許 超，吳新杰

(遼寧大學(xué)物理學(xué)院，遼寧沈陽110036)

機器人技術(shù)作為目前社會發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，體現(xiàn)了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)所具備的高度分化但又高度集中的特點，代表了機械工程、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能等多學(xué)科的最新研究成果。同時，機器人出現(xiàn)在高校實踐教學(xué)中也為學(xué)生的工程教育提供了一個嶄新的平臺，它不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的載體，是鍛煉學(xué)生的實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神的有效手段，也推動了高校工科專業(yè)的課程設(shè)置、實踐教學(xué)等多環(huán)節(jié)的發(fā)展。為此，我校測控技術(shù)與儀器專業(yè)在單片機課程設(shè)計中以機器人為載體，吸納了傳統(tǒng)教學(xué)的經(jīng)驗，采取任務(wù)驅(qū)動的形式，讓學(xué)生置身于實際應(yīng)用場景之中，強化了課堂上所傳授的理論知識，提高了學(xué)生在單片機應(yīng)用方面的實踐技能。

1 應(yīng)用意義

機器人技術(shù)之所以應(yīng)用在高校實踐教學(xué)中，是因為它具備兩大特點:第一是適用性，能滿足實踐教學(xué)的相關(guān)需求;其次是開放性，可以根據(jù)教學(xué)對象和教學(xué)目的的變化增、減功能模塊，這點特別有利于學(xué)生進行創(chuàng)新研究[1-3]。

將機器人引入單片機課程設(shè)計中，為高校教學(xué)提供了一種工程教育和創(chuàng)新教育與前沿研究相結(jié)合的生動形式，體現(xiàn)出課程設(shè)計的主要價值——真實性、實踐性、主動性以及活動與經(jīng)驗的相關(guān)性，真正地從社會應(yīng)用角度開展了課程教學(xué)活動，實現(xiàn)了大學(xué)課程的職業(yè)化。同時，機器人教育的相關(guān)性也促進學(xué)生非技術(shù)能力的提高。課程設(shè)計的前期可以激勵學(xué)生從各個方面獲取有價值的信息，比如單片機的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、元器件的技術(shù)參數(shù)、各類文獻的檢索等。課程設(shè)計中因為涉及機械加工、傳感器、智能算法等多類知識，拓展了學(xué)生視野，而學(xué)生的相互交流又使得溝通能力、團隊精神、分析和解決問題的能力得到提高，在對方案的多次實踐改進中提高了對挫折的忍受力等多種非技術(shù)能力。這些鍛煉使學(xué)生懂得合作、學(xué)會交流，也初步了解了科學(xué)研究，培養(yǎng)了工程意識和創(chuàng)新精神，可以說單片機—機器人制作過程也是一個自我學(xué)習(xí)與完善創(chuàng)新的過程[4、5]。

2 實施思路

單片機課程設(shè)計是測控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)中的一項實踐性環(huán)節(jié)，以機器人為載體的單片機課程設(shè)計融入了工程教育理念，把該課程設(shè)計界定為一種以單片機為控制中心的機器人開發(fā)任務(wù)，引進與相關(guān)課程新技術(shù)結(jié)合緊密的實踐課題，鼓勵學(xué)生大膽提出設(shè)計思想，對機器人進行結(jié)構(gòu)改造、系統(tǒng)設(shè)計和程序控制等工作，在課程設(shè)計過程中緊緊圍繞以下三點開展工作。

2.1 實行柔性的教學(xué)方案，開展個性化教育

課程設(shè)計的教學(xué)模式通常為任務(wù)驅(qū)動方式，以完成某項任務(wù)的最終效果為考核依據(jù)。但學(xué)生存在個體差異，在學(xué)習(xí)方法和吸收知識能力上都不盡相同，不能在教學(xué)和考核過程中一概而論。因此，要針對不同的學(xué)生執(zhí)行不同的任務(wù)方案，從學(xué)生的現(xiàn)實個性出發(fā)，尊重學(xué)生的需要和興趣。在教學(xué)改革中，將教學(xué)內(nèi)容劃分為三種類型，即規(guī)定基礎(chǔ)型、鼓勵拓展型和創(chuàng)新型。基礎(chǔ)部分為所有學(xué)生必須完成的考核任務(wù)，它代表課程設(shè)計的及格水平;有興趣且基礎(chǔ)扎實的學(xué)生，鼓勵完成有思維難度的拓展部分;引導(dǎo)一些較優(yōu)秀的學(xué)生利用課余時間進行創(chuàng)新型訓(xùn)練，真正地讓實驗室和實驗設(shè)備面向?qū)W生全面開放。以C51接口與紅外線導(dǎo)航部分為例，規(guī)定任務(wù)是利用紅外線發(fā)射和接收器件探測道路，并完成避開障礙物;但經(jīng)過教學(xué)驗證發(fā)現(xiàn)，除個別學(xué)生只選擇完成規(guī)定任務(wù)外，近半數(shù)的學(xué)生能夠開展任務(wù)拓展，通過加俯視的探測器實現(xiàn)機器人對運動區(qū)域邊緣的檢測，完善機器人移動的智能化;極少數(shù)學(xué)生經(jīng)過努力可以實現(xiàn)機器人尾隨前方引導(dǎo)車，跟隨做任意形式移動。當(dāng)然，這種教學(xué)模式最關(guān)鍵的是要做到了解學(xué)生進度，這不是單純的督促，而是一種引導(dǎo)學(xué)生尋找適合自己能力的課程設(shè)計，因材施教，這也給教師帶來了極大的工作量。

