新工科视域下“汽车单片机与接口技术”课程实验设计与实践

李欢

天津中德应用技术大学汽车系 天津市 300350

2017 年以来，教育部积极推进新工科建设，随后的“三部曲”——“复旦共识”“天大行动”及“北京指南”奏响了人才培养主旋律，开拓了工程教育改革新路径[1]，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式。随着新一轮产业变革和科技革命，5G 技术、大数据技术、云计算技术、人工智能等现代信息技术不断深入制造业、服务业等多个社会领域，应对以上变化，培养具备专业基础扎实、实践能力强、创新意识强、工程素养高等素养的复合型人才是适应新时代发展变化的需要。实践能力培养是工程技术类专业人才培养过程中的关键环节。实践教学体系中重要组成部分是实验技术教学与实施，实验课程实施与效果对于提高人才自主培养质量起到重要作用。

汽车单片机与接口技术是天津中德应用技术大学车辆工程专业的专业基础课程，是一门实践性、综合性、应用性很强的课程。学生通过单片机硬件结构和工作原理、单片机开发工具应用、单片机程序设计、接口技术、单片机中断、定时系统、及串行数据通信等内容的学习，不仅能够掌握单片机应用系统设计和开发的基本技能，而且能使学生深入理解汽车电控单元ECU 的系统结构及其工作过程；能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程软件、工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性[2]，培养工程规范意识，提高工程素养与实践创新能力，为后续课程汽车电子控制技术、电动汽车驱动及控制技术学习和从事工程技术工作奠定坚实的基础。

“汽车单片机与接口技术”相关课程大多数实验室配置的是单片机实验箱和实验套件等设备，可以完成汽车继电器、灯光点阵、直流电机控制等模块的实验验证，在实验指导书与实验工单指导下，学生进行电路连接，编写、下载程序，验证模块功能。但由于功能模块已经封装，学生无法看到内部电路结构，且各个功能模块之间相对独立，无法体现系统性，无法构成完整的工程项目，难以从全方位考核学生技术技能水平。

针对上述问题，本文设计一个综合实验项目，由几个前后衔接的子项目组成，学生完成子项目后，即可组合成综合实验项目，有效解决上述问题，学生可以深入理解单片机应用，培养学生质量意识和创新精神，提升职业素养和规范，有利于开展后续控制类课程的学习和毕业设计、实习就业等相关专业工作。因此，开展新工科背景下《汽车单片机与接口技术》课程实验设计与实践研究，探索了新时代下人才培养体系的构建，落实了教育立德树人的根本任务，课程建设力争达到“两性一度”的金课建设标准，促进学生自主学习、终身学习、多样化成才，全面提高人才自主培养质量。

1 实验内容开发与实施

1.1 实验内容开发

天津中德应用技术大学的“汽车单片机与接口技术”课程实验包含汽车单片机实验与接口技术实验两部分，本文以汽车单片机部分为例进行阐述。在三届学生教学实践与改革的基础上，课程建设团队初步探索出了以“发布实际任务、开展模块训练、实现模块集成”为核心的设计思路，即实验最终目标是将工程化任务的思想融入到教学中，完成模块化实验项目的综合集成，经过模块训练与知识点整合，模块训练内容按照独立实验任务进行划分，单独完成编程、开发与调试，最后进行模块集成，实现最终实验目标的连接、调试。

以双向可控DC-DC 控制器为载体，实验包含了BUCK-BOOST 主电路、辅助电源、驱动电路、信号调理电路、STM32F334 主控电路(DSP 主控电路)以及OLED 驱动电路构成设计与实现6 个实验项目。实验应用了A/D 转换、串口通信、蜂鸣器等，由基础验证实验引入到综合设计实验，完成了双向可控DC-DC 控制器的设计与制作。实验过程按照程序编写、虚拟仿真、硬件制作的步骤进行；任务考核为模块集成，综合以上6 个实验成果，完成双向可控DC-DC 控制器的安装与调试，实现能量的双向流动，还能在同一方向实现升降压功能。实验项目包含模块化实验与集成综合实验的不同层级，构建由独立模块到集成化项目体系。

1.2 实验实施思路

《汽车单片机与接口技术》单片机部分实验由基础验证实验渐入到综合设计，实验过程由理论学习、任务分析、电路设计、仿真验证、硬件制作、集成调试等部分组成，学生全程参与了双向可控DC-DC 控制器的设计、制作，实现了实验项目关联性，同时由于各个模块实验完成后，可集成为完成产品，使得课程评价有了载体，激发了学生学习兴趣，培养了学生团队合作精神，树立了工程意识，工程实践能力得到增强。实验在设计过程中要考虑以下内容：

1）通过实验任务选择、教学设计与课程实施，挖掘实验教学内容中的思政元素，培养学生具有团队意识、协作精神，提升语言文字表达和交流能力，进入工作岗位后，能够迅速成长为业务骨干，发挥重要作用。

