基于機器人的硬件綜合課程設計教學改革與實踐

夏婷 萬振武

【摘要】硬件綜合課程設計是計算機、自動化等專業在主要專業課學習后一個重要的綜合實踐環節，如何有效地把實踐動手能力的培養與基礎理論知識及實際應用結合起來，是改革實踐中需要急切解決的問題。本文將輪式智能機器人應用于硬件綜合課程設計中，教學的效果表明，它不僅能使學生綜合應用各種理論知識并轉化為實踐技能，而且大大激發了學生的學習興趣。

【關鍵詞】機器人 課程設計 實踐技能

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）11-0250-01

一、硬件綜合課程設計教學存在的問題

硬件綜合課程設計是繼數字邏輯、電子電工、計算機組成原理、C語言程序設計、匯編語言程序設計、微機原理與接口技術、單片機技術等課程教學后的一個重要的綜合實踐教學環節，要求每個學生都能自己動手獨立設計完成一個典型的微機應用小系統，目的是綜合應用這些課程的基礎知識，就具體問題讓學生做出軟、硬件解決方案并付諸實施，以培養學生應用計算機硬件、軟件進行開發的綜合設計能力和解決實際問題的能力，啟發創新思維。

可是經過對以往三屆硬件綜合課程設計的分析，此課程設計存在以下不足：傳統的計算機硬件教學和實驗與應用現狀差距較遠，學生所應用到的知識比較狹窄，偏向驗證性實驗，硬件綜合課程設計僅僅是幾個實驗的組合，單調枯燥，不利于學生分析問題和解決問題能力的培養，更束縛了其思維能力和創新能力的發展，難以激發學生的學習熱情。硬件綜合課程設計的內容和方法必須更新和改進，使學生真正掌握實用的計算機硬、軟件協同開發的知識并能熟練應用、實踐，這不僅是為了符合高校轉型形式下獨立學院培養應用型、技術技能型人才的定位，更是為了能盡快適應新世紀計算機超微型化應用飛速發展的潮流[1]。

二、課程設計改革的實施

（一）設計并使用有趣的實驗平臺

不再使用封裝好的實驗箱，而是以輪式智能機器人為硬件綜合實驗平臺，它能感知環境如距離、障礙、光、溫度、顏色等，進而自主完成一系列的動作[2]。在課程設計中需要學生自己動手設計和組裝機器人，主要模塊包括：主控板、傳感器和運動裝置。主控板采用AVR單片機或51系列單片機；傳感器主要有地面灰度、紅外、藍牙、超聲波、顏色傳感器等；運動裝置主要用到直流電機、舵機等，進而控制車輪旋轉。

（二）精選貼近實際應用的實例

從整合硬件系統知識，補充以基礎硬件知識為背景的實際技術，強化學生自主設計構造的能力的角度出發[3]，設計5個實例，每個實例都需要綜合應用單片機、電子電工、軟件編程等知識：

1.循跡機器人。在地圖上設置好起點和終點，輪式機器人根據4個QTI傳感器采集到的數據自主沿著地圖上的黑線行走，并原路返回。在交叉點能選擇一條線路，在終點能旋轉180度，在設置好的一些特殊點可旋轉360度，并可調節速度，如前行時慢速行駛，返回時速度加快。

2.迷宮機器人。設置好迷宮的入口和出口，輪式機器人能在分叉口判斷并選擇一個方向，通過多個紅外傳感器實現方向判斷和避障，自主從入口走到出口，整個行駛過程不碰到迷宮壁。

3.遙控機器人。通過按遙控器上的按鍵發出紅外或藍牙控制信號，不同的按鍵對應不同的編碼，輪式機器人上布置的紅外傳感器或藍牙傳感器接收信號后，由單片機進行解碼，輪式機器人根據編碼采用相應的動作。

4.基于紅外傳感的擂臺機器人。在機器人上布置若干個紅外傳感器，通過單片機的I/O口探測紅外接收管是否接收到紅外信號，從而實時搜尋對方機器人的具體方位，進而編程實現根據不同的方位采用不同的動作，同時用QTI傳感器檢測擂臺邊沿，在自己不出擂臺的情況下將對方推出擂臺。

