高職《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課引入機(jī)器人教學(xué)之探討

林 嘉

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 珠海 519090）

近年來，大多數(shù)職業(yè)院校都走上了基于工作過程的項(xiàng)目教學(xué)道路，課程教學(xué)注意與企業(yè)崗位相聯(lián)系。在教學(xué)實(shí)施過程中，學(xué)生的自主空間增加，在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也增強(qiáng)了。然而，這些任務(wù)多是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生照著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)，完成效果良好，但是創(chuàng)新能力未能完全發(fā)揮。因此，課程的開展仍需要進(jìn)一步研究。

引入機(jī)器人教學(xué)有助于《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課程的開展，并能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。機(jī)器人技術(shù)涉及的面很廣，是跨多個(gè)學(xué)科的綜合性技術(shù)，涉及自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能、電子技術(shù)和機(jī)械工程等多個(gè)學(xué)科。近年來，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)教育有了很大的發(fā)展，機(jī)器人課程逐步引入某些高校的綜合性實(shí)踐課程，能否有效地開展機(jī)器人教學(xué)，已經(jīng)成為直接影響學(xué)生綜合能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提高的重要因素。

在高職院校電子信息專業(yè)開設(shè)如 “機(jī)器人學(xué)”、“機(jī)器人概論”等理論性強(qiáng)的課程則沒有必要，這違背了高職教育的目的。所以，不能仿效本科院校以及傳統(tǒng)專科院校的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該從高職教育的特點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)器人教育與相關(guān)專業(yè)課程相結(jié)合，借助品牌生產(chǎn)廠商專門開發(fā)的機(jī)器人成品、套裝或散件，布置與課程相關(guān)的、具有創(chuàng)新性的任務(wù)，讓學(xué)生自己動(dòng)手組裝和調(diào)試電路并完成任務(wù)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

單片機(jī)教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)，以單片機(jī)的結(jié)構(gòu)為主線，先講單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，然后講指令、軟件編程，接著是單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展和各種外圍器件的應(yīng)用，最后再講一些實(shí)例。這種先理論后實(shí)踐，教與做分離的教學(xué)模式，使高職學(xué)生普遍感到難以吸收。如某些教師，在學(xué)生學(xué)完了《單片機(jī)原理和應(yīng)用》課程的理論內(nèi)容，且進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)之后，專門安排1～2周時(shí)間讓學(xué)生運(yùn)用本課程所學(xué)知識(shí)，及先前學(xué)過的電子技術(shù)知識(shí)，結(jié)合所學(xué)專業(yè)設(shè)計(jì)出單片機(jī)對(duì)機(jī)電設(shè)備的某一部分控制的硬件電路和軟件程序，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電路的連接與調(diào)試。高職學(xué)生很難接受純理論教學(xué)，理論課效果不理想，安排的教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以很好地結(jié)合理論知識(shí)，更談不上讓學(xué)生運(yùn)用課程知識(shí)完成任務(wù)。

某些院校購(gòu)買相關(guān)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K供學(xué)生實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束覺得自己學(xué)會(huì)了單片機(jī)操作，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)?zāi)K的確可以快捷方便地進(jìn)行操作，但最大的缺點(diǎn)是不能進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，單片機(jī)硬件和軟件不可分，所以，運(yùn)用該類實(shí)驗(yàn)?zāi)K還是有一定缺陷的。

單片機(jī)教學(xué)改革

（一）實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的選取

如今許多企業(yè)針對(duì)高校相關(guān)課程研發(fā)了各類機(jī)器人，如深圳歐鵬科技有限公司的智能小車（如圖1所示）。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置合理，包括C51+AVR教學(xué)板、兩個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)、開放的實(shí)驗(yàn)面包板。以教學(xué)板為核心，舵機(jī)的控制可作為其中一個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)讓學(xué)生完成，實(shí)驗(yàn)面包板則是學(xué)生完成更復(fù)雜功能電路搭建任務(wù)的平臺(tái)。

在第一次課上就要向?qū)W生說明，課程的內(nèi)容圍繞小車的控制任務(wù)來展開。可以預(yù)先編制一些簡(jiǎn)單的程序進(jìn)行演示，讓小車實(shí)現(xiàn)直走、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。這樣很直觀，必然能引起學(xué)生極大的興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的積極性。其目的則是讓學(xué)生樹立學(xué)好單片機(jī)的自信心。

