性不强，没有探索知识提高创新能力的意识，容易造成学习目的性不明确，知识掌握片面，面对具体问题时无法灵活运用所学知识给予解决。对此，很多研究者提出以学生为主体的教学观，将学生从被动接受知识的容器变为主动学习的探索者，积极运用主体教学原则，通过创设问题情境，以问题驱动式引导学生运用所学知识尝试性解决所面对的问题，通过学生自身的主动学习和探索进行知识的内化。

在以学生为主体的教学思潮中，构建主义学习理论最有影响力。该理论最早由心理学家皮亚杰（J. Piaget）在研究儿童认知发展的基础上提出来的，其核心内容强调以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。随着现代教育技术和信息技术的发展，建构主义所要求各要素可得到满足，这促使建构主义理论日益与广大教师的教学实践结合起来，成为国内外学校深化教学改革的指导思想。

建构主义学习理论虽然在中小学教育中得到广泛接纳，然而，在高校实际教学中，受教学大纲、教学计划（课时）和教材所限制，理论课程在授课方式上主要以“教”为主，教学模式依然以教师为中心，与建构主义思想有一定出入。并且在很多情况下是大班教学，若完全采用以学生为中心，强调学生的自主学习过程，一则由于学生学习差异性超出预期，在教学时间上把握难度大，无法控制教学进度；二则在大班教学下，学生数量多，无法在两节课的时间里良好把握个体的学习情况。对此，理论教学以教师“教”为主，实验教学以学生“学”为主，是当前高校中普遍采用的教学方式。因此，可在实验教学环节中，采用建构主义教学理论，积极把握“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”四大学习要素，以取得良好教学效果。

虽然在实验教学环节能较好地发挥学生自主学习能动性，但对于具体一门实验课，其实验目的及实验内容安排上是围绕对应课程设计的，往往缺乏课程之间的联系性，在教学效果上，学生对知识的把握仍然具有很大的狭隘性，无法将以前所学的相关课程联系起来，当面对实际问题时，依然无法运用所学知识灵活解决，导致人才创新能力培养仍然达不到预期目标。对此，开展大学生课外科技活动，是加强学生自主学习，提高创新能力的有效途径之一，如“挑战杯”竞赛、大学生电子设计竞赛、ACM大学生程序设计竞赛、大学生数学建模竞赛、全国大学生机器人比赛等进一步推动学生课外科技活动的开展，并在相关领域培养了大批高层次人才。在这些课外科技活动中，凡面向竞赛的，其参与者是选的，这些学生在相应学科都是拔尖者，且只占了在校生中一小部分，导致人才培养理念和培养模式仍然停留在精英教育阶段0。而我国高等教育已经进入大众化阶段，在培养精英的同时，亦须考虑开设面向大众的综合性实践课，以提升教学效果。

本文针对电气专业，研究“机器人实践课”的教学设计方法，根据前导课程特点，提出若干综合性的“情境设计”方案，在保证情境的生动性和丰富性的同时，也加强了电气专业相关课程之间的联系性，有利于学生通过主动学习和独立探索完成意义构建和知识体系的重构升华。

一 “机器人实践课”与其它课程的关联性

“机器人实践课”面向电气信息类专业开设，与其它课程的关联性如图1所示，通过运动控制，可关联到《大学物理》、《高等代数》和《自动控制原理》等课程；通过系统功能实现，可关联到《数字电路》、《模拟电路》、《传感器与检测技术》、《信号与系统》、《嵌入式系统》和《程序设计》等课程。在学习过程中，“同化”是认知结构的量变，“顺应”是认知结构的质变。学习不是简单的信息积累，而是包含新旧知识经验的冲突和双向的相互作用过程，以及由此引发的认知结构的重组。学生在接触机器人之前，学过图1所关联的课程，然而他们对课程中的大部分知识停留在模糊的认知阶段，无法将其内化为自己的知识，并且可能随着时间的迁移逐渐遗忘。在“机器人实践课”上，通过合理的内容编排，可引导学生运用所学的相关课程知识解决所遇问题，加深学生对相应课程的理解和相关知识的应用，使学生在自主学习过程中完成认知结构的“同化”―“顺应”―“同化”―“顺应”的循环往复过程，最终达到知识的构建。

二 课程“情境设计”

