以單片機智能機器人為載體的計算機系列課程實驗教學改革探索

鄧文蓮，邵麗麗

(菏澤學院，山東 菏澤 274015)

0 引言

機器人是綜合了機械、電子、計算機、傳感器、控制技術、人工智能仿真技術等多種學科的復雜智能機械，目前已經成為世界各國的研究熱點之一。機器人技術是多技術結合的產物，其生產通常對技術的要求非常高，通過有效運用自動化裝備并融合了先進的制造技術，現如今的機器人技術可以說是一個國家科技實力發展的最前沿。機器人技術最早應用于工業領域，但隨著機器人技術的發展和各行業需求的提升，現在已經出現了工業機器人、農業機器人、醫療康復機器人、清掃機器人、軍用機器人、教育機器人、娛樂機器人和探測機器人等不同種類的機器人[1]。單片機技術在機器人控制系統的設計中起到了關鍵的作用，單片機技術的自動控制方面對于機器人制造時的核心驅動裝置的研發有著不可或缺的作用。單片機技術能夠在機器人的研發工作中很好的強化機器人的感控能力，所以對于單片機技術在機器人設計中的實際運用的研究是切合教學需求的。

1 在高校中實施計算機課程的必要性與可行性

1.1 在高校中實施計算機課程教學改革的必要性

現如今各大高校的計算機課程出現了統一化趨勢，不同學校的計算機專業都有著相似的課程安排、相似的培養方案，課程內容老套，教學安排無法體現學校特色，學科創新難，學科內容與現如今最新型的科學技術脫軌，不能做到實時更新[2]。

在計算機教學過程中通過考試依舊是學生學習的最大目標，能夠實現題目要求，顯示出正確的結果就算是完成任務，甚至為了考試背下正確的代碼以方便考試。創新能力在這種學習方式中沒有分毫的體現，這也是現如今的計算機教學所存在的最大的弊病，學生獨立編程的能力應遠比完成考試、完成作業來的重要。

學校為本專業的學生設計的培養方案也不能很好地與企業需求進行對接，企業更加注重的是學生未來獨立解決問題的能力、有自己的設計思路、有扎實的基本功，其中最為重要的就是學生用編程設計解決實際需求的能力，而這種能力就需要學生有足夠的實踐經驗，這也是現在的學生最為缺乏的[3]。

1.2 基于單片機機器人實施計算機課程教學改革的可行性

1.2.1 理論上的可行

現如今教學過程中的弊病一一體現，課程改革勢在必行，研究可行的課程改革方案也成了一線教育工作者所必須要探究與思考的問題。而改革的重點則集中實踐二字上。

減少理論課時，增加實踐。課程設計在沒有標準答案的情況下，讓學生通過自己所學的知識，通過查閱參考資料，獨立完成項目。而將單片機機器人融入計算機課程設計中既可以滿足沒有標準答案，讓學生真正獨立的完成自主設計，也可以滿足讓課程設計不至于太過簡單，從而無法激發學生在設計過程中的學習與思考，無法達到促進學生能力升級的目的[4]。一定難度的題目，也沒有現成答案的參考，十分契合現如今大環境下科技未來的發展方向，也為學生未來的求職履歷添上精彩的一筆，簡言之，將單片機機器人融入計算機課程是十分可行的。

1.2.2 實踐上的可行

單片機機器人設計技術主要組成部分：在機器人的設計過程中，需要單片機來把控整個系統，并對于不同功能的模塊進行組裝與銜接；在機器人的實際使用過程中，對各個單元反饋的信息做出處理，并自動生成不同的指令來調控各個單元進行相應的操作。

在實際操作中選用了AT89C51單片機作為整個機器人的控制核心，單片機單元的主要作用是負責掃描鍵盤輸入的信號，處理傳感器采集到的數據產生不同的脈沖控制電機，從而實現對機器人的控制，相關數據送至顯示單元動態顯示，產生實時的聲光報警信號。使用紅外線電傳感器作為監測路況的探照單元，使用電光碼盤測距，用光敏電阻判斷車庫位置，利用PWM技術動態控制電動機的轉動方向和轉速。通過計算機編寫指令從而精準實現機器人的行走、后退、避讓路障、精確停止等操作的完成，并將行程期間的監測數據進行逐一記錄，反饋在顯示屏上。在前述操作之后，找尋整體電路的最佳搭配，以達到51單片機的最優利用。

