新工科背景下的測控專業(yè)實踐教學(xué)改革

白 潔，湯曉君

（西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

引言

近年來，國內(nèi)各高校積極開展新工科建設(shè)，工程教育專業(yè)認(rèn)證工作也普遍展開，社會對專業(yè)人才培養(yǎng)的需求不斷提升［1］。按照西安交通大學(xué)定位，結(jié)合測控專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，要求畢業(yè)生具有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，能夠成為智能制造、信息、能源、電氣、環(huán)境、航空航天等領(lǐng)域與儀器科學(xué)相關(guān)的研究型和創(chuàng)新型人才［2］。通過對用人單位的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，畢業(yè)生的工作能力與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)是有差距的，尤其是工程實踐能力方面。因此，我們提出加強(qiáng)實踐活動，對每一實踐環(huán)節(jié)都要有系統(tǒng)的訓(xùn)練方案及實施流程。測控專業(yè)課程主要包括“傳感器原理”“測控電路”“智能儀器”“電氣測量技術(shù)”“儀器儀表”和“過程控制”等，教學(xué)內(nèi)容都是獨立的，課程實驗只是為了加強(qiáng)測控專業(yè)課程理論知識的理解和應(yīng)用，課程內(nèi)容之間的銜接過程卻被忽略了。這樣，學(xué)生的知識體系是割裂的，沒有形成完整的知識體系。筆者希望通過項目設(shè)計將各門課程的內(nèi)容進(jìn)行梳理和整合，使學(xué)生對測量系統(tǒng)有一個整體的把握，成為畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)的訓(xùn)練和預(yù)演。所以，項目設(shè)計環(huán)節(jié)起著承上啟下的作用，既集成和梳理各門課程內(nèi)容，又為畢業(yè)設(shè)計做準(zhǔn)備。

通過調(diào)研其他高校關(guān)于項目設(shè)計這一實踐環(huán)節(jié)的做法，總結(jié)經(jīng)驗與教訓(xùn)，結(jié)合學(xué)校測控專業(yè)的實際情況，我們對存在的問題進(jìn)行了深入的剖析。同時根據(jù)企業(yè)的需求，對現(xiàn)行的實踐教學(xué)模式進(jìn)行了改進(jìn)，采取了教學(xué)案例和項目驅(qū)動相結(jié)合的方式，既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，為其構(gòu)建了一個完整的知識體系，又注重培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，教學(xué)效果良好。

一、測控專業(yè)項目設(shè)計改革

分析要求和差距，將課程實驗、項目設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等實踐活動重新進(jìn)行了整合和規(guī)劃，梳理了每個實踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)和實施方法，既加強(qiáng)了學(xué)生的實踐能力，又增強(qiáng)了學(xué)生的社會責(zé)任感。

（一）改革目標(biāo)

1.增加思想政治教育內(nèi)容，將時政熱點融入選題當(dāng)中，積極引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀和價值觀，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心時事的意識和奉獻(xiàn)精神，增強(qiáng)社會責(zé)任感。

2.掌握完整的測量系統(tǒng)設(shè)計流程，學(xué)會總體方案及軟硬件設(shè)計，理解系統(tǒng)調(diào)試的功能，能對測試結(jié)果進(jìn)行評價，了解今后改進(jìn)的方向。

3.能夠發(fā)現(xiàn)問題、解決問題及舉一反三的能力。

（二）改革思路

學(xué)生自行決定項目的設(shè)計主題，查閱資料，并確定項目總體方案，實現(xiàn)軟硬件設(shè)計，最終經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試給出分析結(jié)果，驗證設(shè)計的有效性。在整個項目實施過程中，教師的任務(wù)就是引導(dǎo)學(xué)生細(xì)致地查找問題及處理問題，對于知識薄弱的地方給予耐心指導(dǎo)。

學(xué)生根據(jù)當(dāng)前社會熱點問題和現(xiàn)象進(jìn)行選題。比如：老人摔倒和走失等現(xiàn)象，讓學(xué)生更加了解社會，關(guān)心弱勢群體，體現(xiàn)正能量等。

（三）改革流程

整個項目設(shè)計的實施過程是閉環(huán)的，在設(shè)計過程中不管在哪一步出現(xiàn)問題，首先在該步中查找問題，如果查不出問題就返回上步或檢查設(shè)計方案是否合理，如圖1所示。

圖1 改革方案流程

二、實例

學(xué)生選題有2個路徑：一是教師根據(jù)自己的科研項目，從中提煉題目供學(xué)生選擇；二是學(xué)生自己根據(jù)社會需求和熱點確定題目?，F(xiàn)以測控17班項目設(shè)計為例說明改革的實施過程。