在建构主义学习理论中，“情境”、“协作”、“会话”和“意义构建”是学习环境的四大要素。建构主义提倡在教师的指导下，以学习者为中心的学习，在整个学习过程中，既强调学习者的认知主体作用，又不能忽视教师的指导作用，教师是意义构建的帮助者和促进者。从教师的角度看，“情境创设”是最重要的内容之一，只有创设了有利于学生建构意义的情境，学生才能围绕该情境，通过独立研究和“协作”、“会话”的合作方式进行学习活动，最终经过内化完成知识的“意义构建”。针对教学机器人，其情境创设可通过设定相应的实践任务，以任务驱动式方式完成学习内容。

教师在情境创设过程中，要成为学生构建知识的帮助者和引导者，在具体问题上，可向学生提供新旧知识之间联系的线索，并组织协助学习，展开讨论和交流，使之朝有利于意义构建的方向发展。

针对教学机器人，可做以下情境构建：红外寻迹测量；超声测距；磁导寻轨设计；电机驱动、测速与控制；寻轨运动控制。

1 红外寻迹测量情境设计

实验原理：根据不同颜色对光反射性能差异原理，采用TCRT5000反射式红外对管对黑色电工胶布粘成的寻迹线进行测量，由于黑色物相比其他颜色对光的反射性要差，接收管在黑色寻迹线上接收的红外光比其它背景区要弱，导致其感应的电流减小，在接收管上串联适当阻值电阻，可将感应电流转换成电压，进而根据电压的不同可将寻迹线与背景区分出来。

问题设计：1）红外发射管的供电电流会影响检测距离、接收管的感应电流，如何串联合适的限流电阻取得良好的测量效果；2）接收管的感应电流通过串联接收电阻实现电流向电压的转换，如何选取恰当的接收电阻；3）红外寻迹测量信号最后可处理成“0”-“1”的逻辑信号（可通过调节恰当的发射管串联电阻、接收管电阻或采用电压比较器实现）表示探头是否在寻迹线上，也可直接用AD（模拟数字转换）方式将感应电流信号作为模拟信号进行处理，并通过软件设置阀值来判断探头是否在寻迹线上，通过实践比较数字处理方式和模拟处理方式的优劣势。

在教学目的上，该实践课的目的是让学生通过主动搜集并分析相关的资料，运用探索法，去了解红外光的反射特性并掌握相关测量手段，进而在实践过程中对二极管、三极管、电压比较器、等效电阻、戴维宁等效电路等模拟电路以及单片机的数字输入、模拟输入等相关知识有重新的认识和提高。

2 超声测距情境设计

在机器人实践中，超声测距主要用于移动机器人避障。超声测距的实验原理为：超声发射器发射若干个40KHZ超声波，接收器接收到回波经滤波、放大和比较器后将信号调理成“0”―“1”信号，单片机测量发送波与接收波之间的时间差，再根据超声波在空气中的传播速度可计算出距离。在该情境设计中涉及的关联课程有《传感器与检测技术》、《模拟电路》、《嵌入式系统》和《程序设计》。

问题设计：1）超声波在空气中的传播特性；2）超声传感器的方向性；3）超声测距的具体实现。

超声波在空气中的传播速度约为340m/s，并且具有较强的方向性，方位角大小由传感器本身特性决定。由方位角特性引导学生对超声传感器安装高度进行思考，通过两种不同方位角的超声传感器的实际测量效果，让学生明白大方位角的超声传感需要较高的安装高度才能避免地面的反射影响，并结合方位角特性和避障距离，让学生建立模型计算安装高度。经过这两个环节后，学生对超声波的特性比较了解，尤其是对方位角概念会有比较具体的认识，此时可穿插市场价格信息，让学生搜索不同方位角传感器的价格，并从中把握性能和价格的平衡点，培养工程意识。在超声测距技术实现上，主要测量超声发送波与回波之间的时间差，再根据声速即可求得距离。在程序编程环节，着重中断程序处理及中断延迟补偿、结构体与联合体配合使用对8位/16位/32位数据混合操作，PCA捕捉等，结合实际应用需求引入新技术，提高学生对其接受度。经过这个过程，学生经历凭自己的知识体系提出问题的解决方案（较自信阶段），解决方案缺陷逐个暴露并找不到合适的处理方法（陷入思考和迷茫阶段），获得新的线索和新的解决方案（重拾自信和成功喜悦阶段）。在知识结构上，则整个学习过程经历“平衡―不平衡―新的平衡”的循环，并在该循环中得到不断的丰富、提高和发展。

3 磁导寻轨情境设计

实验原理：在导线上一定频率的交变电流会产生交变的磁场，通过电感感应这交变磁场，并通过带通滤波器和放大器对该信号进行滤波放大处理，最后经过检波器将交变信号转成直流信号供单片机AD采样。导线上的交变电流一般选取20KHZ，通过带通滤波器测量该特定频率的交变磁场，可克服地球的永恒磁场、周边电器产生的50HZ磁场等干扰，并且感应的磁场强度和导线与传感器的偏离距离呈单调关系，由此可测量移动机器人与寻轨导线的偏移信息。

