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摘要：综合实践教学一直是测控技术与仪器专业培养人才综合能力的重要途径。本文基于STM32单片机实验平台对测控技术与仪器专业综合实践教学进行了探索，设计了相应的教学方案。该方案将多门测控相关课程有机结合起来，能够满足专业在综合实践环节对学生能力培养的需求，是对现有教学方案的有效补充。
关键词：综合实践教学；测控技术与仪器；STM32单片机；教学改革
本文引用格式：郑凯，等.基于STM32单片机实验平台的测控综合实践教学探索[J].教育现代化,2020,7(53):12-14,18.
Exploration of Comprehensive Practice Teaching of Measurement and Control Engineering Based on STM32 MCU Experimental Platform
ZHENG Kai1,JIANG Yi2,ZHAO Yong-sheng1
(1.Marine Electrical Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian Liaoning;2.Information Science and Technology College,Dalian Maritime University,Dalian Liaoning)
Abstract:Comprehensive practical education has always been an important way to cultivate the comprehensive practicing ability of students in the program of measurement and control technology and instrumentation.Based on the STM32 MCU experimental platform,this article explores the comprehensive practice teaching scheme of the program of measurement and control technology and instrument,and designs the corresponding teaching program.This program organically integrates multiple courses related to the program of measurement and control engineering,which can meet the needs of students’ability training in the comprehensive practice link,and is an effective supplement to existing teaching programs.
Key words:Comprehensive practice teaching;Measurement and control technology and instrumentation;STM32 MCU;Teaching reform
一 引言
测控技术与仪器(下简称“测控”)专业知识体系围绕智能仪器和测控系统展开，重点在于专业领域的智能仪器、测控系统的电子电路设计开发、计算机及嵌入式硬件开发等方面的知识及应用，对学生的综合运用能力有较高的要求[1-4]。作为高等教育改革深化发展方向的“新工科”教育更加强调学生对工程知识的综合应用能力。综合实践教学环节正是锻炼学生综合能力的重要途径。目前，测控专业综合实践教学往往存在缺乏兼容并包的教学体系、与时俱进的教学内容等问题。
本文对测控专业综合实践教学中的问题进行了深入分析，并明晰了本专业综合实践教学的需求，进一步设计了一套基于STM32单片机实验平台的测控综合实践教学解决方案。
二当前测控专业综合实践课程存在的问题
就现在的测控综合实践课程教学体系而言，在学生的综合实际能力培养方面还存在明显不足，本文认为这些不足主要体现在以下三个方面。
（一）没有进行体系设计
测控学科作为一门综合性学科，涉及的理论知识和应用知识范围较广。该专业的本科培养计划几乎将所有相关基础课、专业基础课和专业课全部罗列进来，如电子技术相关课程、测量技术相关课程、信息处理相关课程、计算机相关课程等等都包含在内。学生学习这些内容，除获得广泛的相关知识外，本应同时提升综合应用能力，这正是测控专业本身的一大优势。然而，多数课程内容和教材往往是根据自身知识体系编著的，而非专为测控专业服务，容易出现教学上各自为政的局面。例如，有些学校测控专业会在二年级给本科生安排一门计算机语言课，学生在学习这门课时，虽然知道利用计算机语言可以编制计算机程序，也上机做了实验，但对其跟自己专业的关系却并不清楚。而综合性较强的课程，如课程设计、生产实习和毕业设计等实践环节课程，则多被安排在教学环节的后期。这使得学生在平时学习过程中难以找到将所学知识串联起来的纽带，对学习目标迷茫；而在综合实践环节学习时，学生反倒要花精力把一年或两年之前学习的知识捡起来。可以说，测控专业至今还未形成具有针对学生综合能力培养的特色教学体系，这显然不利于突出和发挥测控专业的优势。
（二）没有及时更新教学内容
如今新技术、新产品日新月异的年代，在高等教育领域推陈出新是时代发展的内在要求，测控专业综合实践教学也应在教学内容和教学手段上紧跟时代步伐。然而，现有的培养计划仍然强调基础知识在整个教学内容中的比例，其中教学内容也多以基础知识为主，这难以体现时代特征。例如，有些学校测控专业在开展微型计算机原理课程时，仍以8051单片机为对象进行讲解，这显然不能反映当今微型计算机的发展方向。上述矛盾也许在基础课、专业基础课中表现并不突出，但在综合实践能力培养方面，如课程设计和毕业设计等实践环节，如仍局限于对课本知识的巩固上，不能很好地引进与时代同步的教学案例，则将造成教学与工程应用脱节的局面，不利于学生综合能力的培养。又如有些学校仍安排学生制作收音机作为电子实习的主要内容，这既不能很好地体现测控专业特色，也不能体现时代的发展方向，势必严重影响学生学习的积极性。