（一）項目設(shè)計選題

測控17班共有學(xué)生28名，其中選擇教師命題的學(xué)生有18名，自命題學(xué)生有10名。學(xué)生自己選擇題目，一般都是貼合社會熱點現(xiàn)象或自身涉及的問題。所以，選題就是發(fā)現(xiàn)問題，然后經(jīng)過實踐解決問題。學(xué)生在這其中提升了發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。比如，有2位學(xué)生關(guān)注到社會老齡化的問題。隨著空巢老人的家庭增多，老人的安全成了社會亟須解決的問題。這2位學(xué)生分別選擇了“老人跌倒”和“老人走失”的社會問題作為選題內(nèi)容，設(shè)計了基于單片機(jī)的“老人跌倒”和“老人走失”的報警系統(tǒng)，以實時監(jiān)測老人的狀況，發(fā)生危險情況時進(jìn)行報警。現(xiàn)以“老人跌倒”報警為例，說明項目實施的全過程。

學(xué)生在選定“老人跌倒”的題目后，必須回答這3個問題：“跌倒”是什么樣的體位？監(jiān)測體位的方法是什么？將監(jiān)測設(shè)備放在哪里合適？查閱相關(guān)資料，獲知目前跌倒監(jiān)測的方法大致分為三類：基于聲學(xué)、視頻和可穿戴式的跌倒監(jiān)測系統(tǒng)［3］。學(xué)生根據(jù)課堂學(xué)到的知識，結(jié)合自身能力，選用陀螺儀監(jiān)測人體傾斜角度，實現(xiàn)可穿戴式的跌倒監(jiān)測。該方法相對來說簡單易行，是課程內(nèi)容的擴(kuò)展。

（二）根據(jù)目標(biāo)設(shè)定，研究角度和加速度變化的算法

首先找到“摔倒”的評估方法，啟發(fā)學(xué)生觀察和體會人在跌倒時的體位。人跌倒，實質(zhì)上是人體從直立的狀態(tài)發(fā)生一個角度的傾斜，這個傾角既要大，變化速度又要快，才能判定為跌倒?fàn)顟B(tài)。綜合分析老年人日?；顒訝顟B(tài)，可以將傾斜角度和加速度的測量作為監(jiān)測跌倒的重要量化指標(biāo)［4］。

查閱相關(guān)元器件的手冊，選擇能測量角度和加速度的傳感器。通過分析其優(yōu)缺點，選取MPU 6050傳感器。該傳感器功能齊全，用法簡單，完全滿足測量需求。

（三）系統(tǒng)總體設(shè)計確定

對人體的各種姿態(tài)進(jìn)行觀察分析，找出常見的幾種跌倒方式的角度變化，確認(rèn)摔倒后報警。MPU 6050傳感器將采集的角度和加速度信息傳遞給單片機(jī)，進(jìn)行分析處理，判斷老人是否摔倒。同時，將處理結(jié)果經(jīng)過無線傳輸模塊傳送到上位機(jī)或手機(jī)中，實時顯示人體的狀況，發(fā)生異常時報警。系統(tǒng)的總體設(shè)計框如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框

（四）系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計。選用STM32F103單片機(jī)作為核心模塊，根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)，分析處理，判斷人體的姿態(tài)。傳感器選擇的MPU 6050傳感器模塊，是一種六軸傳感器模塊，能同時檢測三軸加速度、三軸陀螺儀（三軸角速度）的運(yùn)動數(shù)據(jù)及溫度數(shù)據(jù)，通過I2C總線傳輸給單片機(jī)［5］。無線傳輸模塊選用Zigbee，直接將人體姿態(tài)信息傳輸出去。同時設(shè)計了OLED顯示屏和串口調(diào)試助手，用于后期系統(tǒng)調(diào)試。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計。程序啟動后，首先要進(jìn)行單片機(jī)、傳感器、Zigbee模塊及存儲空間初始化。如果一切正常，就啟動MPU 6050傳感器模塊進(jìn)行角度和加速度的測量，將數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)中進(jìn)行處理，并將結(jié)果傳輸出去。如果結(jié)果異常，引發(fā)報警機(jī)制，其程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程

在項目設(shè)計過程中，硬件設(shè)備的選擇和軟件程序的編制都很重要，學(xué)生也很重視，80%的精力都花在這里，反而對系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析不重視，認(rèn)為設(shè)計完了也就結(jié)束了。系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析是判斷學(xué)生選擇方法是否有效的證明，要提醒學(xué)生務(wù)必重視起來。

三、系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析

人體姿態(tài)一般用前后（X方向）、左右（Y方向）、上下（Z方向）三個方向角表示。MPU 6050傳感器模塊可輸出俯仰角（X方向）、偏航角（Y方向）、橫滾角（Z方向）、加速度和溫度信息，通過俯仰角和橫滾角2個數(shù)據(jù)即可判定身體的姿態(tài)。俯仰角表示前后方向摔倒，橫滾角表示上下方向摔倒。