问题设计：1）无限长直导线上通交变电流在空间中产生的磁场分布模型分析；2）如何测量磁场；3）检测干扰分析；4）测量电路原理分析；5）有限长弯曲导线通电电流在空间中的磁场分布模型分析及测量改进措施。

维果斯基（Vygotsky）对知识层次进行研究，提出社会发展理论，认为个体的发展具有两种水平：现实的发展水平和潜在的发展水平，现实的发展水平是个体独立活动所能达到的水平，而潜在的发展水平是指个体在教师或其他个体的帮助下所能达到的水平，在这两种水平之间的区域即为“最近发展区”（ZPD：Zone of Proximal Development）。在教学活动中，教师应把握学生的知识水平，合理设计问题，使得学生朝最近发展区提升知识，若问题过难，超越学生知识层次太多，可能会引起他们的知识混淆，降低学习兴趣，或者死记硬背，生搬硬套，丧失创新性。

磁导寻轨测量具有一定的难度，在情境设计上，若一步到位直接给出最终的设计方案，与学生的知识体系有较大的距离，使得学生无法通过自主学习很好地进行内化。对此，磁导寻轨在问题设计上运用了维果斯基ZPD理论，从简化模型入手，循序渐进，步步引导。对通电导线的空间磁场分布，可先假设导线为无限长，引导学生查阅《大学物理》中的安培环路定理，得出传感器与轨迹导线偏移距离与磁场的关系，进而引导学生采用法拉第电磁感应定律，得到电感（传感器）上感应电动势与交变磁场的关系，经过这两个环节，学生逐渐体会到《大学物理》与现实问题的联系，并对传感器与轨迹导线之间的距离与感应信号有一定的理性认识。若导线的通电电流是20KHZ的交变信号，则感应电动势也是20KHZ的交变信号，但该信号很微弱，且夹杂着50HZ的工频干扰。对该信号测量，可在电感检测单元上串联电容，形成谐振电路，再在后继电路中通过三极管进行放大处理，进而经过检波二极管和电容将交变信号变成直流信号。在该环节中涉及《模拟电路》、《传感器与检测技术》、《信号与系统》等相关知识，着重引导学生对频域分析、三极管稳态电路与小信号模型的分析、信号检波等知识的深入理解，并让学生通过Multisim等仿真软件进行电路仿真后再进行实物制作，使学生养成通过原理分析―>仿真验证―>解决问题的工程思维习惯。学生做出原型后，指导教师引导学生往提高精度方向提升，原来的无限长导线假设，针对实际中有限长且可能弯曲的导线，引导学生运用毕奥-萨伐尔定律及有限元进行分析，并在测量环节进行改进，减少非线性放大失真度。经过这些环节后，学生将以前所学的课程知识与当前问题充分联系起来，把抽象的知识的具体化，并且在处理问题的过程中，会出现多次从不同角度涉及相同的知识，使学生对该知识形成比较全面、正确的理解，知识层次上由现有模糊生硬的理解向潜在层次提升，通过量能的积累进而实现质的突破。

4 电机测速、驱动与控制情境设计

电机测速、驱动与控制包含了传感器、执行器和控制器，是闭环控制系统的必要组成部分，该情境对自动化、电气类专业学生加深《自动控制原理》课程理解和实践具有非常大的作用，而测速、驱动和控制的具体实现又与《数字电路》、《电机与拖动》、《嵌入式系统》和《程序设计》等课程具有很强的联系性。

电机测速视传感器而定，目前本教学实践中采用两种传感器：1）单路光电码盘；2）双路正交光电码盘。前者成本低廉，并且可自制反射式光电码盘；后者具有一定加工精度要求。对于多数单片机，没有双路正交码盘接口，需采用数字电路设计思想进行倍频和方向判断，而该环节正好可用到《数字电路》相关知识。以往，学生学完《数字电路》往往只停留在意识层次，并无法与现实问题结合起来并灵活运用该课程思想进行逻辑设计。双路码盘的倍频和测向提供了很好的应用情境，使学生对《数字电路》有重新的认识，并在该解决过程中通过独立思考去发现双路码盘相比单路码盘的优势。

