基于智能车竞赛的汽车传感器技术课程教学改革

赵奉奎 吕立亚

摘   要：针对当前汽车传感器技术课程理论性课堂教学与实践性实验教学相分离，实验教学不易拓展的问题，提出了结合全国大学生智能汽车竞赛，搭建使用灵活、运作高效的智能车实验教学平台的传感器教学、实验改革方案，课堂教学过程中利用智能车实验平台验证理论，在实验教学过程中学生通过自己安装传感器、编程处理传感器信号的方式锻炼实践能力。实践结果表明教学改革方案能够促进课堂教学与实验教学的有机融合，使学生对理论知识的掌握更加深入，实践能力得到了明显提高。

关键词：汽车传感器  智能车  教学改革

中图分类号：G642.0                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0199-03

Abstract： Theoretical teaching and experiments are usually implemented separately and the content of practice teaching is not expandable. To solve this problem， a theoretical teaching and experiments reform program for course of automobile sensor technique is proposed. This program builds intelligent cars as experimental platform based on the national university students intelligent cars race. It is believed that the developed experimental platform would be more flexible and high efficiency. The experimental platform， i.e.， the intelligent cars are used to verify the theoretical analytic results on the class. When doing experiments， students are required to install the sensors and process sensor signals on MCU by programming. Results demonstrate that the program promotes the combination of teaching and experiment， and makes the students have deeper understanding of the theories and enhanced practicing abilities.

Key Words： Automobile Sensor; Intelligent Car; Teaching Reform

随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，越来越多的传统的机械控制系统由电子控制系统代替。在此背景下，汽车电子方向成为车辆工程专业发展的重要方向，也是行业未来发展趋势，人才缺口巨大。汽车电子方向的学生除了需要掌握汽车构造、汽车理论等传统车辆工程的专业课外，还需要掌握汽车传感器技术、汽车电子控制技术、汽车电器与电子技术等课程。汽车传感器技术是汽车电器、电控系统的前端器件，是汽车电子控制系统的基础，因此对该课程知识的掌握非常关键。汽车传感器技术传统教学方式为课堂上进行理论教学，在实验室进行实验验证。在教学过程中存在一些继续解决的问题：（1）持续的知识讲解会使课堂枯燥乏味，学生的学习激情随着教学内容的深入而逐渐消退，学习兴趣下降，学习效果差;（2）实验设备体积大，课堂上无法直观的观察传感器信号，教学和实验分离，且台架上的传感器种类固定、数量少、综合性差，且台架试验方法固定，不能充分发挥学生的主观能动性;（3）实验课时少，不利于培养学生的动手能力和创新意识;（4）台架不适于加速度、角速度、距离等信号的测量。

全国大学生智能汽车竞赛是受教育部高等教育司委托，由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办、恩智浦（中国）管理有限公司协办的赛事，竞赛是以智能车为研究对象，面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动[1]。该竞赛以汽车电子为背景，在统一的汽车模型上，使用恩智浦半导体公司的微控制器作为核心控制模块，通过安装传感器、设计电机驱动电路、编写单片机程序，制作一个能够自主识别道路的智能车，按照规定路线行进，用时最短者获胜。

通过全国大学生智能汽车竞赛进行教学改革，可弥补传统课堂教学和实验教学的缺点，能够建立有效的理论和实践相结合的途径，提高学生分析解决问题的能力，培养学生的综合素质和创新精神。

1  汽车传感器技术教学改革方案概况

高等教育发展历程中形成的理性主义课程理念认为实践课程是为了让学生更好地理解和掌握理论知识。当前专业教材重视理论完整性、结构系统性、逻辑严密性和知识深度性，有助于学生尽快掌握基本的理论、概念、原理和原则，但却忽视了实践应用，不能很好地培养学生的实践能力[2]。汽车传感器技术，是一门理论性和实践性都非常强的课程，汽车传感器技术教材既要详细叙述传感器的工作原理，又要对传感器在汽车上的安装位置、输出信号类型和信号处理方法进行详细分析。例如MEMS角速度传感器大都利用哥氏力原理，教学过程中需要向学生详细解释哥氏力产生的原因和检测方法，进而分析角速度传感器输出信号类型。南京林业大学汽车与交通工程学院实验室有很多台架，可用于对传统汽车传感器进行测试，包括发动机控制系统所需的温度传感器、压力传感器、位置传感器、气体传感器、空气流量传感器等和底盘控制系统所需的车速传感器、转矩传感器等等，还研发了电动汽车再生制动台架[3]。近几年新型传感器在汽车上使用越来越多，如加速度计、陀螺仪、毫米波雷达、LiDAR和摄像头等，而这些传感器缺乏有效的实验平台供学生实践。因此，汽车传感器技术课程教學方式急需改革。

