智能小車與單片機(jī)課程融合教學(xué)模式探索

李松濤

摘要：為了切實(shí)提高學(xué)生的單片機(jī)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，對(duì)以智能小車為應(yīng)用平臺(tái)的單片機(jī)教學(xué)模式進(jìn)行了探索。將教學(xué)內(nèi)容融入智能小車的各個(gè)功能模塊，按照整體到部分，再到整體的認(rèn)知過(guò)程，首先讓學(xué)生了解智能小車的整體功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神，在后續(xù)的教學(xué)中將理論教學(xué)與智能小車各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)合起來(lái)，最終整合成一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)。這種教學(xué)模式既豐富了教學(xué)內(nèi)容，也對(duì)后續(xù)課程的開展及學(xué)科競(jìng)賽的參與起到引導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);教學(xué)模式;智能小車;課程改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）16-0133-03

單片機(jī)課程是電子類及計(jì)算機(jī)類相關(guān)專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、綜合性和應(yīng)用性，它強(qiáng)調(diào)軟、硬件技術(shù)的結(jié)合，是一門涉及電子技術(shù)、控制算法編程、傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等多門課程的綜合性應(yīng)用技術(shù)課程[1-2]。

在單片機(jī)課程的教學(xué)中，通常采用這樣的教學(xué)過(guò)程：以單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)為主線，對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、編程模型、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等理論知識(shí)進(jìn)行講解[3]。知識(shí)點(diǎn)以模塊的形式給出，學(xué)生學(xué)習(xí)后，雖然掌握了單個(gè)模塊的相關(guān)知識(shí)，但是對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景了解不多，無(wú)法做到學(xué)以致用[4]。課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)大部分是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)軟硬件環(huán)境都是固定的，學(xué)生只需要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書步驟完成即可，各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相互獨(dú)立，無(wú)法將它們?nèi)诤铣梢粋€(gè)整體。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，通常無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)展，這也限制了學(xué)生創(chuàng)造性的發(fā)揮[5]。

學(xué)科競(jìng)賽是實(shí)踐教學(xué)和創(chuàng)新活動(dòng)的重要載體[6-7[。在眾多的大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽中與單片機(jī)等微控器相關(guān)的有全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽。其中全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽是以智能汽車為研究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向全國(guó)大學(xué)生的一種具有探索性的工程實(shí)踐活動(dòng)，也是教育部倡導(dǎo)的科技競(jìng)賽之一[8]。智能小車作為一個(gè)系統(tǒng)化集成的產(chǎn)品，以其趣味性。知識(shí)性和實(shí)用性，引起了學(xué)生的濃厚興趣，激發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)的探索要求。智能小車的控制核心是單片機(jī)，為實(shí)現(xiàn)智能小車的功能，需要使用各類外圍模塊對(duì)單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)，智能小車初始狀態(tài)都是一些元器件和獨(dú)立模塊，需要學(xué)生根據(jù)電路圖和裝配圖進(jìn)行焊接、組裝，在硬件平臺(tái)上再進(jìn)行編程、調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的系統(tǒng)。在單片機(jī)課程教學(xué)中引入智能小車不僅鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，也為學(xué)生提供一個(gè)學(xué)習(xí)和探索單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，參與學(xué)科競(jìng)賽的平臺(tái)。

1 智能小車基本構(gòu)成與模塊

1.1 智能小車基本結(jié)構(gòu)

為更好地提高教學(xué)效果，要對(duì)智能小車的硬件結(jié)構(gòu)和模塊進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以滿足課程教學(xué)的需要。智能小車采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，采用開放式設(shè)計(jì)思路，在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上、添加基礎(chǔ)模塊和擴(kuò)展模塊。智能小車采用 4 輪小車，小車由后側(cè)兩輪驅(qū)動(dòng).使用以STM32F103單片機(jī)為控制核心的主控制板，紅外避障模塊、超聲波測(cè)距模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和無(wú)線模塊等設(shè)計(jì)了智能小車系統(tǒng)，智能小車結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 智能小車功能模塊

1）主控制板

主控制板由控制基板和微控制器板組成。微控制器板以STM32F103單片機(jī)為核心，與外圍的晶振電路、復(fù)位電路構(gòu)成了一個(gè)最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)以模塊的形式插接在控制基板上構(gòu)成了智能小車的主控制板。