电机驱动采用PWM方式驱动，电流放大芯片有达林顿三极管、MOS管等。在该环节主要设计3个问题：1）PWM的频率与驱动噪声；2）PWM的占空比与电机转速关系；3）驱动能效和驱动芯片的散热控制。PWM驱动频率在音频范围内，尤其是在1KHZ至8KHZ之间会使电机发出音频噪音，指导学生利用PCA时钟或系统时钟改变PWM频率，通过实际驱动现象探讨噪音的产生机理和消除方法。PWM占空比与电机转速需从S域变换和瞬态响应去分析，将电机等效为电感与电阻的串联模型，通过瞬态响应曲线，使学生明白占空比与电机平均电流的关系，另一方面电机电流与电动力矩及转速构成微分方程关系，与《高等代数》、《大学物理》具有联系，可用这些课程的相关内容作为铺垫，逐步加深引入正题。驱动能效和驱动芯片散热问题从《模拟电路》对三极管和MOS管的介绍知识出发，抓住三极管VCE压降及MOS管内阻对驱动管能效及发热的影响，通过开关管换流时的瞬态特性进一步让学生讨论提高PWM频率对能效降低及增加驱动芯片发热量的影响，使其灵活掌握PWM频率平衡设计的机理。整个内容在设计上遵循维果斯基的ZPD学习理论，循序渐进的问题设计可防止由于问题突然加难，打破学生个体的知识结构，有利于学生对知识的内化和创新性培养。

电机控制采用PID控制，通过该环节使学生对经典控制回路的反馈、执行和控制三个环节有更具体的理解。《自动控制原理》用数学语言描述，比较抽象，以往大多学生由于没有经历实际应用，对该课程理解较差，无法活用相关知识。在电机控制中，首先遇到的是建模，本实践课向学生介绍基于信号激励的黑箱建模和基于机理的白箱建模。黑箱建模的激励信号采用阶越响应信号，电机的响应速度经码盘测量后由UART传送到PC端，由Matlab绘制响应曲线，并引导学生用《自动控制原理》中的经典控制理论知识获取动态系统的关键参数，进而以该黑箱模型为对象，让学生设计P（比例）控制器，运用劳斯判据分析系统的稳定性，进而用PID的经验公式进行控制参数设计，并将连续模型转成离散模型在单片机上实现PID控制算法。白箱建模则利用电机的电感-电阻等效模型以及力学分析，建立系统的动态模型，此时对电机的关键参数再通过辨识的方法进行估计，在辨识环节又可引入最小二乘法、随机信号激励等知识，加强了学生的工程意识。在电机驱动芯片上，我们采用带电流反馈的MC33887，使控制系统能获得电机转速和驱动电流，进而可用状态空间方法进行描述，在此环节可让学生用能控性判断―极点配置等环节进行控制设计，之后再将电流测量环节去掉，让学生用能观性判断―观测器设计进行状态估计，并将估计结果与电流真实测量值进行比较。这些环节能贯穿《自动控制原理》的核心知识点，经过这些实践之后，学生对经典控制、PID控制、系统辨识、能控性、能观性、极点配置、观测器设计等环节有比较感性的认识，将抽象的知识具体化。

5 寻轨运动控制情境设计

寻轨运动控制是机器人实践课的综合实践环节。在该环节中，我们增加了无线传感器网络相关技术，把机器人的寻轨传感器、电机转速等信息通过无线传感节点传至PC端，并在PC端采用Labview进行图形化编程，实现寻轨运动控制。在本实践中，受学生所学知识限制，无线传感器节点的编程由指导教师完成，并提供UART通讯接口，学生只需按规定的协议读写UART信息即可实现机器人与PC机的信息交互。Labview提供串口的Visa以及一系列的控制与仿真图形模块，学生在Labview下完成机器人检测与运动状态的图形化显示以及控制指令的发送。

寻轨运动控制可用竞赛的形式组织，我们受Freescale赛车竞赛启发，拟定以下两种形式：1）机器人的自主寻轨竞赛，给定地形，由出发地到目的地，时间最少者胜出；2）手动操纵赛，队员只能看PC端机器人回传数据（不能看机器人实际运动状况），控制机器人从出发地到目的地，时间最少者胜出。两种比赛中，机器人完全偏离轨迹线则直接被淘汰，寻轨技术则分成光电寻轨和磁导寻轨，并分开比赛。目的地前方设一障碍物，要求在距障碍物50cm以内有报警信息（通过超声避障传感器检测避障信息）。

通过该情境设计，学生能将前四个情境的内容贯穿起来，进行二次消化吸收。前四次的情境，指导教师根据学生情况会给予较大的帮助，但在综合实践环节则需要学生自主完成，有利于学生完成整个知识体系的构建。