2）通过“实践+虚拟”融合与“模块+集成”结合的教学模式，认真实施课堂实验项目，积极开展教育信息化建设，借助信息化教学资源平台开展课前自学和实验准备，以虚拟实验室为补充，规范、高效地进行电路设计、仿真验证、硬件制作、集成调试等。

3）实验实施前，通过学习通发布该项目预习题目，了解学生理论知识和实验技术掌握情况，动态调整实验项目时间，实时获取学生实验效果与实验进度，对进度落后小组进行针对性辅导。

4）基于工作过程系统化设计实验项目，通过项目模块化、设计与仿真验证、硬件制作与集成调试等，使学生拥有再学习和再完善能力，能够通过工程实践，强化训练职业技能和专业就业能力，持续提高专业素养和自身素质。

5）强化实验的过程性评价。对于各个模块实验项目，评价内容主要为课程出勤、实验表现、过程表现与结果评价等。对于模块集成实验，每个需要实验团队完成设计报告、过程与功能验证工作报告，同时录制短视频，对产品进行介绍。

2 课程实验具体项目

根据实验结构与实验综合评价体系，模块化实验含有6 个实验模块。实验 1-实验6为模块化实验部分，每个模块实验完成后即可对应综合实验的相应能力，这6 个实验模块完成后，集成为一体，进行集成、调试实验。综合实验既是必做实验，也作为综合考核重要载体，考量学生实验技能掌握程度。

2.1 模块化实验

模块化实验部分包括BUCK-BOOST 主电路、辅助电源、驱动电路、信号调理电路、STM32F334 主控电路(DSP 主控电路)以及OLED 驱动电路构成设计与实现6 个实验项目，实验内容均包含了程序编写、虚拟仿真、硬件制作3个层面；程序编写是在理论讲授时，以例题和习题的形式学习完成，主要是对单片机程序的学习和练习；虚拟仿真部分和电路板绘制在实验实训室中由学生分组完成，主要完成虚拟实验平台程序仿真和电路绘制；硬件制作过程以课后作业形式完成。

综合实验项目是在模块实验完成后，以课程设计（大作业）的形式完成，集成了6个模块实验的成果，利用实验室开放等形式，学生课后完成，并撰写实验报告。完成双向可控DC-DC 控制器的安装与调试，实现能量的双向流动，还能在同一方向实现升降压功能。

2.2 综合实验

2.2.1 设计要求

集成设计一个双向可控DC-DC控制器，可实现能量的双向流动，还能在同一方向实现升降压功能。具体实验要求如下：

1.系统参数要求

1）输入电压的范围是12-48V，输出电压的范围是0-48V；

2）输出电流具体参数为额定电流为8A，最大电流为11.5A；

3）额定功率为250W，加强冷风扇条件下最大功率为350W；

4）最大效率为95%；

5）稳压精度为5%-8%；

6）开关频率为100-200KHz，高频率驱动设计，能够支持更小的电感电容、减小板子尺寸，提高功率密度比；

2.功能要求：双向可控DC-DC 控制器不仅能实现能量的双向流动，还能在同一方向实现升降压功能，同时具备运行、故障等状态指示，输入欠压、过压保护、输出过压、过流保护等功能。

2.2.2 设计方案

分析上述要求，可以确定双向可控DC-DC 控制器由主电路、辅助电源、驱动电路、信号调理电路、主控电路(DSP 主控电路)以及OLED 驱动电路等六部分组成。

本设计采用STM32F334 作为主控芯片，利用F334 的HRPWM 模块产生所需PWM，通过UCC27211 驱动器驱动MOS管；通过信号调理电路和ADC 模块采集输入电压、输出电压、输出电流等信号，并利用采集的信号进行运算控制，以达到恒压恒流输出的目的[3]。辅助电源采用XL7005A、AMS1117-3.0 分别变换产生12V、3.3V 两路电源，并为MOS 驱动电路、信号调理电路、OLED 驱动电路、主控芯片供电；OLED 显示系统的工作状态、输出电压、输出电流等信息。

2.2.3 设计思路

根据实验设计方案，形成设计思路。不同的设计方案均可实现实验效果，同时不同实验设备和器件也可以应用到同一实验中。能够实现能量双向流动功能电路拓扑有很多种，同步BUCK 电路可以是正向降压反向升压的双向DC-DC 变换器，同步BOOST 电路亦是如此；本设计中采用同步BUCK 电路和同步BOOST 电路级联而成的同步整流BUCK-BOOST 电路拓扑，该拓扑结构简单，易于控制。通过模块实验和综合实验的结合，实现课程实验与工程应用有机衔接，培养学生动手能力的同时，促进学生创新能力和工程职业素养的提升。

