“教賽創(chuàng)”融合的單片機(jī)課程教學(xué)改革探索

郭亮 劉敏豪 朱樣敏

(1.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 江西南昌 330031;2.深圳前海英飛揚(yáng)科技發(fā)展有限公司 廣東深圳 518000)

目前，我國高等工程教育雖然規(guī)模巨大，但仍然存在很多不足，主要體現(xiàn)在綜合知識能力、工程實(shí)踐能力以及技術(shù)創(chuàng)新能力的不足，現(xiàn)有的教育模式不能夠滿足專業(yè)建設(shè)的發(fā)展需求[1]。

通過研究發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)課程“教賽創(chuàng)”教學(xué)模式展現(xiàn)出了其優(yōu)越性，通過該類教學(xué)模式，能夠提高學(xué)生對課堂知識的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生學(xué)有所用、學(xué)以致用。目前，高校各類學(xué)科競賽和課堂教學(xué)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、創(chuàng)新設(shè)計未能實(shí)現(xiàn)有效融合[2]。該文立足工程教育認(rèn)證背景，以江西省智能機(jī)器人大賽為契機(jī)，建立一種“教賽創(chuàng)”融合的新的單片機(jī)課程教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)工科人才培養(yǎng)體系與學(xué)科競賽無縫鏈接，極大地提高了工科人才工程實(shí)踐創(chuàng)新能力，同時也促進(jìn)了合作公司產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程。

1 單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 理論與實(shí)踐聯(lián)系不夠

單片機(jī)課程是自動化專業(yè)的核心課程，盡管單片機(jī)教學(xué)至關(guān)重要[3]，但許多教師在實(shí)際教學(xué)的過程中卻不能對教學(xué)方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，沒有將課堂學(xué)到的理論知識和實(shí)踐聯(lián)系起來，應(yīng)用專業(yè)知識解決工程領(lǐng)域的復(fù)雜問題，導(dǎo)致學(xué)生不能全面得到培養(yǎng)和鍛煉，學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力沒有得到進(jìn)一步激發(fā)[4]。

1.2 缺乏專業(yè)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

目前教學(xué)中，很多學(xué)校過分依賴仿真軟件Keil 和Proteus，雖然這種做法可以解決教學(xué)資源不足的問題，保證學(xué)生能夠得到充分訓(xùn)練，但離開了具體的實(shí)踐和應(yīng)用就無法對課程知識實(shí)現(xiàn)真正的消化和吸收，也就無法理解單片機(jī)系統(tǒng)的真正研發(fā)和應(yīng)用過程[5]。況且軟件仿真和實(shí)際電路有一定差距，比如：在數(shù)碼管動態(tài)掃描中延時環(huán)節(jié)仿真時總看到數(shù)碼管在閃爍，而實(shí)際調(diào)試并不會出現(xiàn)，這會給學(xué)生軟件調(diào)試帶來誤導(dǎo)。

1.3 無法將相關(guān)專業(yè)課程進(jìn)行有機(jī)融合

教學(xué)過程中，如果沒有具體應(yīng)用背景和項(xiàng)目導(dǎo)向就無法將相關(guān)專業(yè)課程有機(jī)融合[6]。任何一個復(fù)雜工程問題的解決，不可能光靠一門課程或一項(xiàng)技能，需要多個部門或多個領(lǐng)域人員的協(xié)作，比如單片機(jī)、傳感器、計算機(jī)控制系統(tǒng)，甚至圖像處理都有可能同時應(yīng)用在一個項(xiàng)目中，在提升專業(yè)技術(shù)能力的同時也提升了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

2 “教賽創(chuàng)”課程教學(xué)改革設(shè)計

2.1 理論教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

在單片機(jī)的理論教學(xué)過程中，當(dāng)講述完了最小系統(tǒng)后，就可以讓學(xué)生著手設(shè)計適用于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的平臺，幫助學(xué)生加深理解最小系統(tǒng)等理論知識，同時掌握系統(tǒng)原理圖和PCB圖的畫法，熟悉PCB打板過程。以51/STM32 單片機(jī)為核心，設(shè)計一款適用于實(shí)踐環(huán)節(jié)的平臺，該平臺分為底板和核心板兩部分，圖1為基于51單片機(jī)的底板實(shí)物圖，其主要元件定義如下。

圖1 底板實(shí)物圖

（1）穩(wěn)壓芯片；（2）功率選擇跳線：當(dāng)VDD 連接VOUT 時，VDD=5.0V；選擇VDD 連接VIN 時，VDD=VIN；（3）伺服電機(jī)插頭（P4、P5、P6、P7）；（4）撥碼開關(guān)；（5）核心板接插口；（6）USB轉(zhuǎn)串口芯片。

核心板直接通過接插口插在底板上，單片機(jī)可以采用51 系列或者STM32 系列，直接采用接插口連接。圖2 是基于AT89S52 單片機(jī)的核心板實(shí)物圖，其主要元件定義如下：（1）AT89S52 單片機(jī)；（2）串口轉(zhuǎn)換芯片；（3）穩(wěn)壓芯片；（4）存儲芯片。

