李党超 王明伟 杨 荣

(西安交通大学 实践教学中心， 西安 710049)

近年来，教育部关于高等教育提出了一系列新的要求，要求各个高校建好一流专业，建强一流课程，建优一流拔尖创新人才培养基地，不断推出各项育人计划、“四新”建设要求等，发布了“关于加强基础学科人才培养的指导意见”“卓越工程师”等各类意见及计划。面对这种紧迫的培养要求，各个高校都在不断尝试各种教育改革，西安交通大学历来重视学生的综合能力培养，特别是对学生实践能力的培养。为了契合新时代人才培养的各项要求，在对本科生进行实践课程培养的过程中，需要授课教师不断识别新需求，回应新需要，主动求变革[1]。在西安交通大学本科生实践教学过程中，开展了一项机电结合的综合实验，该实验寓教于乐，利用生活中熟悉的场景贴近学生，易于激发学生的学习热情和兴趣，具有良好的实验效果，对培养学生的综合实践能力具有很好的作用。

1 实验训练装置构成

实验装置由机械运动组件、电子控制平台和多源模拟目标三部分组成。

1.1 机械运动组件

机械运动组件由垂直运动导轨(含运动滑块)和水平丝杠组成，垂直导轨和水平丝杠均由步进电机进行驱动，二者相互配合实现水平和垂直两个方向的机械运动，实现简易的二维运动。

1.2 电子控制平台

为了拓展训练手段，实现控制的多样性，实验选择目前业界常用的两种控制平台，分别是STM32嵌入式平台和SPARTAN6系列的FPGA平台[2]。前者以C语言为主要训练对象，STM32继承了多种常用的硬件资源，定时器、外围IO接口等非常丰富；后者以硬件描述语言(VHDL或Verilog)为主要训练对象，XILINX公司推出的SPARTAN系列FPGA具有性价比高的特点，内部逻辑资源充足，常用IP核等实用性很高，两种硬件平台各有特点，均能够实现相应的目标控制。

1.3 多源模拟目标

实验中以白色背景墙或白板作为目标放置支撑，选取不同颜色，形状的磁扣等形式，能够自主吸附在白板或贴在背景墙上即可，作为整个实验的模拟目标。

图1 垂直导轨和滑块

图2 丝杠

图3 FPGA和STM32 控制平台

模拟目标选择拓展性较大，可以进行比较丰富的扩展，比如可以使用动物图案，汽车，飞机等其他图形图像作为训练对象，选择原则一般以贴近学生生活，提升实验趣味性，扩展学生视野为主。

图4 装置整体实物图

2 实验原理及设计

该实验设计为三个训练层次，分别是基础训练，拓展训练和综合训练。三个层次的实验难度，知识点，需要解决的问题都是逐级提高增多，体现出一定的差异性，可以适应不同层次学生的训练需求。

2.1 基础训练实验

该部分实验以学生识别控制对象，了解控制对象的基本构成，基本控制原理为主要目标，为后续实验奠定知识和技能基础。

(1)简单运动控制，以步进电机的运行控制为主，主要掌握步进电机的接口，控制原理，速度控制等内容。

图5 电机及驱动器

图6 电机驱动流程图

(2)拍照实验(摄像头控制)，实验中用的摄像头型号为OV7670，通过它能够进行图像的拍摄获取，主要控制难点在于理解相关的行信号，场信号的时序输出。

图7 OV7670摄像头控制框图

(3)照片显示实验(LCD显示屏控制)等，该实验将图像获取和图像显示结合起来，并通过LCD屏幕进行显示，需要用到显示屏、存储器等相关外设，相应的程序流程图如图8所示。

图8 照片显示程序流程图

2.2 拓展训练实验

该部分实验内容在基本实验的基础上，将各个独立控制模块进行综合，建立各个模块之间的控制联系，完成初步视觉控制和较为精细的运动控制，实验设计目标以完成复合功能为主，比如结合摄像头(OV7670)和显示屏(LCD)实现自拍照片和照片显示实验；结合摄像头和运动部件完成目标锁定及拍照实验等，如图9所示。该部分主要知识点集中在联动控制，通过摄像头识别目标，反馈参数，进行电机运动的控制，并能够实现相应的加速，减速运动，相关流程图如图10所示。