（一）系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試

系統(tǒng)上電后，如果一切正常，則在顯示屏上能夠看到MPU 6050傳感器模塊實時輸出的橫滾角、俯仰角、偏航角和溫度信息。沿著不同方向緩慢轉(zhuǎn)動MPU 6050傳感器模塊，蜂鳴器并未報警。快速大角度地晃動，蜂鳴器報警，表明系統(tǒng)運(yùn)行正常。MPU 6050傳感器的坐標(biāo)及方向示意如圖4所示。

圖4 MPU 6050 傳感器的坐標(biāo)及方向

（二）跌倒實驗測試

通過觀察發(fā)現(xiàn)，人體的跌倒動作是突發(fā)且劇烈的，作用時間非常短。經(jīng)過多次測試，本實驗設(shè)定人體跌倒的判斷依據(jù)在2秒內(nèi)，人體的橫滾角或俯仰角變化超過60°。

1.實驗設(shè)計。跌倒?fàn)顟B(tài)一般分為向左、向右、向前跪下，向前趴下，向后仰倒，向后坐倒等情況［6］。本次實驗將跌倒、站立、翻身、行走、彎腰、上下樓梯和坐下同時作為測試項目，用于判斷識別跌倒?fàn)顟B(tài)的準(zhǔn)確率。

2.實驗測試結(jié)果與分析。將裝置放在腰間，模擬老人動作，分別重復(fù)站立、翻身、坐下、行走、彎腰和上下樓梯等各20次，以不同方向和不同姿勢跌倒20次，記錄每個動作識別的準(zhǔn)確率。從計算結(jié)果看，各種動作的識別準(zhǔn)確率是不同的。對于各種形態(tài)的跌倒測試，識別準(zhǔn)確率高達(dá)90%，說明該裝置基本能夠?qū)⒌惯@一狀態(tài)檢測出來。對于其他動作識別情況分析如下：（1）站立動作：靜止的狀態(tài)，其準(zhǔn)確率達(dá)到100%，能夠被準(zhǔn)確地識別出來；（2）翻身和坐下動作：一般動作比較緩慢，但也存在動作過大的情況，準(zhǔn)確率為80%；（3）行走和上下樓梯：老人行走和上樓梯的識別率也較高，識別率為90%，下樓梯時產(chǎn)生的沖擊力較大，容易晃動，識別率為60%，今后在該動作上需要進(jìn)行改進(jìn)；（4）彎腰和慢跑動作：這2個動作識別率為60%，主要是彎腰在姿態(tài)上與向前跌倒十分相似，差別在于行動的速度，這是避免誤判的關(guān)鍵。

3.需要改進(jìn)的方面。學(xué)生通過軟硬件設(shè)計及調(diào)試，最終實現(xiàn)了“老人摔倒”報警這一基本功能，但整個系統(tǒng)并不完善，需要進(jìn)一步改進(jìn)。（1）MPU 6050傳感器模塊在采集傾斜角度時會發(fā)生零點漂移，導(dǎo)致出現(xiàn)誤差累計的問題；（2）測試裝置放在被檢測者的腰部是否合適，還有待進(jìn)一步的測試；（3）通過Zigbee將處理結(jié)果上傳到上位機(jī)乃至手機(jī)，由于時間關(guān)系，最終沒有實現(xiàn)。

結(jié)語

學(xué)生經(jīng)過項目選題、軟硬件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析等步驟的訓(xùn)練后，實踐能力都有所提升，特別是在項目選題時，關(guān)注社會熱點問題，能夠認(rèn)真思考，想辦法解決問題。這對于個人和社會都具有意義，也是思想政治教育的切入點。

在項目實施過程中，學(xué)生選擇感興趣的題目，遇到困難也能主動尋找解決辦法。當(dāng)然，也會存在不足。比如：在搭建硬件電路過程中，不熟悉元器件的手冊，不會根據(jù)應(yīng)用場合選擇合適的元器件；在軟件設(shè)計方面，程序書寫不嚴(yán)謹(jǐn)，可讀性弱；在撰寫項目完結(jié)報告時，不懂得詳略得當(dāng)，尤其是參考文獻(xiàn)書寫格式不規(guī)范等。這些不足之處，將是下一步實踐教學(xué)改革的重點方向。

對于項目設(shè)計的實踐活動，要允許學(xué)生出錯，積極尋找答案。這是自我完善的過程，也是學(xué)習(xí)的最好狀態(tài)和方式。學(xué)生的實踐活動是一個閉環(huán)過程，只有不斷試錯、不斷改進(jìn)，才能培養(yǎng)學(xué)生正確對待困難的態(tài)度，正確認(rèn)識自己，充滿信心，具有責(zé)任擔(dān)當(dāng)，為進(jìn)入社會打下堅實的基礎(chǔ)。