5.基于超聲波傳感的擂臺機器人。在機器人上布置若干個超聲波傳感器，超聲波傳感器收到單片機的觸發信號后發射超聲波，當超聲波投射到物體而反射回來時，超聲波傳感器輸出一回響信號，以觸發信號和回響信號間的時間差，來判定對方機器人的具體方位，進而編程實現根據不同的方位采用不同的動作，同時用QTI傳感器檢測擂臺邊沿，在自己不出擂臺的情況下將對方推出擂臺。

（三）與時俱進地更新開發環境

硬件綜合課程設計采用數字化電路虛擬設計及功能仿真與實際電路設計相結合的方式，要求學生使用protues軟件先繪制原理圖并仿真運行代碼，之后再把程序燒寫到真正的硬件上運行。不再使用和實驗箱配套的編程軟件，因為這樣的軟件通用性不強，和現在公司里的開發環境脫節。因此，采用通用性強的Keil、progisp下載器、串口調試小助手等進行開發。用Keil編寫程序，使用progisp下載器先擦除單片機中原有代碼，再將新代碼燒寫到單片機中，使用串口調試小助手來測試QTI傳感器等。并且學生可自由選擇匯編語言或C語言進行軟件開發。

（四）采用小組分工、協作的組織形式

模擬公司項目組的形式，教師給出多個題目，學生自主分成若干組，每組4～6人，共同完成一個題目，組之間的題目互不相同。每個組選出一位組長，負責管理和協調組員，每個組員又分配了一項具體的任務，比如硬件的組裝、調試或某個軟件模塊的開發，每人設計并調試好后，小組成員一起進行軟硬件系統聯調。以小組為單位答辯、驗收，先運行機器人系統，然后每個組員闡述自己的分工和完成情況，教師對每位同學問2-3個問題，當場作答。通過答辯判斷實際系統與設計方案是否一致，是否實現了課題的需求功能與性能，系統設計有無特色、創新，程序思路是否合理、效率高，操作是否簡單、方便等，依此給答辯分。最后每位同學均需撰寫設計報告，學會規范文檔的編寫。

三、改革實踐的效果分析

目前，我校計算機專業已有兩屆學生完成了此課程設計的訓練，效果如下：

1.打破了傳統模式，有效地培養了實踐動手能力。歷屆學生都認為硬件課程抽象、難學，大多數同學因為畏難而放棄。通過硬件綜合課程設計教學方式的改革，不再使用實驗箱做硬件平臺，而讓學生自己動手組裝零件搭成一個小設備，再在此設備上進行設計開發，使學生不僅要完成軟件的編程、調試，還要完成元器件布局設計、零件組裝、接線等。這樣學生看得見、摸得著，而且還是自己組裝的，學生表示不再覺得抽象，不僅對硬件知識能有更直觀、深刻的理解，而且設計完成后更有成就感，實踐動手能力真正得到提高。

2.激發了學習興趣。很多學生不喜歡硬件課程，是因為不知道這些知識跟自己有什么關系，有什么應用。通過硬件綜合課程設計教學內容的更新，使設計有直接的應用，而且有趣，比如機器人循跡、走迷宮、打擂等，學生表示這些應用激發了學習興趣。

3.培養了團隊協作能力，學生表示在課程設計中小組成員之間能互相監督、促進、幫助，體會到團隊的力量。

4.本課程設計的教學成果也在各種科技競賽中得以體現。在2012和2013中國教育機器人大賽中，我校老師帶領計算機專業的學生參賽，分別獲得了特等獎和一等獎的好成績。

參考文獻：

[1]劉叔軍，毛麗民.基于機器人創新訓練的工程實踐模式研究[J].課程教育研究，2012，10.

[2]祝龍記，鄭曉亮.基于機器人制作平臺的大學生創新能力的培養[J].安徽理工大學學報（社會科學版），2010，（01）.

[3]吳獻鋼.智能機器人創新實驗的實踐與改革[J].實驗科學與技術，2008，10.

作者簡介：

夏婷（1983-），女，湖北廣水人，漢族，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統及智能機器人。