2.2 與其他學(xué)科關(guān)聯(lián)，注重教學(xué)內(nèi)容更新

機器人技術(shù)涉及到工程力學(xué)、機械制造、電子技術(shù)和自動控制等學(xué)科，而我們引入機器人平臺于單片機課程設(shè)計中，不僅僅是因為其適合性和擴展性，更看重學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)。單片機課程設(shè)計不應(yīng)單純地依附于單片機理論課。例如測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)生并不上“機械工程”課程，但學(xué)生會到機械相關(guān)的單位就業(yè)，企業(yè)也需要多技能的人才，況且先進的制造技術(shù)對發(fā)展科學(xué)技術(shù)，具有十分重要的意義。因此，在課程設(shè)計中可以設(shè)計涵蓋機械結(jié)構(gòu)和機械加工的教學(xué)任務(wù)，這樣可有效地提高學(xué)生對機械制造的認知和機床操作及零件加工的熟練程度，進而提高其動手能力和解決問題的能力。

2.3 課程設(shè)計強調(diào)教學(xué)的職業(yè)化

在精英教育的高校中，教學(xué)目標(biāo)往往定位為研究型，而忽略了應(yīng)用型，將機器人平臺引入課程設(shè)計中，恰好彌補了這一需求。在教學(xué)過程中可根據(jù)學(xué)生各自的特點，鼓勵學(xué)生提出設(shè)計思想，各種傳感器的選擇、控制及驅(qū)動電路板的制作和焊接完全自己動手，有關(guān)機器人的控制策略等程序內(nèi)容需要自己編寫和修改，這種全程化、全面化和滲透化的訓(xùn)練，可以使學(xué)生在軟件編程、排錯調(diào)試、焊接技術(shù)、相關(guān)儀器設(shè)備的使用等方面得到較全面的鍛煉和提高，實現(xiàn)了學(xué)生靈活運用所學(xué)知識的目的。圖1為測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生在單片機課程設(shè)計中的成果。其中圖1(a)為配備機械爪的兩輪式搬運機器人，圖1(b)為配備紅外傳感器的四輪式循跡機器人?？梢哉f，如果課程是人才培養(yǎng)的有形載體，那么測控技術(shù)與儀器專業(yè)的單片機課程設(shè)計是離職業(yè)化最近的一個接點。

3 課程設(shè)計案例

設(shè)計題目:循跡機器人。任務(wù)完成分為如下三個層次。

(1)規(guī)定任務(wù):機器人能夠檢測行進的路線，并問題，要求學(xué)生回答，最終給出合理的成績。

本課程案例設(shè)計方案由學(xué)生自主構(gòu)思，根據(jù)自身能力和學(xué)習(xí)精力加以調(diào)整，教師積極鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生選取拓展任務(wù)和創(chuàng)新任務(wù)，從而鍛煉學(xué)生的動手能力和解決實際問題的能力，真正將理論和實踐、硬件和軟件結(jié)合起來。按照該路線行駛。

圖1 實踐教學(xué)成果

(2)拓展任務(wù):機器人在偏離預(yù)定路線后比如遇到障礙，能夠自動回到預(yù)定路線。

(3)創(chuàng)新任務(wù):機器人可以在多種不同軌跡上行駛。

本項設(shè)計涉及51單片機的最小運行系統(tǒng)、傳感器在51單片機上的應(yīng)用、電機驅(qū)動方案、機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和C語言程序編寫等內(nèi)容。需要注意的是，學(xué)生可任意選擇實驗室具備的電子元器件。比如循跡模塊部分，實驗室可提供紅外傳感器、反射型光電探測器和光敏電阻等。對于拓展任務(wù)和創(chuàng)新任務(wù)，教師可給予學(xué)生一定的指導(dǎo)，既引導(dǎo)學(xué)生吸納新知識，也節(jié)省了設(shè)計時間。比如，對可以提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號的陀螺儀加以介紹，便于學(xué)生選擇。

在學(xué)生完成設(shè)計和調(diào)試后，組織驗收。我們根據(jù)學(xué)生的算法設(shè)計思想、控制電路的合理性、機械結(jié)構(gòu)的實用性、運行結(jié)果及完成的任務(wù)等級，給予學(xué)生考核評定。同時，為了更好地了解學(xué)生對課程設(shè)計的理解，針對有關(guān)設(shè)計中所涵蓋的知識點，提出相應(yīng)

4 結(jié)語

我校測控技術(shù)與儀器專業(yè)的單片機課程設(shè)計改革已進行了兩年，實踐表明此次改革成效顯著。機器人平臺應(yīng)用在單片機課程設(shè)計中，學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力選擇課程設(shè)計的題目，提升了學(xué)生的專業(yè)認同度，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性，經(jīng)歷了一次系統(tǒng)性的工程實戰(zhàn)訓(xùn)練，符合單片機教學(xué)的工程性和職業(yè)化的要求，也為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計及將來就業(yè)打下了扎實的基礎(chǔ)。

[1]曹建樹，代峰燕，俞建榮等.應(yīng)用型工科院校單片機課程教學(xué)改革與實踐[J].上海:實驗室研究與探索，2012，31(3):129-132

[2]許超，吳新杰.任務(wù)驅(qū)動式實踐教學(xué)在單片機課程中的應(yīng)用[J].錦州:渤海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，32(2):180-184

[3]肖靜，余穎，張道海.立足機器人競賽促進創(chuàng)新訓(xùn)練與實踐教學(xué)改革[J].撫州:東華理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2013，32(2):189-192

[4]王紅超.機器人在單片機教學(xué)中的應(yīng)用[J].上海:實驗室研究與探索，2013，32(2):213-215

[5]姚志鳳，薛少平，陳亞娟.機器人創(chuàng)新實驗室的多元化模式探究[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34(5):76-77