基于电子设计竞赛导向的自动化专业教学改革

徐 鹏，周 鹏，万文略，张 莲

基于电子设计竞赛导向的自动化专业教学改革

徐 鹏，周 鹏，万文略，张 莲

（重庆理工大学电气与电子工程学院自动化系，重庆400054）

在分析全国大学生电子设计竞赛中“控制系统类”题目的基础上，结合自动化专业特点，对专业理论教学体系内容及实践教学方式的改革进行了研讨，并提出相应的对策，力图以竞赛促进创新教育，以求进一步构建电子设计竞赛与专业教学的良性循环，提升学生的专业综合实践能力。

电子设计；控制类；自动化；理论教学；实践教学

全国大学生电子设计竞赛是教育部与信息产业部共同举办的与教学改革实践紧密结合的四项科技竞赛之一。举办竞赛的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［1－2］。

经过数十年的发展，大学生电子设计竞赛逐渐形成了多层次（省市级与国家级）和多学科（电子、通信、电气及控制等）的格局。回顾历届电子设计竞赛题目，其主要类型有电源类、放大器类、仪器仪表类、控制类、数据采集与处理类等。其中，与“控制系统设计”相关的题目涉及复杂系统的控制问题，不再局限于单输入单输出的系统，出现了多变量强耦合系统，对大学生设计控制系统的能力提出了更高的要求。在“以赛促教、以赛促学、以赛促建、以赛促改”［3］的基本思想下，笔者分析了电子竞赛历年“控制系统类”题目内涵及参赛学生在设计过程中出现的相关问题，旨在以此推进我院自动化专业教育教学改革的进程，提高学生设计控制系统的能力，引导大学生科技创新活动向更加专业化方向发展。

1 电子设计竞赛“控制系统类”赛题分析

从1997年至今，几乎每届电子设计竞赛都有“控制系统类”的题目，如表1所示。从这些题目可以明显看出，控制系统所涉及的对象越来越复杂，出现了多输入多输出对象，如四旋翼飞行器，其控制难度大幅度提高，对学生设计控制系统的能力提出了更高的要求。“控制系统类”题目知识覆盖面广泛，涉及许多相关领域的新技术应用，参赛学生只有综合运用所学到的知识，才能完成设计任务。同时，所有设计工作需由参赛的3位队员在较短时间（4天3夜）内完成，不仅是对竞赛学生团队综合能力的全面检验，也是对高等院校电气自动化类专业教育教学质量的检验。

表1 全国电子设计竞赛（本科组）“控制系统类”题目（1997—2015）［4］

2 参赛学生存在的问题分析

（以重庆理工大学为例）

2．1 缺乏机构装置制作能力

“控制系统类”题目往往需要进行机构装置的设计与制作，其设计和制作质量的水平对后期控制目标的达成起着至关重要的影响。自动化专业的同学往往将注意力放在狭义控制系统（MUC和传感器）构建上，而忽视了这方面的能力训练，导致构建的机构系统具有本质难控性，甚至出现某些参赛队伍因为机构装置上的失误而直接退赛的情况。

2．2 控制问题分析与解决能力薄弱

由于竞赛的时间较短，对于构建好的机构装置（含MCU和传感器），参赛队员往往立即着手编写控制程序算法，而对机构装置的本质特性缺乏仔细的研究与分析。一旦出现难于控制的情况，也只能简单地调整控制器参数。对于系统控制问题，多数参赛学生无法从系统模型入手提出相应的控制目标的实现方法。

2．3 专业科技英语能力差

无论是平时培训还是竞赛都会用到新的元器件，这些元器件说明文本往往都是英文的，许多同学对这些英文文档的专业词汇理解起来非常吃力，专业英语的阅读成为某些学生一道难以逾越的屏障。