2）電源模塊

兩節(jié)鋰電池輸出電壓經(jīng)7805穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后為主控制板及外圍功能模塊供電。

3）LED與蜂鳴器

LED用于顯示電源及系統(tǒng)的工作狀態(tài)，與蜂鳴器結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。為提高系統(tǒng)的可靠性，將LED與蜂鳴器集成到控制基板上。

4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用 L298N 驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)，單片機(jī)GPIO引腳輸出不同占空比的PWM方波改變兩路直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、剎車、轉(zhuǎn)向以及速度控制等動(dòng)作。

5）紅外避障模塊

紅外避障模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊障礙物的檢測(cè)，當(dāng)在探測(cè)范圍時(shí)發(fā)現(xiàn)障礙物后，小車會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的避障算法做出相應(yīng)的響應(yīng)，完成剎車、后退、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。

6）超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距模塊集成了超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，當(dāng)智能小車接近障礙物時(shí)，模塊輸出電平值會(huì)發(fā)生變化，控制器接收到信號(hào)后通過(guò)控制電機(jī)使小車產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。

7）無(wú)線模塊

智能小車使用藍(lán)牙模塊、WiFi模塊、ZigBee模塊、LoRa模塊、NB-IoT模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)，這些模塊與主控制板之間一般是通過(guò)串口連接，只需要根據(jù)要求設(shè)置波特率和數(shù)據(jù)格式就可以實(shí)現(xiàn)通信。

2 智能小車模塊與單片機(jī)知識(shí)體系的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從應(yīng)用的角度來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，不僅需要單片機(jī)原理方面的知識(shí)，還要具備電路分析與設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、控制原理和控制策略、電路板焊接等方面的知識(shí)和技能，因此可將單片機(jī)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)模塊：前導(dǎo)模塊、核心模塊和擴(kuò)展模塊。這些模塊所需要的知識(shí)和技能在智能小車的開發(fā)過(guò)程中都有所體現(xiàn)。在具體的教學(xué)組織過(guò)程中，將各部分教學(xué)內(nèi)容分解成一個(gè)個(gè)知識(shí)點(diǎn)，這些知識(shí)點(diǎn)與智能小車的某個(gè)模塊相對(duì)應(yīng)，按照由易到難、由基礎(chǔ)功能到擴(kuò)展功能的原則進(jìn)行教學(xué)推進(jìn)。模塊之間既有聯(lián)系，也具有一定的獨(dú)立性，可以根據(jù)不同專業(yè)的要求，在核心模塊的基礎(chǔ)上增加擴(kuò)展模塊。

從知識(shí)構(gòu)成的角度來(lái)講，智能小車模塊與單片機(jī)的知識(shí)點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)，它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

2.1 前導(dǎo)課程知識(shí)

在智能小車焊接和組裝中用到的知識(shí)和技能來(lái)自于前導(dǎo)課程，如數(shù)字電路和模擬電路、通過(guò)該環(huán)節(jié)，可以對(duì)這些課程起到復(fù)習(xí)和鞏固的作用。

2.2 課程核心模塊

單片機(jī)核心模塊的知識(shí)點(diǎn)包括單片機(jī)的基本工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口通信、中斷等。在進(jìn)行知識(shí)講解后，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)知識(shí)的理解。這些實(shí)驗(yàn)建立在具體小車核心模塊的基礎(chǔ)上。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容來(lái)自應(yīng)用，也服務(wù)于應(yīng)用。如使用紅外避障模塊時(shí)，要讓學(xué)生了解紅外發(fā)射及接收的實(shí)現(xiàn)過(guò)程、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程、GPIO引腳的電平變化的檢測(cè)等知識(shí)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，這些知識(shí)點(diǎn)不再抽象，而是實(shí)實(shí)在在地可以轉(zhuǎn)化為應(yīng)用的技術(shù)。

2.3 擴(kuò)展模塊

為滿足學(xué)期末的課程設(shè)計(jì)及學(xué)科競(jìng)賽的要求，智能小車包含了一些擴(kuò)展模塊，這些模塊涉及的知識(shí)點(diǎn)可能并沒有在課程中講述，但學(xué)生依然可以在現(xiàn)有知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)參閱相關(guān)資料掌握這些模塊的使用方法，設(shè)計(jì)出具有個(gè)性和創(chuàng)造性的功能更為強(qiáng)大的智能小車。