教學改革内容包括三部分，如图1所示。第一部分将实验室搬进教室，将课堂教学与实验教学相结合，建立课堂教学与实验教学的有效通道;第二部分对实验教学进行改革，设计传感器安装环节、传感器输出信号测试环节和基于单片机的传感器信号处理环节，给学生足够的空间发挥主观能动性，培养学生的创新能力;第三部分为课程扩展，学生技能训练过程中动手打造一辆智能车，设计信号采集电机控制电路，安装智能车并进行智能车调试。

2  汽车传感器技术教学改革方案实施

在教学课堂讲授理论知识的同时，进行新型传感器的部分实践活动，并深入实验教学改革，建立理论知识与实践知识的双向、互动关系，将理论知识与实践知识有机融合起来[4]。

2.1 智能车实验平台制作

车模是传感器安装、测试的平台，智能车比赛提供了多种车模，包括两轮直立车模，三轮车模和四轮车模。在车模上可安装的传感器种类较多，智能车主板需要为各种传感器留下大量接口，以备功能扩展。为此，以恩智浦单片机为控制器，设计通用的控制主板，控制主板包括传感器接口、电机驱动模块和舵机驱动模块和光电编码器接口。将通用的控制主板分别安装在两轮直立车模、三轮车模和四轮车模上，制作成智能车实验平台。

2.2 课堂教学与实验教学有机融合

传统教学方式在进行课堂教学时主要讲授理论知识，进行教学改革后，讲解传感器的工作原理和输出信号的类型及滤波放大处理方法，将装有传感器的智能车实验平台带进课堂，在课堂上利用示波器等设备展示随输入信号的变化传感器输出信号的变化，对理论知识进行验证。并讲解传感器信号在单片机中的处理过程，实现理论知识与实践知识的结合。

在深化实验教学体系改革方面，实验课上学生除了在台架上进行传统传感器的实验，也在智能车实验平台进行新型传感器的实验。学生在智能车上动手安装传感器，利用示波器观察传感器及各级信号处理电路的输出信号，并结合传感器工作原理分析传感器信号。之后进行单片机编程，实现传感器信号的模数转换、信号读取，通过蓝牙串口，将传感器数据发送至上位机进行观察记录。 智能车实验平台比台架试验更加灵活、自由，为学生提供了发挥主动能动性的空间，激发了学生学习的兴趣。

2.3 技能训练

课堂及实验课时有限，为了进一步锻炼学生的实践能力，在学期末的技能训练环节按照大学生智能车竞赛设置的组别和要求布置智能车设计任务，利用技能训练整合传感器技术、模拟电子技术、数字电子技术、EDA、自动控制原理和C语言等多门课程，实现多门课程的综合实践训练。基于智能车竞赛的技能训练有助于学生综合设计能力的提高和创新能力的培养，也为参加全国大学生智能汽车竞赛提前做好准备。

3  结语

针对当前汽车传感器技术课程课堂教学与实验教学相分离，台架实验内容不易拓展等问题，提出了基于智能车实验平台的传感器教学、实验改革方案。智能车实验平台使用灵活、运作高效，实践表明，教学改革后的汽车传感器技术课程有效融合了课堂教学和实验室教学，建立了理论知识与实践知识的双向、互动关系，改善了课堂教学和实验教学的效果，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的实践能力和综合设计能力。

参考文献

[1] 全国大学生智能汽车竞赛介绍[EB/OL].http：//smartcar.xujc.com/2018/0801/c5280a107641/page.htm，2019.

[2] 潘懋元，周群英.从高校分类的视角看应用型本科课程建设[J].中国大学教学，2009（3）：4-7.

[3] 吕立亚.电动汽车RBS与ABS集成控制研究[D].南京林业大学，2018.

[4] 郑琰，张骏，赵奉奎.物流工程专业应用型人才培养教学模式创新研究[J].科技创新导报，2017，14（20）：215-216.