电子设计竞赛中参赛学生暴露的问题，充分说明原有的教学计划及模式存在一定的问题，无法满足对学生创新实践能力培养的要求，自动化专业的教学改革势在必行。

3 专业核心课程的教学实践改革对策

3．1 现状和问题

基于信息物理融合系统的智能化，促进产业变革的“工业4．0”时代已经到来，按照《中国制造2025》中对自动化技术提出的新要求，改革自动化专业人才培养模式，是自动化专业教育教学改革的当务之急［5］。以重庆理工大学自动化专业为例，经过长期实践，已基本形成“控制理论—控制器—被控对象”这一完整的教学实践体系结构，并在“控制器—被控对象”环节中加强课程设计实践教育，有力促进了学生工程实践能力的培养。但从近几届电子竞赛“控制设计”类试题看，其知识面主要覆盖微处理器、传感器及控制理论等多个专业领域，且设计指标要求高，而现有教学计划中，基础教材的深度和广度已不能适应电子设计竞赛和工程应用实践的要求。因此，需要进行更进一步的教学改革。

3．2 以32位微控制器为核心内容重构单片机课程体系

目前，自动化专业的单片机原理及应用课程内容主要是围绕8位的51单片机来展开的。而51单片机在运算速度和外设接口扩展性方面，已无法适应复杂控制系统设计的要求，这一点在电子设计竞赛及其他创新项目中也得到了充分的证实。因此，在该课程中应考虑对32位单片机进行适当的讲解。在目前修订后的教学大纲中，该课程的48学时均设计为实践课程。教学过程中51单片机采用仿真软件（Proteus等）能有效提高教学进程，并且学生可以充分利用课余时间完成最小系统的构建及程序设计等相关环节。而对于32位单片机，可以考虑利用现有的开发板或核心板进行教学。因此，在该课程中涵盖这两类芯片的教学方案是完全可行的。同时，考虑通过3～5年的教学实践完全过渡到32位单片机教学。

3．3 加强对学生计算机控制技术应用能力的培养

计算机控制技术课程多采用理论为主、实验为辅的教学模式，往往会出现重理论轻实践的状况。同时，计算机控制技术如果没有经过丰富的实践，学生也很难深刻理解和掌握相关内容。因此，该课程建设过程中可考虑分配更多的实践学时，在实践过程中指导学生构建一个简单控制系统并进行相应的数字PID调节器设计，使学生具备基本的微机接口设计、数据采集处理及数字控制设计等能力。同时，该实践环节又能有效支撑前修课程单片机原理及应用。

3．4 构建面向对象的控制系统仿真课程教学模式

电子设计竞赛暴露出学生在构建控制系统过程中，系统分析和算法设计能力偏弱的问题，他们对仿真软件的使用还停留在数据处理的初级阶段。因此，在控制系统仿真课程教学改革中，需要加强对学生的控制系统分析和算法设计能力的培养。在原有控制系统仿真课程中，往往前期花较多课时介绍Matlab软件中的控制系统基本句法操作；后续的实践过程主要集中在具体理论的仿真实现，而缺少针对具体系统的仿真分析与算法设计的相应内容。目前，在自动控制原理课程使用的教材中都有相应环节的仿真句法。同时，该课程也安排有相应的实验环节，可以解决基本的单输入单输出系统的仿真构建。因此，在控制系统仿真课程中，应设计针对具体系统的模型分析、仿真构建和算法设计等环节。例如，考虑在教学过程中指导学生构建单摆系统稳摆过程仿真系统（单输入单输出系统）和四旋翼飞行器仿真系统（多输入多输出系统）；进一步结合硬件在环仿真系统（dSPACE，RT－Lab等）中构建几个系统半实物仿真实验平台，不仅能用于仿真类课程教学，还能有效支撑后续实践教学环节。

此外，上述课程教学实践环节中，需要查阅一些英文技术手册及英文资料。在课程教学中，可以通过课堂讲解和课后自学的方式使学生掌握相关的专业术语，提高学生查阅外文资料的能力。

4 专业集中实践环节的改革对策

4．1 构建“贯通性”集中实践教育环节

通过集中实践环节，能将核心骨干课程进行有效的综合，以培养学生综合分析和设计的能力。计算机控制技术和自动化工程课程设计均为自动化专业必修的集中实践环节。由于两门实践课程具有一定的承接性，在前期的教学实践中往往考虑将两门实践项目内容进行独立设计，没有对后期毕业设计的任务要求进行考虑，甚至出现三个实践环节的题目完全不具备相关性的现象，这势必影响对学生创新实践能力的培养。由于三个实践环节的课题内容有一定的连贯性，所以参加毕业设计指导的老师均应参与前两个实践环节，结合自己的科研专长针对每个学生特点拟订课题或方向。学生在开始进行集中实践前进行课题选择，指导教师结合课题需要设置分层次教学要求。

