以機(jī)器人為載體的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

許 超，吳新杰

(遼寧大學(xué)物理學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110036)

機(jī)器人技術(shù)作為目前社會(huì)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(diǎn)，代表了機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)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(shí)，機(jī)器人出現(xiàn)在高校實(shí)踐教學(xué)中也為學(xué)生的工程教育提供了一個(gè)嶄新的平臺(tái)，它不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的載體，是鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神的有效手段，也推動(dòng)了高校工科專業(yè)的課程設(shè)置、實(shí)踐教學(xué)等多環(huán)節(jié)的發(fā)展。為此，我校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中以機(jī)器人為載體，吸納了傳統(tǒng)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)的形式，讓學(xué)生置身于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景之中，強(qiáng)化了課堂上所傳授的理論知識(shí)，提高了學(xué)生在單片機(jī)應(yīng)用方面的實(shí)踐技能。

1 應(yīng)用意義

機(jī)器人技術(shù)之所以應(yīng)用在高校實(shí)踐教學(xué)中，是因?yàn)樗邆鋬纱筇攸c(diǎn):第一是適用性，能滿足實(shí)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(duì)象和教學(xué)目的的變化增、減功能模塊，這點(diǎn)特別有利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新研究[1-3]。

將機(jī)器人引入單片機(jī)課程設(shè)計(jì)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(dòng)形式，體現(xiàn)出課程設(shè)計(jì)的主要價(jià)值——真實(shí)性、實(shí)踐性、主動(dòng)性以及活動(dòng)與經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)性，真正地從社會(huì)應(yīng)用角度開展了課程教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了大學(xué)課程的職業(yè)化。同時(shí)，機(jī)器人教育的相關(guān)性也促進(jìn)學(xué)生非技術(shù)能力的提高。課程設(shè)計(jì)的前期可以激勵(lì)學(xué)生從各個(gè)方面獲取有價(jià)值的信息，比如單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、元器件的技術(shù)參數(shù)、各類文獻(xiàn)的檢索等。課程設(shè)計(jì)中因?yàn)樯婕皺C(jī)械加工、傳感器、智能算法等多類知識(shí)，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(tuán)隊(duì)精神、分析和解決問(wèn)題的能力得到提高，在對(duì)方案的多次實(shí)踐改進(jìn)中提高了對(duì)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(huì)交流，也初步了解了科學(xué)研究，培養(yǎng)了工程意識(shí)和創(chuàng)新精神，可以說(shuō)單片機(jī)—機(jī)器人制作過(guò)程也是一個(gè)自我學(xué)習(xí)與完善創(chuàng)新的過(guò)程[4、5]。

2 實(shí)施思路

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)中的一項(xiàng)實(shí)踐性環(huán)節(jié)，以機(jī)器人為載體的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)融入了工程教育理念，把該課程設(shè)計(jì)界定為一種以單片機(jī)為控制中心的機(jī)器人開發(fā)任務(wù)，引進(jìn)與相關(guān)課程新技術(shù)結(jié)合緊密的實(shí)踐課題，鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出設(shè)計(jì)思想，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和程序控制等工作，在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中緊緊圍繞以下三點(diǎn)開展工作。