圖1 智能小車示意圖

（二）課程的開展

現(xiàn)在許多企業(yè)對(duì)學(xué)生的系統(tǒng)方案解決能力要求越來越高，要求他們能夠迅速地拿出硬件初步方案，并用盡可能短的時(shí)間構(gòu)建出一個(gè)軟件原型。同時(shí)，由于系統(tǒng)硬件價(jià)格的降低，對(duì)軟件的要求也從節(jié)省內(nèi)存、高效向可讀性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)好轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在社會(huì)上的單片機(jī)系統(tǒng)普遍采用了基于C51高級(jí)語(yǔ)言的軟件系統(tǒng)。因?yàn)镃51高級(jí)語(yǔ)言具有程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，一條C語(yǔ)言相當(dāng)于幾條匯編指令，完成同樣功能程序的行數(shù)也大大縮小，更便于復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。這也要求我們?cè)谡n程及實(shí)驗(yàn)中要對(duì)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練。

因此，可選取以下幾項(xiàng)實(shí)訓(xùn)任務(wù)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。

實(shí)訓(xùn)一：系統(tǒng)認(rèn)識(shí) 向?qū)W生講解智能小車核心板的結(jié)構(gòu)（如圖 2所示）。學(xué)生能夠了解核心板上有單片機(jī)、電源電路、程序下載口、復(fù)位電路、單片機(jī)的I/O端口接口電路和可供擴(kuò)展的面板包及其相應(yīng)的使用就足夠了。還要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)單片機(jī)基本系統(tǒng)的硬件設(shè)備，熟悉C51仿真軟件的使用。在實(shí)訓(xùn)難度安排上，力求做到由淺入深，循序漸進(jìn)。布置LED燈單燈閃爍任務(wù)，讓學(xué)生動(dòng)手在面包板上搭建LED燈電路，并提供示例程序，指導(dǎo)學(xué)生使用集成開發(fā)環(huán)境、編寫程序、仿真調(diào)試、觀察輸出。通過這個(gè)實(shí)訓(xùn)，學(xué)生可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有初步的認(rèn)識(shí)，對(duì)編程語(yǔ)言有初步的了解，為今后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及編程打下好的基礎(chǔ)。

圖2 智能小車核心板示意圖

實(shí)訓(xùn)二：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出接口與機(jī)器人巡航控制 該實(shí)訓(xùn)目的是要求學(xué)生理解和掌握用單片機(jī)輸出接口控制伺服電機(jī)方向、速度和運(yùn)行時(shí)間的相關(guān)原理和編程技術(shù)，達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目的。可分成幾個(gè)小任務(wù)來進(jìn)行，通過分任務(wù)一“單燈閃爍控制”使學(xué)生懂得編寫延時(shí)程序控制LED燈閃爍的頻率。然后，講解伺服電機(jī)的控制原理與改變LED燈閃爍頻率的相似性，從而通過分任務(wù)二“機(jī)器人伺服電機(jī)的控制信號(hào)”引導(dǎo)學(xué)生自主思考如何讓機(jī)器人的兩個(gè)輪子全速、減速運(yùn)轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原地旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作。這樣，學(xué)生對(duì)輸出接口就有了總體認(rèn)識(shí)。

實(shí)訓(xùn)三：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸入接口與機(jī)器人觸覺導(dǎo)航 通過該實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生了解任何一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)（不僅僅是機(jī)器人），都是通過傳感器獲取外界信息的，再通過接口傳入單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)反饋信息進(jìn)行計(jì)算和決策，生成控制命令，然后通過輸出接口去控制系統(tǒng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成系統(tǒng)所需任務(wù)。學(xué)生自主搭建“觸須電路”，使機(jī)器人有觸覺導(dǎo)航功能。最終學(xué)生就掌握了單片機(jī)輸入接口的作用及其編程技術(shù)。

實(shí)訓(xùn)四：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸入/輸出接口與紅外線導(dǎo)航 該實(shí)訓(xùn)與前三個(gè)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容相關(guān)，主要是讓學(xué)生了解紅外傳感器的基本使用方法。首先，給學(xué)生講解該實(shí)訓(xùn)是在前面掌握了單片機(jī)輸入/輸出接口的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，并讓學(xué)生了解智能機(jī)器人要更多地接收外界的各類信息，傳感器的使用必不可少，而紅外傳感器就是這類器件的典型。可讓學(xué)生通過完成IR發(fā)射及探測(cè)器電路的搭建，并編寫簡(jiǎn)單程序，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無(wú)線避障功能，也為下一個(gè)實(shí)訓(xùn)打下基礎(chǔ)。

