以机器人为载体的单片机课程设计

许 超，吴新杰

(辽宁大学物理学院，辽宁沈阳110036)

机器人技术作为目前社会发展最活跃的领域之一，体现了当今科学技术所具备的高度分化但又高度集中的特点，代表了机械工程、计算机技术、电子技术、人工智能等多学科的最新研究成果。同时，机器人出现在高校实践教学中也为学生的工程教育提供了一个崭新的平台，它不仅是学生学习理论知识的载体，是锻炼学生的实践能力、培养创新精神的有效手段，也推动了高校工科专业的课程设置、实践教学等多环节的发展。为此，我校测控技术与仪器专业在单片机课程设计中以机器人为载体，吸纳了传统教学的经验，采取任务驱动的形式，让学生置身于实际应用场景之中，强化了课堂上所传授的理论知识，提高了学生在单片机应用方面的实践技能。

1 应用意义

机器人技术之所以应用在高校实践教学中，是因为它具备两大特点:第一是适用性，能满足实践教学的相关需求;其次是开放性，可以根据教学对象和教学目的的变化增、减功能模块，这点特别有利于学生进行创新研究[1-3]。

将机器人引入单片机课程设计中，为高校教学提供了一种工程教育和创新教育与前沿研究相结合的生动形式，体现出课程设计的主要价值——真实性、实践性、主动性以及活动与经验的相关性，真正地从社会应用角度开展了课程教学活动，实现了大学课程的职业化。同时，机器人教育的相关性也促进学生非技术能力的提高。课程设计的前期可以激励学生从各个方面获取有价值的信息，比如单片机的标准规范、元器件的技术参数、各类文献的检索等。课程设计中因为涉及机械加工、传感器、智能算法等多类知识，拓展了学生视野，而学生的相互交流又使得沟通能力、团队精神、分析和解决问题的能力得到提高，在对方案的多次实践改进中提高了对挫折的忍受力等多种非技术能力。这些锻炼使学生懂得合作、学会交流，也初步了解了科学研究，培养了工程意识和创新精神，可以说单片机—机器人制作过程也是一个自我学习与完善创新的过程[4、5]。

2 实施思路

单片机课程设计是测控技术与仪器专业教学中的一项实践性环节，以机器人为载体的单片机课程设计融入了工程教育理念，把该课程设计界定为一种以单片机为控制中心的机器人开发任务，引进与相关课程新技术结合紧密的实践课题，鼓励学生大胆提出设计思想，对机器人进行结构改造、系统设计和程序控制等工作，在课程设计过程中紧紧围绕以下三点开展工作。

2.1 实行柔性的教学方案，开展个性化教育

课程设计的教学模式通常为任务驱动方式，以完成某项任务的最终效果为考核依据。但学生存在个体差异，在学习方法和吸收知识能力上都不尽相同，不能在教学和考核过程中一概而论。因此，要针对不同的学生执行不同的任务方案，从学生的现实个性出发，尊重学生的需要和兴趣。在教学改革中，将教学内容划分为三种类型，即规定基础型、鼓励拓展型和创新型。基础部分为所有学生必须完成的考核任务，它代表课程设计的及格水平;有兴趣且基础扎实的学生，鼓励完成有思维难度的拓展部分;引导一些较优秀的学生利用课余时间进行创新型训练，真正地让实验室和实验设备面向学生全面开放。以C51接口与红外线导航部分为例，规定任务是利用红外线发射和接收器件探测道路，并完成避开障碍物;但经过教学验证发现，除个别学生只选择完成规定任务外，近半数的学生能够开展任务拓展，通过加俯视的探测器实现机器人对运动区域边缘的检测，完善机器人移动的智能化;极少数学生经过努力可以实现机器人尾随前方引导车，跟随做任意形式移动。当然，这种教学模式最关键的是要做到了解学生进度，这不是单纯的督促，而是一种引导学生寻找适合自己能力的课程设计，因材施教，这也给教师带来了极大的工作量。