2.1 實(shí)行柔性的教學(xué)方案，開展個(gè)性化教育

課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式通常為任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式，以完成某項(xiàng)任務(wù)的最終效果為考核依據(jù)。但學(xué)生存在個(gè)體差異，在學(xué)習(xí)方法和吸收知識(shí)能力上都不盡相同，不能在教學(xué)和考核過(guò)程中一概而論。因此，要針對(duì)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(shí)個(gè)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(lì)拓展型和創(chuàng)新型?；A(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(jì)的及格水平;有興趣且基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生，鼓勵(lì)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(shí)間進(jìn)行創(chuàng)新型訓(xùn)練，真正地讓實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)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(cè)道路，并完成避開障礙物;但經(jīng)過(guò)教學(xué)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，除個(gè)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(guò)加俯視的探測(cè)器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域邊緣的檢測(cè)，完善機(jī)器人移動(dòng)的智能化;極少數(shù)學(xué)生經(jīng)過(guò)努力可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人尾隨前方引導(dǎo)車，跟隨做任意形式移動(dòng)。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(jìn)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(jì)，因材施教，這也給教師帶來(lái)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(jī)器人技術(shù)涉及到工程力學(xué)、機(jī)械制造、電子技術(shù)和自動(dòng)控制等學(xué)科，而我們引入機(jī)器人平臺(tái)于單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中，不僅僅是因?yàn)槠溥m合性和擴(kuò)展性，更看重學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)不應(yīng)單純地依附于單片機(jī)理論課。例如測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)生并不上“機(jī)械工程”課程，但學(xué)生會(huì)到機(jī)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(jìn)的制造技術(shù)對(duì)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(jì)中可以設(shè)計(jì)涵蓋機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械加工的教學(xué)任務(wù)，這樣可有效地提高學(xué)生對(duì)機(jī)械制造的認(rèn)知和機(jī)床操作及零件加工的熟練程度，進(jìn)而提高其動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力。

2.3 課程設(shè)計(jì)強(qiáng)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(jī)器人平臺(tái)引入課程設(shè)計(jì)中，恰好彌補(bǔ)了這一需求。在教學(xué)過(guò)程中可根據(jù)學(xué)生各自的特點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生提出設(shè)計(jì)思想，各種傳感器的選擇、控制及驅(qū)動(dòng)電路板的制作和焊接完全自己動(dòng)手，有關(guān)機(jī)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(cuò)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(shí)現(xiàn)了學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的目的。圖1為測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中的成果。其中圖1(a)為配備機(jī)械爪的兩輪式搬運(yùn)機(jī)器人，圖1(b)為配備紅外傳感器的四輪式循跡機(jī)器人?？梢哉f(shuō)，如果課程是人才培養(yǎng)的有形載體，那么測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是離職業(yè)化最近的一個(gè)接點(diǎn)。

3 課程設(shè)計(jì)案例

設(shè)計(jì)題目:循跡機(jī)器人。任務(wù)完成分為如下三個(gè)層次。

(1)規(guī)定任務(wù):機(jī)器人能夠檢測(cè)行進(jìn)的路線，并問(wèn)題，要求學(xué)生回答，最終給出合理的成績(jī)。

本課程案例設(shè)計(jì)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(lì)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(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，真正將理論和實(shí)踐、硬件和軟件結(jié)合起來(lái)。按照該路線行駛。

圖1 實(shí)踐教學(xué)成果

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

(3)創(chuàng)新任務(wù):機(jī)器人可以在多種不同軌跡上行駛。

本項(xiàng)設(shè)計(jì)涉及51單片機(jī)的最小運(yùn)行系統(tǒng)、傳感器在51單片機(jī)上的應(yīng)用、電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和C語(yǔ)言程序編寫等內(nèi)容。需要注意的是，學(xué)生可任意選擇實(shí)驗(yàn)室具備的電子元器件。比如循跡模塊部分，實(shí)驗(yàn)室可提供紅外傳感器、反射型光電探測(cè)器和光敏電阻等。對(duì)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(shí)，也節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。比如，對(duì)可以提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)的陀螺儀加以介紹，便于學(xué)生選擇。

在學(xué)生完成設(shè)計(jì)和調(diào)試后，組織驗(yàn)收。我們根據(jù)學(xué)生的算法設(shè)計(jì)思想、控制電路的合理性、機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)用性、運(yùn)行結(jié)果及完成的任務(wù)等級(jí)，給予學(xué)生考核評(píng)定。同時(shí)，為了更好地了解學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)的理解，針對(duì)有關(guān)設(shè)計(jì)中所涵蓋的知識(shí)點(diǎn)，提出相應(yīng)

4 結(jié)語(yǔ)

我校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)改革已進(jìn)行了兩年，實(shí)踐表明此次改革成效顯著。機(jī)器人平臺(tái)應(yīng)用在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力選擇課程設(shè)計(jì)的題目，提升了學(xué)生的專業(yè)認(rèn)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(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，符合單片機(jī)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(jì)及將來(lái)就業(yè)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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