三 具体教学环节的实现

在教学过程中，可按如下环节展开：1）搜索资料；2）分组讨论及方案设计；3）方案实现；4）交流与方案改进；5）总结与归纳。教学环节中包含了建构主义学习理论的“协作”、“会话”和“意义构建”，通过学生的自主探索与发现，以及协作交流完成特定知识的意义构建。

1 搜索资料

指导教师向学生介绍相关的常用资源网站和搜索资料手段，并让学生自行搜索相关资料。尤其是厂商提供的英文数据手册资料，鼓励学生阅并找出关键信息。在工程应用中，相关的芯片及传感器往往只能找到厂商提供的英文资料，学生往往对这些资料具有较大的畏惧心理，不知如何从中寻找与项目相关的关键信息资料。经过该环节后，能培养学生搜索资料和查阅关键信息的能力，为自主学习创造条件。

2 分组讨论及方案设计

根据学生的自主组队原则，将学生分成若干组，各组成员针对设计目标，结合所搜索的资料，进行方案设计。通过成员间的讨论，有利于培养团队协作精神。在分组讨论之后，可适时开展方案设计交流，指导老师对学生的方案宜持多鼓励少打击的态度，以保持学生的自信心和学习兴趣。对不可行的方案，给予详细的论证，适时地给予否定，但对固执的学生，可让他们先坚持自己的方案，在遇到瓶颈时再给予详细解说其不可行性。

3 方案实现

方案实现是自主学习的重要过程。在机器人实践中涉及电路仿真、电路焊接、电路调试、单片机程序开发、Matlab仿真等内容，在这些实践环节，有利于学生将其他相关课程知识与当前问题联系起来，在方案实现过程中构建知识体系。

4 交流与方案改进

若各组是通过独立探索进行方案设计及实现，则各组在方案实现上必然存在一定的差异性。指导教师应鼓励学生对方案实现的多样性，这是提高人才创新能力的重要环节。由于各组的方案实施进度不一致，在方案提出与方案实现之间可根据具体任务设置一个期限时间（往往是三天至一周的时间），让学生充分利用课外时间进行方案实施。各组方案实现后的讨论是借助集体力量实现知识飞跃的重要环节，讨论的结果可使原本复杂的问题明朗一致起来，并且各组通过对方案实施过程中所遇的问题以及解决方式进行充分交流，能在共享集体思维成果的基础上逐渐形成全面、正确的意义构建。各组通过交流，能发现自身方案的缺陷，并做进一步的改进。

5 总结与归纳

该环节是意义构建的升华环节，但也是容易被学生忽视的环节。总结与归纳要求学生从问题描述、方案比较、方案实施、改进措施、自我体验总结等环节对所涉及的任务以文档形式进行重新组织，学生在文档编写的过程中完成所学知识的最终构建。总结与归纳要轻形式，偏重内容的真实性和原创性。

四 结语

通过“机器人实践课”的开展，不仅落实了高校的“大众教育”精神，使得电气专业多数学生受益，加强了各课程的联系性，使学生在实践过程中提高了认知水平，完善了知识体系，并且对“精英教育”也起到相辅相成作用，使学生在课外科技活动上获得更好成绩。仅2010年，温州大学本学院电气类专业学生获得省级以上相关学科竞赛有：第七届“挑战杯”大学生创业计划竞赛国家金奖1项、省级获奖3项，全国嵌入式设计与开发总决赛二等奖3项，大学生程序设计部级获奖3项，浙江省大学生电子竞赛一等奖2项、二等奖1项、三等奖1项。在今后的教学和培养计划中，应注重综合性和实践性强的课程设置和教学设计，通过此类课程加强专业中各课程的联系性，通过学生的自主学习和独立探索，进行知识内化，完成知识的构建，使得学生的实践能力和创新能力得以进一步提高。

参考文献

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Teaching Design of Courses in Comprehensive Experiment Oriented to Electronic Majors

――Case Study of Practice Course of Robot

TONG Chang-FeiXU Yu

(College of Physics & Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou,Zhejiang 325035,China)

Abstract: Practice Course of Robot is introduced as a comprehensive experimental course oriented to electronic majors, which with the objective to enhance the connections in other courses, and result in development of the ability of practice and creativity for students. The concrete contents of learning situation are designed based on Constructivism to guide students to complete their own knowledge construction by self-study and independent exploration. The proposed teaching design achieves satisfactory effectiveness.

Keywords: constructivism; robot; embedded systems; learning situation design

*基金项目：浙江省教育科学规划项目(编号：SCG170)，温州大学重点实践教改项目(编号：09SJ02A)。

收稿日期：2011年1月4日