同濟大學浙江學院 機械與汽車工程系 浙江 嘉興 314051

0 引言

嵌入式系統(tǒng)課程作為電氣、電子、通信等專業(yè)的必修課程，涉及到模擬電子、數(shù)字電子、程序設計、電路理論等很多相關課程。但是該課程有自己的獨特性，它與實際應用更為貼近，而且有更多的實踐環(huán)節(jié)。因此，如果將嵌入式課程與實踐結合，以提高學生的學習興趣，同時挖掘一些優(yōu)秀學生進入更深入的學習將變得更加重要[1-2]。

隨著技術發(fā)展，機器人受到學生的青睞，在實際學習中，將機器人項目與嵌入式理論課程相結合，對開闊學生視野，提升學習動力有非常現(xiàn)實的效果。將機器人設計與應用的環(huán)節(jié)剖析為模塊，與嵌入式系統(tǒng)課程對應，使學生在項目中掌握技術與知識點[3]。

1 當前嵌入式課程現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)作為高年級的專業(yè)課，由于多學科交叉，同時又有很強的實踐性，因此教學中難度較大。目前，嵌入式相關課程教學還存在諸多不足。

(1)教學方式落后。嵌入式系統(tǒng)涵蓋了編程、電路、模電等各門課程，學生如果某方面知識欠缺，會導致嵌入式教學非常困難。而教師一般會穿插一些基礎理論進行鞏固，使得學生感覺該課程知識點混雜，多且繁瑣，課程最終變成一門綜述性課程，無法將嵌入式的實用性體現(xiàn)出來[4]。

(2)理論過多，實踐偏少。高校教師具有高學歷和較強的教學及科研能力，但是實際應用和開發(fā)能力缺乏，而嵌入式系統(tǒng)課程應用型較強，需要大量的實踐操作，特別是貼合實際應用的例子。很多高校的嵌入式課程會從嵌入式歷史開始，重點講解匯編語言的語法和應用，甚至連C語言與嵌入式的結合都不涉及，這與學生的工作實際還有很大的差距。此外，學校的實驗課程均采用簡單的實驗箱，連上幾根線后編寫一段代碼，驗證程序是否正確。這樣的十元無法讓學生掌握要領，更重要的是導致學習非?？菰餆o味，與學生的就業(yè)需求有差距[5]。

(3)學習興趣不濃。正是由于嵌入式系統(tǒng)教學中存在以上的各種問題，在課程緒論中，教師強調了課程的重要性和實用性，但是實際教學中，學生發(fā)現(xiàn)這些匯編程序跟紅綠燈、跟機器人等實際產品有很大的落差，無法激發(fā)學生的學習興趣。另一方面，由于嵌入式課程具有綜合性，難度較大，導致部分學生望而卻步。

2 結合機器人項目的嵌入式課程內容

相對于嵌入式系統(tǒng)的教學，機器人技術涉及的知識點和技術領域更加廣泛，因此需要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的教學大綱，提取機器人項目中與教學相關的內容建立教學體系，再選取部分擴展內容作為優(yōu)秀學生的拔高和興趣學習。

圖1 機器人技術與嵌入式系統(tǒng)知識關聯(lián)圖

機器人技術從硬件到軟件，從理論到實踐，有一套完整的理論與方法，嵌入式系統(tǒng)課程中無法面面俱到，按照嵌入式系統(tǒng)的教學大綱和學習要求，從中挑選適合該門課程的內容重點銜接，如圖1所示。上半部分陰影區(qū)域是屬于基礎模塊，要求所有學生都應該學習和掌握，下部分屬于提高部分，對于有能力和競賽選拔的學生進行自學和分組學習，使不同階段的學生因材施教。首先從機器人的啟動開始，啟動指示燈、數(shù)字傳感器信號指示燈等最簡單的功能需要用到IO(input&output，輸入輸出口)功能；功能選擇按鍵，模式配置等按鍵可以使用輸入中斷，搭配中斷配置以及優(yōu)先級設定等基本功能進行演示與學習。定時器和脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)在嵌入式系統(tǒng)教學屬于重難點，在理論講解時晦澀難懂，將其與機器人驅動結合，可以極大提高學生學習興趣和動手能力。

3 機器人項目在課程中的實施

不同行業(yè)，不同類型的機器人設計方式和外形差異很大，應該重點選擇一種機器人從功能需求出發(fā)，引導學生思考如何一步步實現(xiàn)所需要的功能，這不僅可以提高學生解決問題的能力，而且讓學生有一種成功的自信和喜悅感。在實際教學中，本文選擇了浙江省大學生機器人競賽中的對抗機器人作為課程改革的目標。對抗機器人賽制由于兩兩對抗淘汰，比賽刺激，可創(chuàng)新性強，受到了眾多學生的青睞[4]。