以电机调速系统为例，在计算机控制技术课程设计中，可考虑设计直流电机单闭环调试系统这样的简单控制系统，在自动化工程课程设计中。可以设计具体运动机构的控制系统并实现简单控制任务，如小车巡线和自平衡小车等。经过两个集中环节，学生对电机调速系统和运动机构工作特点就能产生较为深刻的认识。在“毕业设计”环节，可以考虑就前期构建的系统提出更高的控制要求，或者更换控制电机，如同步电机，设计控制系统并实现相应的控制目标。通过设定连贯性的实践环节课题内容，使学生对某一领域的控制问题得到充分的实践锻炼。同时，也能加深对该控制系统的理解，进而提高自身的创新实践能力。

4．2 建立“集中－分散”式实践教育模式

专业课程设计实践教育环节，要求学生在“规定的时间和规定的地点”完成相应的设计任务，现在的做法是每班指定两位教师完成题目设计及相应指导工作，其教育方式显然不适合“三环节项目内容连贯性”模式的要求。同时，在“贯通性”模式下，鼓励系里的所有老师参与指导，并针对每个学生进行题目设计。但要求全体参与老师在集中实践的工作时间内连续到教室进行指导，显然是不合适的，也无法实现。因此，需要对原有集中实践教学模式进行一定的调整。

首先，在集中实践环节需安排一定数量的值班老师，保证学生进行实践的过程相对集中，这既能检查学生的出勤情况，又能给予学生一定的课题指导。同时，结合每位指导教师的工作时间安排一定的分散指导学时，以便指导老师有针对性地进行“一对一”的检查指导，以保证学生实践课题的顺利进行。在实践环节结束时，组织考评小组对学生完成的实践项目进行验收答辩，并对学生进行综合考评。“集中—分散”模式在专业课程设计实践教学过程中能有效兼顾共性和个性，有效调动指导教师和学生的参与积极性，有效支撑后续的毕业设计实践环节。

5 结束语

全国大学生电子设计竞赛不仅对自动化专业理论和实践的教学改革指明了方向，而且对自动化专业的创新人才培养起到了极大的促进作用。高校应当以竞赛为契机，不断深化理论和实践教学改革，实现高质量的教学效果，以培养出更多高素质的专业创新人才。

［1］ 杨民生，伍宗富，任艳惠．以电子设计竞赛促进自动化实践教学改革研究［J］．教育教学论坛，2012（34）：123－124．

［2］ 朱颖莉．以竞赛为契机推进教学改革——从全国大学生电子设计竞赛谈电子信息类专业教学改革的推进［J］．科技信息（学术研究），2008（5）：340－341．

［3］ 王延盛，姜颖，何琳锋，等．结合技能竞赛，创新“赛训一体”特色教学方法——以电气自动化技术专业为例［J］．天津职业院校联合学报，2016（1）：22－26．

［4］ 张奇，柴钰．面向电子设计竞赛的控制系统设计实践教学研究［J］．工业和信息化教育，2015（10）：83－87．

［5］ 吴晓蓓．《中国制造2025》与自动化专业人才培养［J］．中国大学教学，2015（8）：9－11．

A Study on the Teaching Reform for the Major of Automation Based on the National Undergraduate Electronic Design Contest

XU Peng，ZHOU Peng，WANWenlue，ZHANG Lian
（School of Electrical and Electronic Engineering of Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，P．R．China）

Based on the analysis of the“control-related type”problems in the National Undergraduate Electronic Design Contest，in combination with the characteristics of themajor of automation，this paper probes into the reform of both the contentof the specialized theoretical teaching system and themode of the practical teaching aswell as presenting relevant solutions to promote the innovation education with the contest，further build a positive cycle between the contest and the specialized teaching，and enhance the students'professional ability in comprehensive practice．

electronic design；control-related type；automation；theoretical teaching；practical teaching

G712

A

1008-8032（2017）02-0007-03

2016－12－26

徐 鹏（1978－），工学博士，副教授，研究方向为电气系统智能控制技术及机器人控制技术。