以機器人為載體的單片機課程設計

許 超，吳新杰

(遼寧大學物理學院，遼寧沈陽110036)

機器人技術作為目前社會發展最活躍的領域之一，體現了當今科學技術所具備的高度分化但又高度集中的特點，代表了機械工程、計算機技術、電子技術、人工智能等多學科的最新研究成果。同時，機器人出現在高校實踐教學中也為學生的工程教育提供了一個嶄新的平臺，它不僅是學生學習理論知識的載體，是鍛煉學生的實踐能力、培養創新精神的有效手段，也推動了高校工科專業的課程設置、實踐教學等多環節的發展。為此，我校測控技術與儀器專業在單片機課程設計中以機器人為載體，吸納了傳統教學的經驗，采取任務驅動的形式，讓學生置身于實際應用場景之中，強化了課堂上所傳授的理論知識，提高了學生在單片機應用方面的實踐技能。

1 應用意義

機器人技術之所以應用在高校實踐教學中，是因為它具備兩大特點:第一是適用性，能滿足實踐教學的相關需求;其次是開放性，可以根據教學對象和教學目的的變化增、減功能模塊，這點特別有利于學生進行創新研究[1-3]。

將機器人引入單片機課程設計中，為高校教學提供了一種工程教育和創新教育與前沿研究相結合的生動形式，體現出課程設計的主要價值——真實性、實踐性、主動性以及活動與經驗的相關性，真正地從社會應用角度開展了課程教學活動，實現了大學課程的職業化。同時，機器人教育的相關性也促進學生非技術能力的提高。課程設計的前期可以激勵學生從各個方面獲取有價值的信息，比如單片機的標準規范、元器件的技術參數、各類文獻的檢索等。課程設計中因為涉及機械加工、傳感器、智能算法等多類知識，拓展了學生視野，而學生的相互交流又使得溝通能力、團隊精神、分析和解決問題的能力得到提高，在對方案的多次實踐改進中提高了對挫折的忍受力等多種非技術能力。這些鍛煉使學生懂得合作、學會交流，也初步了解了科學研究，培養了工程意識和創新精神，可以說單片機—機器人制作過程也是一個自我學習與完善創新的過程[4、5]。

2 實施思路

單片機課程設計是測控技術與儀器專業教學中的一項實踐性環節，以機器人為載體的單片機課程設計融入了工程教育理念，把該課程設計界定為一種以單片機為控制中心的機器人開發任務，引進與相關課程新技術結合緊密的實踐課題，鼓勵學生大膽提出設計思想，對機器人進行結構改造、系統設計和程序控制等工作，在課程設計過程中緊緊圍繞以下三點開展工作。

2.1 實行柔性的教學方案，開展個性化教育

課程設計的教學模式通常為任務驅動方式，以完成某項任務的最終效果為考核依據。但學生存在個體差異，在學習方法和吸收知識能力上都不盡相同，不能在教學和考核過程中一概而論。因此，要針對不同的學生執行不同的任務方案，從學生的現實個性出發，尊重學生的需要和興趣。在教學改革中，將教學內容劃分為三種類型，即規定基礎型、鼓勵拓展型和創新型?；A部分為所有學生必須完成的考核任務，它代表課程設計的及格水平;有興趣且基礎扎實的學生，鼓勵完成有思維難度的拓展部分;引導一些較優秀的學生利用課余時間進行創新型訓練，真正地讓實驗室和實驗設備面向學生全面開放。以C51接口與紅外線導航部分為例，規定任務是利用紅外線發射和接收器件探測道路，并完成避開障礙物;但經過教學驗證發現，除個別學生只選擇完成規定任務外，近半數的學生能夠開展任務拓展，通過加俯視的探測器實現機器人對運動區域邊緣的檢測，完善機器人移動的智能化;極少數學生經過努力可以實現機器人尾隨前方引導車，跟隨做任意形式移動。當然，這種教學模式最關鍵的是要做到了解學生進度，這不是單純的督促，而是一種引導學生尋找適合自己能力的課程設計，因材施教，這也給教師帶來了極大的工作量。