圖2 核心板實(shí)物圖

2.2 實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計

有了理論教學(xué)環(huán)節(jié)掌握的知識后，就可以動手進(jìn)行打板，對各元件進(jìn)行貼片焊接，完成后就可以在平臺上進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)。通過面包板搭建一些外圍電路，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)中典型的實(shí)驗(yàn)，如流水燈實(shí)驗(yàn)、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、串口實(shí)驗(yàn)、數(shù)字鐘、計數(shù)器實(shí)驗(yàn)等，掌握編程技巧以及程序下載過程，同時也可進(jìn)行單片機(jī)課程設(shè)計訓(xùn)練。

2.3 學(xué)科競賽環(huán)節(jié)設(shè)計

課堂理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)都是為了后續(xù)的解決復(fù)雜工程問題為準(zhǔn)備的，學(xué)生可以通過各類學(xué)科競賽來檢驗(yàn)自己對單片機(jī)課程知識的掌握情況，加強(qiáng)單片機(jī)與傳感器、電子電路、計算機(jī)控制等課程知識的綜合運(yùn)用和團(tuán)隊(duì)合作精神。

江西省智能機(jī)器人大賽采用以上設(shè)計的控制平臺，增加外圍電路和相應(yīng)傳感器結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)常規(guī)擂臺賽、超級彎道競速賽，創(chuàng)意擂臺賽、快速搬運(yùn)碼垛賽等項(xiàng)目的比賽。以大賽促進(jìn)人才培養(yǎng)模式的改革，探索“以賽促教、以賽促學(xué)、賽學(xué)結(jié)合”的人才培養(yǎng)新模式，提高高等教育教學(xué)質(zhì)量。

圖3 為常規(guī)擂臺賽競賽場地，黑色正四邊形邊長為800 mm，中心圓形區(qū)域直徑240 mm，為機(jī)器人起始位置，顏色為黃色。環(huán)形區(qū)域是起始區(qū)域與對戰(zhàn)區(qū)域的分界區(qū)，顏色為綠色，幫助機(jī)器人了解自身位置情況。雙方機(jī)器人對抗持續(xù)時間為2 min。比賽過程中，機(jī)器人需自主運(yùn)行。一方機(jī)器人讓對方機(jī)器人滯留在黑色擂臺區(qū)域外超過10 s，則為獲勝。一方失誤滯留黑色擂臺區(qū)域外超過10 s，則對方獲勝。

圖3 常規(guī)擂臺賽場地

利用以上設(shè)計的51單片機(jī)平臺為控制器，加裝小車本體，小車采用后兩輪差速驅(qū)動，前置萬向球的方式。圖4 是加裝傳感器后用于常規(guī)擂臺賽的機(jī)器人。從圖4 中可以看出，小車前方采用超聲波傳感器用于檢測對方小車，在小車下方加裝多個顏色傳感器用于檢測場地顏色，增強(qiáng)可靠性，最大限度地防止自己失誤超出擂臺區(qū)域。

圖4 常規(guī)擂臺賽智能小車

2.4 創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)

針對不同競賽項(xiàng)目，根據(jù)需要可以選擇不同的控制平臺，比如：快速搬運(yùn)項(xiàng)目需要的控制策略和傳感器更多，可能需要選擇STM32的平臺，電機(jī)可以根據(jù)需要選擇直流或步進(jìn)電機(jī)。搜索對方機(jī)器人方面，可以采用反射式紅外傳感器或超聲波傳感器。也可以自制傳感器用于搜索對方機(jī)器人，比如：采用一排發(fā)光二極管發(fā)出來的光經(jīng)對方機(jī)器人反射后，通過透鏡聚焦再用光敏二極管接收，根據(jù)接收的信號確定對方機(jī)器人的距離和位置。確定機(jī)器人本體當(dāng)前位置，也可以不采用顏色傳感器而采用多個光電傳感器。車子速度反饋可以采用陀螺儀或者光碼盤。圖5為參加常規(guī)擂臺項(xiàng)目的基于STM32平臺的智能機(jī)器人。

圖5 STM32平臺智能小車

3 結(jié)語

針對當(dāng)前單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀存在的不足進(jìn)行分析并提出改進(jìn)方法，探索性地將“教、賽、創(chuàng)”三位一體教學(xué)改革模式應(yīng)用在單片機(jī)課程教學(xué)中，將學(xué)校理論和實(shí)踐教學(xué)、學(xué)科競賽和創(chuàng)新時間深度融合，形成一套“教、賽、創(chuàng)”互動的工科人才培養(yǎng)模式的運(yùn)行機(jī)制。研究結(jié)果證明，實(shí)踐教學(xué)的改革激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的自信心，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力，提高了企業(yè)的產(chǎn)能。