實(shí)訓(xùn)五：機(jī)器人的距離檢測(cè) 距離檢測(cè)通常由聲吶完成。然而，還有另一種方法：可采用上一與實(shí)訓(xùn)中相同的紅外傳感器電路。這一實(shí)訓(xùn)的任務(wù)是要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)使機(jī)器人檢測(cè)到前方物體的距離，跟隨物體行走而不會(huì)碰上它。該項(xiàng)目涉及的內(nèi)容還包括定時(shí)/計(jì)數(shù)器的運(yùn)用。先讓學(xué)生了解定時(shí)器的基本使用方法，再進(jìn)一步利用單片機(jī)中的定時(shí)器和紅外探測(cè)器測(cè)試掃描頻率。學(xué)生對(duì)基本使用方法了解以后，就該提出更高的要求。最后，要求學(xué)生完成尾隨小車的功能。

實(shí)訓(xùn)六：機(jī)器人中UART的應(yīng)用 在這一實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生要完成單片機(jī)串口與計(jì)算機(jī)串口的連接，在機(jī)器人運(yùn)行的同時(shí)向上位機(jī)傳送運(yùn)行數(shù)據(jù)的任務(wù)。主要涉及單片機(jī)串行口的硬件電路連接和串行口驅(qū)動(dòng)程序編寫，以及單片機(jī)中斷系統(tǒng)的應(yīng)用。

實(shí)訓(xùn)七：機(jī)器人綜合任務(wù) 本實(shí)訓(xùn)要求學(xué)生完成智能機(jī)器人搬運(yùn)任務(wù)。該任務(wù)的要求是，學(xué)生隨機(jī)抽取搬運(yùn)任務(wù)，充分利用智能小車的實(shí)驗(yàn)面包板搭建硬件資源，利用所學(xué)的匯編及C51程序知識(shí)，自行設(shè)計(jì)一個(gè)搬運(yùn)方案，在一個(gè)規(guī)定的畫有黑線軌道的白色背景圖上完成搬運(yùn)任務(wù)。該實(shí)訓(xùn)可以通過分組比賽的形式進(jìn)行，以最準(zhǔn)確無(wú)誤地把所有物塊推到目標(biāo)位置為依據(jù)，給每個(gè)小組打分，作為學(xué)生期末成績(jī)的一部分。

以上七個(gè)綜合性實(shí)訓(xùn)，并不是以語(yǔ)言或者指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)為中心，而是以任務(wù)為中心，學(xué)生在完成任務(wù)的同時(shí)學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中鞏固知識(shí)。七個(gè)實(shí)訓(xùn)達(dá)到了既重視基本技巧訓(xùn)練，又給學(xué)生提供自由發(fā)展的機(jī)會(huì)。緊湊的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容迫使學(xué)生在課下花費(fèi)更多的時(shí)間來學(xué)習(xí)和研究，從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的熟練掌握和學(xué)會(huì)程序編寫，語(yǔ)言系統(tǒng)的掌握也就水到渠成了。

（三）考核方式

考試是教學(xué)評(píng)價(jià)的一個(gè)重要手段，但不能把考試當(dāng)作目的。采用科學(xué)合理的考試形式來準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)學(xué)生是教學(xué)改革的基礎(chǔ)。應(yīng)通過考試檢查教學(xué)效果、教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的程度，以便于改進(jìn)教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量，鞭策學(xué)生積極努力地學(xué)習(xí)。因此，考核可采用以下形式：實(shí)踐考試和理論考試相結(jié)合；實(shí)踐考試采用五級(jí)制，理論考試采用百分制，只有同時(shí)滿足實(shí)踐考試達(dá)到及格和理論考試達(dá)到60分，本課程才能獲得學(xué)分。這樣做，可以引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)化實(shí)踐動(dòng)手能力。實(shí)踐考試就是學(xué)生平時(shí)進(jìn)行的七個(gè)實(shí)訓(xùn)的完成情況。理論考試難度不宜太大，實(shí)訓(xùn)任務(wù)涉及的程序包含在內(nèi)即可。

通過以上教學(xué)改革，我們期望能達(dá)到以下目標(biāo)：（1）適應(yīng)不同層次學(xué)生的需要；（2）提高實(shí)訓(xùn)效率；（3）創(chuàng)新性、啟發(fā)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增大，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；（4）基本達(dá)到社會(huì)對(duì)單片機(jī)培訓(xùn)人才的需要。

[1]林麗君，等.《單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用》課程“教、學(xué)、做”一體化探討[J].科技信息，2010（31）.

[2]羅庚合，貢雪梅.“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計(jì)探討[J].西安航空技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2004（1）.

[3]張宏彬.高職院校開展智能機(jī)器人教學(xué)的探索[J].職業(yè)教育研究，2009（1）.

[4]王建鵬，劉云潺.高職院校智能機(jī)器人教學(xué)的探索[J].科教文匯，2009（11）.