(一)設計需求

但要實現(xiàn)能夠對抗的機器人，首要目標實現(xiàn)能夠運動的最基本的機器人。因此，課程里初步設計需求如下：

(1)四輪機器人小車；左右兩側的前后電機接在一起，形成雙電機驅動結構；

(2)前置循跡傳感器采用8通道模擬傳感器；8路反射式光電傳感器通過模擬數(shù)字轉換送到CPU；

(3)電機兩側車輪中心位置加裝2個數(shù)字激光傳感器，用于檢測十字路口檢測和轉彎；

(4)使用0.96寸OLED屏幕顯示AD轉換結果值，以及其他重要信息，方便調試和觀察；

(5)若干按鍵和LED指示燈，用于速度、方向、狀態(tài)等的設置與顯示。

(二)課程實施

如何實現(xiàn)機器人的各種復雜功能，從上而下的系統(tǒng)模塊設計法是一個不錯的選擇。大部分的嵌入式系統(tǒng)就是通過任務劃分的方式進行設計，最終形成一個完整的系統(tǒng)。在課程教學中，需要根據(jù)教學難度和目標平衡內容。具體安排如表1所示。

表1 結合機器人的嵌入式系統(tǒng)教學安排

整個課程設計圍繞機器人技術，因為機器人本身就是一個復雜的嵌入式系統(tǒng)。將抽象的嵌入式系統(tǒng)概念落實到具體的機器人系統(tǒng)中，有利于學生更好的接受和吸收知識，同時在實驗中避免單純的閃爍燈、顯示燈毫無關聯(lián)的實驗項目，通過一步步的學習與實驗，最終設計出可以按照學生的想法進行動作的機器人，比死板的傳統(tǒng)的實驗箱實驗更加的有趣和生動。

在課程初期，為了加深學生對嵌入式概念的理解，以及提升學生興趣，防止學生害怕這門綜合性課程，通過年輕人喜愛的對抗類機器人競賽視頻抓住學生的心。傳達這門課的目標是設計出類似的作品，實驗證明該方法可以極大的提升學生的學期興趣。但同時注意，不宜選用過于復雜的機器人(如Robot Master)作為設計目標，難度過大會導致學生失去信心。

正式開始后，按照興趣以及擅長的知識進行半自由分組。實行半自由的目的是為了避免所有優(yōu)秀的學生全部集中在一組，部分組別無法完成任務而放棄學習。由于該課程教學中有大量的實踐需要教師指導和幫助，因此課程適合小班化教學，甚至圓桌會議形式進行，方便組內學生討論和實驗。

接著是任務的細化。一個完整的機器人包括眾多模塊和組件。教師應該引導學生進行細化和組裝。先從最基本的功能開始，從車輪、電源、底盤、核心板的組裝開始。當這些部分搭建后，雖然不涉及到機器人的難點：編程部分。但是學生已經擁有了機器人的雛形：這對學生的興趣和后續(xù)學習的動力起到非常重要的作用。在實際教學中發(fā)現(xiàn)，學生對這個什么也做不了的機器人非常的珍惜和保護，貼上心愛的標簽，會取一個符合他們年齡的個性化名字，與其他組的同學放在一起對比，誰的機器人更加的完美。

具體功能的實現(xiàn)。先從最簡單的機器人指示燈開始。告知它的主人“我正在工作，而且沒有偷懶”，這可以通過一個閃爍的LED燈來實現(xiàn)，這樣一步步引導學生如何實現(xiàn)燈的亮滅和延時?？梢赃m當進行知識點順序的調整。學生最感興趣的是機器人的動作，所以機器人能夠跑起來無疑是檢驗一個機器人優(yōu)秀與否最重要的標志。所以可以將定時器的內容提前。

當學生看到機器人在教室地上亂跑，教室的氣氛無疑是熱烈的。

4 結語

通過將機器人技術與嵌入式系統(tǒng)課程相結合，有利于培養(yǎng)學生主動解決問題的能力，有利于提高學生的學習興趣，有利于增強學生的團隊凝聚力。學生通過在具體項目的完整設計中，體驗到設計的樂趣，同時比傳統(tǒng)的實驗箱更加的生動。通過該項目的實際實施與考核結果，首先是學生的期末考試成績有稍微的提高，但是解決問題的能力有明顯的提高，參加學科競賽和大學生創(chuàng)新項目的意愿更強烈，自信心明顯提升。