基于51單片機的機器人設計可行性已經被實踐驗證過是完全可行的，關于機器人的組成單元也有完整的介紹，學生在設計中的難點主要體現在編寫正確的程序指令，選擇正確的傳感器并正確使用它們，十分熟悉自己所選的單片機的型號及其功能，最后就是將他們統一組裝起來并裝上動力裝置[5]。在此過程中學生可以按照自己的想法，增刪機器人的功能，有什么想法就大膽實踐出來，這就是創新精神萌芽的第一步。

2 關于在計算機課程中單片機智能機器人的課程設計細則

要進行單片機智能機器人設計并不是能夠簡單上手的任務，而是要在完成單片機、模擬電路與數字電路以及計算機編程之后才能進行的一項課程設計。在此基礎上，單片機智能機器人的設計可以分為三大模塊：單片機運用，電路的組裝，以及C51程序的編寫，每一步都需要學生具有扎實的基礎知識。教師在教授完成單片機課程后，可以安排同學們進行更加深入的學習。在進行整體方案設計時，讓同學們在計算機上進行單片機機器人控制系統的設計，運用計算機強大的模擬計算技術，用單片機模擬軟件在電腦上自行設計有關電路，學生要思考關于每個單元的功能實現，以及如何將各個單元連接起來。

完成模擬設計圖之后，實際操作起來就能更加明確，接下來的工作就是解決線路的連接問題。實際的操作與理想情況下的設計一般來說都不會完全相同，學生依舊要在此階段進行摸索，選擇正確的零件以及正確的連接方式。

機器人的智能取決于命令語言的編寫，這也是整個課程設計難點的集中之處。整個系統的軟件設計，用C51語言編寫軟件程序，主要包括初始化程序、偏離軌道調整程序、偏離光源調整程序、聲光指示程序子程序、讀取、顯示傳感器狀態程序、定時器中斷服務程序、停車處理模塊等。

單片機機器人設計需要十分扎實的單片機知識以及編程技巧，學生在完成教學任務的同時也是對自己編程技術以及單片機應用技能的一次鍛煉。但學生獨自完成十分有難度，教師在安排授課的時候也應該注意進行小組學習的安排，引導學生學會查閱資料，鼓勵學生與教師、學生與學生進行問題的討論。對于水平高的學生，教師可以著重引導他們進行深入創新研究，比如在完成設計的基礎上探討研究選用那種型號的單片機最符合要求，如何能實現整個電路更加低耗等。

教學實踐課程的主要目的是為給學生提供一個能夠發揮學習自主性、培養獨立學習能力的機會，但這并不意味著教師在這個過程中就可有可無，相反教師依舊扮演著非常重要的角色。此課程設計中學生的完成難度必然很大，這就需要教師時刻給予學生專業上的指導。

在課程設計開始之前，教師應該按照自己的教學目標并結合學生的學習能力，對課程進行不同程度的解讀。比如對于基礎知識并不完善的學生，教師在發布設計任務的同時就為同學們解析整個機器人的結構，并對較難的地方比如將部分代碼設置為已知條件，從而降低課程設計難度。面對較高水平的學生，或者教師想要提高課程設計的難度，則可以適當減少已知條件的設立。

在課程設計的過程中，學生有了階段性的進步之后，教師應該就學生對于階段性設計的自我總結給予評析，以便幫助學生把握設計方向，防止學生耗時耗力卻無法得到令人滿意的結果，從而對他們的學習積極性產生巨大的打擊，這是得不償失的。課程改革的重點就是幫助學生提高自主學習能力，提高他們的創新探索精神，而并非用有難度的課題打消學生的學習興趣。

在課程設計的結尾，學生基本上都完成了設計，教師可以在此時聽取學生們在設計過程中所發現的問題，為他們一一解答，并對學生能力進行評估。對完成度好的同學，教師可以引導他們思考能否對機器人的零件進行優化替換，又或者能否為機器人添加其他的功能，比如添加太陽能板等問題。根據不同層次的學生進行不同的教學指導，將因材施教貫徹到教學過程中，幫助學生尋找到最適合自己的學習方向。

3 結語

計算機專業的學科創新是一個持續的、不斷深化的過程，對于學生的培養方案一定要向著社會的需求與科技的前沿方向發展。注重對于學生創新能力、自主學習能力、解決問題能力的培養。激發學生對于未知領域的探索欲，鼓勵他們進行創新創業。在實踐教學過程中不斷地改進、探索和完善，真正達到實踐課程的教學目的。