2.2 與其他學科關聯，注重教學內容更新

機器人技術涉及到工程力學、機械制造、電子技術和自動控制等學科，而我們引入機器人平臺于單片機課程設計中，不僅僅是因為其適合性和擴展性，更看重學科之間的關聯。單片機課程設計不應單純地依附于單片機理論課。例如測控技術與儀器專業的學生并不上“機械工程”課程，但學生會到機械相關的單位就業，企業也需要多技能的人才，況且先進的制造技術對發展科學技術，具有十分重要的意義。因此，在課程設計中可以設計涵蓋機械結構和機械加工的教學任務，這樣可有效地提高學生對機械制造的認知和機床操作及零件加工的熟練程度，進而提高其動手能力和解決問題的能力。

2.3 課程設計強調教學的職業化

在精英教育的高校中，教學目標往往定位為研究型，而忽略了應用型，將機器人平臺引入課程設計中，恰好彌補了這一需求。在教學過程中可根據學生各自的特點，鼓勵學生提出設計思想，各種傳感器的選擇、控制及驅動電路板的制作和焊接完全自己動手，有關機器人的控制策略等程序內容需要自己編寫和修改，這種全程化、全面化和滲透化的訓練，可以使學生在軟件編程、排錯調試、焊接技術、相關儀器設備的使用等方面得到較全面的鍛煉和提高，實現了學生靈活運用所學知識的目的。圖1為測控技術與儀器專業學生在單片機課程設計中的成果。其中圖1(a)為配備機械爪的兩輪式搬運機器人，圖1(b)為配備紅外傳感器的四輪式循跡機器人?？梢哉f，如果課程是人才培養的有形載體，那么測控技術與儀器專業的單片機課程設計是離職業化最近的一個接點。

3 課程設計案例

設計題目:循跡機器人。任務完成分為如下三個層次。

(1)規定任務:機器人能夠檢測行進的路線，并問題，要求學生回答，最終給出合理的成績。

本課程案例設計方案由學生自主構思，根據自身能力和學習精力加以調整，教師積極鼓勵和引導學生選取拓展任務和創新任務，從而鍛煉學生的動手能力和解決實際問題的能力，真正將理論和實踐、硬件和軟件結合起來。按照該路線行駛。

圖1 實踐教學成果

(2)拓展任務:機器人在偏離預定路線后比如遇到障礙，能夠自動回到預定路線。

(3)創新任務:機器人可以在多種不同軌跡上行駛。

本項設計涉及51單片機的最小運行系統、傳感器在51單片機上的應用、電機驅動方案、機器人機械結構設計和C語言程序編寫等內容。需要注意的是，學生可任意選擇實驗室具備的電子元器件。比如循跡模塊部分，實驗室可提供紅外傳感器、反射型光電探測器和光敏電阻等。對于拓展任務和創新任務，教師可給予學生一定的指導，既引導學生吸納新知識，也節省了設計時間。比如，對可以提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號的陀螺儀加以介紹，便于學生選擇。

在學生完成設計和調試后，組織驗收。我們根據學生的算法設計思想、控制電路的合理性、機械結構的實用性、運行結果及完成的任務等級，給予學生考核評定。同時，為了更好地了解學生對課程設計的理解，針對有關設計中所涵蓋的知識點，提出相應

4 結語

我校測控技術與儀器專業的單片機課程設計改革已進行了兩年，實踐表明此次改革成效顯著。機器人平臺應用在單片機課程設計中，學生根據自己的興趣和能力選擇課程設計的題目，提升了學生的專業認同度，激發了學習的積極性，經歷了一次系統性的工程實戰訓練，符合單片機教學的工程性和職業化的要求，也為后續的畢業設計及將來就業打下了扎實的基礎。

[1]曹建樹，代峰燕，俞建榮等.應用型工科院校單片機課程教學改革與實踐[J].上海:實驗室研究與探索，2012，31(3):129-132

[2]許超，吳新杰.任務驅動式實踐教學在單片機課程中的應用[J].錦州:渤海大學學報(自然科學版)，2011，32(2):180-184

[3]肖靜，余穎，張道海.立足機器人競賽促進創新訓練與實踐教學改革[J].撫州:東華理工大學學報(社會科學版)，2013，32(2):189-192

[4]王紅超.機器人在單片機教學中的應用[J].上海:實驗室研究與探索，2013，32(2):213-215

[5]姚志鳳，薛少平，陳亞娟.機器人創新實驗室的多元化模式探究[J].南京:電氣電子教學學報，2012，34(5):76-77