2.3 创新综合训练实验

创新综合训练内容对实验的性能提出更高要求，可以实现目标识别及跟踪，突出整个训练的难度和综合性[3]，也可进行算法调研和实现的拓展。比如要求系统在限定时间内完成单个目标识别，多个目标识别；或者在限定时间内完成单个、多个目标跟踪。因此，实验难度可以进行自由设置。

图9 实验示意

图10 目标识别跟踪流程图

同时利用视觉识别技术，可以拓展目标识别的种类，比如实现趣味图形，物体图形等创新综合实验。

重点关注的技能及知识点在于主要外设的初始化，比如相关按键，摄像头，存储器，LCD显示器等，学生需要完成相应的程序配置，主要流程图如图11所示。此外，在进行目标识别时，背景板上的磁扣目标位置也要进行相关的计算，流程图如图12所示。

3 教学反馈

通过学生的实验体会和实验过程，可以看出在以下方面能够对学生进行相应的训练和提高。

(1)在知识点学习和掌握方面，机械方面，实验训练对象包含丝杆、带传动等基本的实验对象、学生需要了解其基本构造、驱动原理、运行特性、实际运行时会出现的问题等；电子方面，嵌入式技术(以STM32为主)，FPGA硬件语言开发技术(以SPARTAN为主)为两大主题，包含相关的中断技术、电机控制、速度控制、视觉控制等一系列的知识点，可见，整个实验包含的知识点非常丰富，因此，便于根据学生的实际能力建立多层次的训练任务，适应不同学生的培养需求。

图11 外设初始化流程

图12 目标位置计算流程

(2)在工程实践能力培养方面，有着较好的针对性。在实验训练实时过程中，强调“严慎细实”的工程理念，通过具体环节的完成潜移默化地影响学生的操作习惯和态度。比如电源、示波器、万用表等常见仪器的规范、安全使用，训练板在上电前，电源对地阻抗的测量，导线通断的确认；又比如在程序开发的过程中，流程图的绘制、函数的使用、代码书写规范、注释的添注、软件调试的技巧等等，从这些细微之处着手，训练学生的规范的工程开发习惯和素养，体现出专业性[4-5]。

(3)在自主学习能力、解决工程问题学习方面，由于实验项目具有层次性，在不同的阶段学生会表现出不同的反应，不同个性的学生也会表现出很大的差异。实验强调学生课前的知识自学，鼓励提前开发自己的训练例程，完成一级任务，即可开展下一级更为复杂的训练要求，通过难度的逐级提高，刺激学生的好胜心和好奇心，调动其解决问题的积极性[6-8]。

总之，由于该实验项目涉及知识点较多，既要了解相关运动部件的运动特性，又要学习具体控制核心的控制原理，整个过程中各种问题也会层出不穷，因此，学生在完成实验的过程中，能够体会到工程项目研制的难度，还能经历解决问题后的喜悦，又能感受不同层次任务的层层推进的差异，而且，实验所选择的对象贴近生活，学生感受较为亲切，具有较好的初次接受的友好度。因此，能够“痛并快乐着”地完成学习任务。

图13 学生实验场景

4 实验目的及达成度

综合而言，该实验主要实现下列目标，对学生在机电控制方面进行实践锻炼和提高。

(1)学习过程中了解常见电机、视觉传感器、丝杠、滑台等基础构建的特点，掌握相关传感器的使用方法；

(2)掌握并熟悉STM32嵌入式芯片控制的基本原理，能够按照要求完成相应的编程任务；

(3)掌握并熟悉SPARTAN系列芯片控制的基本原理，能够按照要求完成相应的编程任务；

(4)掌握直流电机、步进电机的常用控制方法；

(5)能够独立搭建实验硬件平台，并符合操作规范；

(6)在整个实验过程中，增强解决工程问题的能力，提高表达能力等综合素养。

表1 实验目标达成度说明

5 结语

在新工科等新的人才培养目标要求下，提高学生综合能力的培养需求越来越紧迫，实践教学作为学生综合培养过程中非常重要且关键的一环，需要投入更多的关注和思考，从西安交通大学本科生的综合训练实验出发，介绍了一种机电结合、多层次的综合训练实验项目，在教学过程中，得到了学生认可，激发了学生进行项目训练的热情。在实践教学的过程中，指导老师有责任不断地进行教学思考，改进实验项目，解决过程中碰到的问题，不断满足新的培养要求，从而使得高校实践育人环节不断完善，不断进步。