3 实验教学的实施

3.1 实验过程

实验过程采用实践与虚拟融合、模块与集成结合的教学模式完成实验教学，具体包括了实验任务发布、模块化实验、集成综合实验与实验总结、报告等部分。

3.1.1 实验任务发布

教师通过数字化教学资源平台（学习通、虚拟实验室、UMU 线上课程平台）发布实验项目课前资讯、课程安排、学习工单、考核方案与实验注意事项等，推送实验内容中易于理解便于自学掌握的知识点，以视频、动画、图片为主，学生在课前自学环节阶段，视频学习可以提高学生学习效率，激发学生学习兴趣。通过线上自学和测试，了解相关知识点的掌握情况，并以此为依据及时调整教学方案，为教学难点的突破提供更多的学时。在实验项目开始前，教师布置学习任务，提供参考资料，确定学习小组。学生通过小组的分工和协作，共同完成学习任务的资料收集。

3.1.2 模块化实验

1.程序编写

学生完成资料收集和整理，讨论分析单片机控制应用场景，在教师引导下，提出了多个与课程内容相关的工程问题，初步分析总结了相关控制原理。课上教师选择典型控制场景，以例题和习题的形式完成学习，学生分组观察工作过程，对比控制信号，分析工作原理，共同完成控制程序编译。

2.虚拟仿真

虚拟仿真部分和电路板绘制在实验实训室中由学生分组完成。利用KEIL 软件仿真平台开展教学，仿真平台的使用不仅可以提高教学效率还可以降低教学成本；利用DPFlash 软件和单片机综合仿真实验仪，更好地展示单片机控制电路引脚结构、工作过程；使用Proteus 仿真软件建立虚拟的单片机硬件电路。完成硬件设计和软件设计后，进行软硬件调试和功能效果验证。

3.硬件制作

硬件制作过程以课后作业形式完成，应用PowerPCB 软件进行印制电路板的设计，完成电路板元件收集、电路板制作与测试。

3.1.3 集成综合实验

集成综合实验通过开放实验室的形式学生自主完成。该实验集成了6 个模块实验的成果，利用实验室开放等形式，学生课后完成，并撰写实验报告。完成双向可控DC-DC控制器的安装与调试，实现能量的双向流动，还能在同一方向实现升降压功能。

提升大家学习积极性，引导大家进行完整的电子系统工程项目实践，包括为学生参加创新大赛、学科竞赛、技能竞赛奠定良好的实践基础。培养学生学以致用的创新能力，引导学生结合单元作业的研究成果，拓展科技创新项目

3.1.4 实验报告

学生模块实验项目完成后，结合实验数据处理方法，完成体现实验过程、方法、结果的实验报告，提交书面报告，并辅以视频与照片等附件材料，进行展示汇报，小组互评、教师点评，确定单元任务成绩。

3.1.5 考核与持续改进

教师监控学生实验过程，记录学生出勤情况，评阅学生的实验报告，增加过程考核，提高学生的学习积极性。采用“任务自学+课程出勤+实验表现+实验评价+综合测试”的方式。模块化实验项目评价和集成综合实验项目评价共同组成了实验评价部分，合理设置综合实验项目的考核权重。根据学生实验过程和理论知识掌握情况，课程小组持续改进教学设计与实施过程，提高课程教学质量。

采用翻转课堂教学方式，将学生自主学习部分的考核比例加大，促进学生自主学习主动性，为课堂教学奠定基础。

实验表现主要评价学生实验操作过程规范性和创新性，通过评价同学们的实验表现，实现全过程评价，检验任务自学的成效。同时，借助多样化评价方式，活跃实验氛围、良好的课堂环境。

3.2 实验实施

实验以汽车单片机应用为导向，以A/D转换、串口通信、蜂鸣器等内容为基础，通过模块化实验（程序编写、虚拟仿真、硬件制作）、集成综合实验等多层次多角度的教学实施，完成了汽车单片机的程序编写、虚拟仿真、综合集成等项目的教学。

4 结束语

本文基于新工科背景下，针对“汽车单片机与接口技术”课程实验内容设计与实施研究，提出了“发布实际任务、开展模块训练、实现模块集成”的设计思路，设计了包含模块化实验（程序编写、虚拟仿真、硬件制作）、集成综合实验等多层次多角度实验结构，以设计双向可控DC-DC 控制器为综合实验载体，将虚拟仿真软件、编程软件等融入到实验教学过程中，再现了从单片机到具体设备的电路设计、程序编写、虚拟仿真和硬件制作、调试等过程。

实验内容有效地结合了实验教学与现代控制技术，突出了实验课程的高阶性、创新性与挑战度，形成了“实践+虚拟”融合与“模块+集成”结合的汽车单片机实验体系。实验过程将实验室教学与现代信息技术相融合，在有限课堂教学期间，拓宽学生学习的空间和时间，提升课堂转化效率。学生经过实验课程训练，完成省部级大学生创新创业训练计划项目1 项，获得国家级专业竞赛二等奖2项，教学实践表明，实验教学改革对学生工程实践与创新能力的培养有重要的意义。