综上所述，现阶段测控专业在本科生综合实践能力培养的体系和内容上均存在不同程度的问题。当然，这些问题不仅是测控专业所独有的，其他综合性较强的学科在教学过程中也可能遇到类似的问题。
三 测控专业综合实践课程需求分析
经过梳理，测控专业毕业生应具备的综合能力主要指综合运用所学各科目原理和方法来分析、研究和解决仪器仪表系统、电子信息系统、测控系统等领域复杂工程问题的能力。该能力除在日常教学中通过专业基础课、专业课进行理论知识培养外，综合实践课程则是培养学生知识综合运用的关键途径。众所周知，在测控领域，控制器、执行器、控制对象、传感器是一般测控系统所必备的基本元素。这些元素的工作原理在日常教学中已经通过理论课堂向学生进行了讲授，但如何在一套实验平台上将这些内容串联起来，让学生得到在综合应用方面得到锻炼是测控专业综合实践课程面临的问题。
测控专业综合实践课程可以说是前期各理论课程的延伸和汇集，那么综合实践课程应满足以下几点要求：
1.能够覆盖多个理论课程的知识点：能让学生在综合实践过程中，将这些知识点有机结合起来，形成整体认识；
2.能够锻炼和考察学生多种能力：除了能够考察学生的理论知识综合运用能力外，还应考察其发现问题解决问题的能力、文献检索能力、创新能力等多方面能力；
3.能够反映测控领域的新技术和新方向：除巩固课堂理论知识外，还让学生在实践过程中了解专业领域的新技术、新方法，起到开阔视野的作用。
上述需求既有对知识巩固的要求，也有对能力培养的要求。如何满足这些需求是设计测控专业综合实践课程时面对的一大挑战。
四 基于STM32单片机的综合实践课程设计
实际上，专门从事教学仪器设备研制的企业，如浙江天煌科技实业有限公司、湖南长庆机电科教有限公司、北京博创尚和科技有限公司等，均推出了各自的综合实践教学平台。这些综合教学实践平台可以在一定程度上满足综合实践教学要求，但往往存在成本较高，使用维护复杂，更新困难，难以同测控专业教学内容实现无缝对接等问题。所以，针对教学实际需求，构建具有专业特色的综合实践教学平台势在必行。
我校在进行工程认证和教学改革过程中重新审视了综合实践课程的教学内容和方法，对以往综合实践课程进行了改革，提出和设计了以STM32单片机作为纽带的综合实践课程。该综合实验课程通过建立由ARM Cortex-M构架的STM32单片机为主体的软硬件综合实验平台，将日常相关课程紧密结合在一起。如图1所示，该平台包括STM32单片机及相应程序调试组件、直流电机及驱动组件、电机转速测量组件、信息显示组件。该平台构成了一个小巧却完备的测控系统，该系统中直流电机为控制对象、编码器作为测量反馈、STM32单片机作为控制器、OLED显示屏作为人机接口。
通过该实验平台可以打通测控相关基础理论课，如《自动控制原理》、《信号与系统分析基础》等，相关专业基础课，如《传感器原理》、《MATLAB程序设计实践》、《C与C++程序设计基础》等课程，以及相关专业课，如《电机拖动与控制》、《STM32原理及应用》等课程之间的联系。基于该实验平台以电机为控制对象，其转速为控制目标，可以设计这样一个综合实践教学案例，即以上述硬件为基础在STM32单片机上自行设计能够具有转速测量、数据显示、速度控制和参数调整等功能的电机转速测控系统。该综合实践教学案例利用实验平台首先结合了《电机拖动与控制》中直流电动机的相关教学内容，可以把直流电动机的工作特性、动态特性等理论内容在实验平台上验证[5,6]。其次，学生可以将《自动控制原理》中系统建模和控制器设计等内容用于分析直流电机对象特性和设计转速控制器。再次，学生还可以利用《MATLAB程序设计实践》课上讲授的内容，对所得直流电动机模型和控制器进行仿真验证，进一步利用Simulink RTW机制和STM32-MAT/TARGET工具可将控制器直接转换为C代码[7,8]。这时就可以结合《C与C++程序设计基础》和《STM32原理及应用》课程内容对代码编译，并下载至实验平台上进行调试。为了实时检测电机转速，学生还需要运用《传感器原理》相关内容来读取编码器信号，并转换成电机转速进行显示。这样基于STM32单片机的综合实验平台可以完成表1所示的所有教学实验内容。通过综合实验就可以将6门课程的相关知识点联系起来，并让学生在实践中进行融会贯通，从而起到了锻炼学生综合实践能力的效果。
同以往的综合实践课程相比，本文基于STM32实验平台设计的综合实践课程具有如下优势：
1.能够满足测控专业综合实践课程需求，覆盖课程内容较广；
2.能够反映多种测控前沿技术，如利用Simulink RTW机制开发嵌入式程序、基于模型的设计模式等；
3.平台结构简单，使用维护方便，便于应用推广。这些优势将在测控专业综合实践教学中产生有利影响，学生也必将从中受益。同时，我们也可以从表1看出该平台不仅可以胜任综合实践课程的教学内容，还可以将实验内容分解至日常专业科目的教学过程中。实际上，可以在日常实践教学环节中就使用本实验平台并开展相关实践教学内容，这样引导学生逐渐由部分到整体开展综合实践学习，对学生综合能力培养也是有益的。
五结语
综上所述，本文针对测控技术与仪器专业综合实践教学的需求，提出了基于STM32单片机的实验平台的综合实践教学方法，其可以为测控专业综合实践课程提供良好的支撑，能够在综合实践环节中覆盖较广的知识内容，为学生巩固和应用相关知识，提升综合实践能力提供了帮助。随着该平台应用的不断深入，该平台在其他科目中的应用也将得到深入发掘，这将在测控专业实践教学方面产生有益影响。
参考文献
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[8]董靖川,王太勇,陆钢庆,等.基于Simulink的开放式伺服控制实验装置设计[J].实验技术与管理,2016,33(09):126-129.
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