2.2 与其他学科关联，注重教学内容更新

机器人技术涉及到工程力学、机械制造、电子技术和自动控制等学科，而我们引入机器人平台于单片机课程设计中，不仅仅是因为其适合性和扩展性，更看重学科之间的关联。单片机课程设计不应单纯地依附于单片机理论课。例如测控技术与仪器专业的学生并不上“机械工程”课程，但学生会到机械相关的单位就业，企业也需要多技能的人才，况且先进的制造技术对发展科学技术，具有十分重要的意义。因此，在课程设计中可以设计涵盖机械结构和机械加工的教学任务，这样可有效地提高学生对机械制造的认知和机床操作及零件加工的熟练程度，进而提高其动手能力和解决问题的能力。

2.3 课程设计强调教学的职业化

在精英教育的高校中，教学目标往往定位为研究型，而忽略了应用型，将机器人平台引入课程设计中，恰好弥补了这一需求。在教学过程中可根据学生各自的特点，鼓励学生提出设计思想，各种传感器的选择、控制及驱动电路板的制作和焊接完全自己动手，有关机器人的控制策略等程序内容需要自己编写和修改，这种全程化、全面化和渗透化的训练，可以使学生在软件编程、排错调试、焊接技术、相关仪器设备的使用等方面得到较全面的锻炼和提高，实现了学生灵活运用所学知识的目的。图1为测控技术与仪器专业学生在单片机课程设计中的成果。其中图1(a)为配备机械爪的两轮式搬运机器人，图1(b)为配备红外传感器的四轮式循迹机器人。可以说，如果课程是人才培养的有形载体，那么测控技术与仪器专业的单片机课程设计是离职业化最近的一个接点。

3 课程设计案例

设计题目:循迹机器人。任务完成分为如下三个层次。

(1)规定任务:机器人能够检测行进的路线，并问题，要求学生回答，最终给出合理的成绩。

本课程案例设计方案由学生自主构思，根据自身能力和学习精力加以调整，教师积极鼓励和引导学生选取拓展任务和创新任务，从而锻炼学生的动手能力和解决实际问题的能力，真正将理论和实践、硬件和软件结合起来。按照该路线行驶。

图1 实践教学成果

(2)拓展任务:机器人在偏离预定路线后比如遇到障碍，能够自动回到预定路线。

(3)创新任务:机器人可以在多种不同轨迹上行驶。

本项设计涉及51单片机的最小运行系统、传感器在51单片机上的应用、电机驱动方案、机器人机械结构设计和C语言程序编写等内容。需要注意的是，学生可任意选择实验室具备的电子元器件。比如循迹模块部分，实验室可提供红外传感器、反射型光电探测器和光敏电阻等。对于拓展任务和创新任务，教师可给予学生一定的指导，既引导学生吸纳新知识，也节省了设计时间。比如，对可以提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号的陀螺仪加以介绍，便于学生选择。

在学生完成设计和调试后，组织验收。我们根据学生的算法设计思想、控制电路的合理性、机械结构的实用性、运行结果及完成的任务等级，给予学生考核评定。同时，为了更好地了解学生对课程设计的理解，针对有关设计中所涵盖的知识点，提出相应

4 结语

我校测控技术与仪器专业的单片机课程设计改革已进行了两年，实践表明此次改革成效显著。机器人平台应用在单片机课程设计中，学生根据自己的兴趣和能力选择课程设计的题目，提升了学生的专业认同度，激发了学习的积极性，经历了一次系统性的工程实战训练，符合单片机教学的工程性和职业化的要求，也为后续的毕业设计及将来就业打下了扎实的基础。

[1]曹建树，代峰燕，俞建荣等.应用型工科院校单片机课程教学改革与实践[J].上海:实验室研究与探索，2012，31(3):129-132

[2]许超，吴新杰.任务驱动式实践教学在单片机课程中的应用[J].锦州:渤海大学学报(自然科学版)，2011，32(2):180-184

[3]肖静，余颖，张道海.立足机器人竞赛促进创新训练与实践教学改革[J].抚州:东华理工大学学报(社会科学版)，2013，32(2):189-192

[4]王红超.机器人在单片机教学中的应用[J].上海:实验室研究与探索，2013，32(2):213-215

[5]姚志凤，薛少平，陈亚娟.机器人创新实验室的多元化模式探究[J].南京:电气电子教学学报，2012，34(5):76-77