3 融合教學(xué)模式的實(shí)施效果

3.1以興趣為導(dǎo)向引發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力

以看得見的應(yīng)用效果引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在教學(xué)之初，將一臺(tái)完整的智能小車展示給學(xué)生，現(xiàn)場(chǎng)演示智能小車的各項(xiàng)功能，并明確告訴學(xué)生，通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，每一位同學(xué)都具有獨(dú)立焊接、裝配、編寫及調(diào)試控制程序的技能。學(xué)生看到了學(xué)習(xí)的成果，從而對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程充滿了期待，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

以智能小車為應(yīng)用平臺(tái)，硬件課程的學(xué)習(xí)不再是電路圖和抽象的代碼，而是一個(gè)觸手可及并能將自己的構(gòu)思變成一個(gè)具體產(chǎn)品的探索過(guò)程。在知其然的基礎(chǔ)上探索其所以然，在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中體驗(yàn)集體的力量。這對(duì)學(xué)生來(lái)講是一種從未有過(guò)的體驗(yàn)，在成就感的驅(qū)使下去學(xué)習(xí)更多的知識(shí)以求自己的小車功能更為豐富完善。

在隨后的課程設(shè)計(jì)中，要求學(xué)生在智能小車前期基本功能的基礎(chǔ)上擴(kuò)展新的功能，并對(duì)小車的性能進(jìn)行優(yōu)化，以智能小車的可靠性和功能作為成績(jī)?cè)u(píng)判的依據(jù)，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)和學(xué)習(xí)新知識(shí)的動(dòng)力。

3.2 進(jìn)一步強(qiáng)化了模塊化的設(shè)計(jì)思想

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了自頂向下、逐步細(xì)化的模塊化設(shè)計(jì)思想。各功能模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，使用靈活，學(xué)生可根據(jù)項(xiàng)目的具體要求及自身興趣，選擇不同功能模塊搭建系統(tǒng)。這里的模塊化，不僅是軟件設(shè)計(jì)的模塊化，也包含硬件設(shè)計(jì)的模塊化。每一個(gè)硬件模塊實(shí)現(xiàn)某種特定的功能，這些模塊使用GPIO或標(biāo)準(zhǔn)的有線或無(wú)線協(xié)議與控制板連接。為實(shí)現(xiàn)每一個(gè)模塊的具體功能，還需要有與之相對(duì)應(yīng)的軟件模塊，這種軟硬件一體化的設(shè)計(jì)方法貫穿整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。而對(duì)于某一個(gè)具體的功能，都有多種不同的模塊和方案供學(xué)生選擇，通過(guò)比較各種不同實(shí)現(xiàn)方案的差異，進(jìn)一步深化了對(duì)知識(shí)的理解。

3.3 智能小車技術(shù)的發(fā)展豐富了課程內(nèi)容

由于新的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的不斷出現(xiàn)，每年的智能小車競(jìng)賽內(nèi)容和要求都在不斷發(fā)生變化，這就要求單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容不能是一成不變的，在實(shí)施過(guò)程中需對(duì)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行不斷的改造、提煉、補(bǔ)充和完善。如在無(wú)線通信方面，除了廣泛使用的WiFi、藍(lán)牙技術(shù)外，ZigBee和LoRa在智能家居、遠(yuǎn)程抄表等領(lǐng)域開始得到應(yīng)用，由于應(yīng)用系統(tǒng)采用的是模塊化的設(shè)計(jì)框架，可以根據(jù)應(yīng)用的需要很容易將這些新的擴(kuò)展模塊加入系統(tǒng)中，構(gòu)建出難度更高的智能小車應(yīng)用項(xiàng)目。

3.4 對(duì)后續(xù)課程的導(dǎo)入提供了契機(jī)

在單片機(jī)課程教學(xué)中，一般不涉及嵌入式操作系統(tǒng)，通常是對(duì)硬件直接編程。在后續(xù)課程如嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程將會(huì)引入嵌入式操作系統(tǒng)，由于具備了單片機(jī)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可以使學(xué)生更快掌握基于RTOS的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技能，在硬件平臺(tái)不變的情況下，通過(guò)在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中增加操作系統(tǒng)來(lái)提高應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率和可靠性。

在演示過(guò)程中，增加使用手機(jī)App控制智能小車的環(huán)節(jié)，手機(jī)App開發(fā)的知識(shí)需要在移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)課程中學(xué)習(xí)。這樣，單片機(jī)課程就將其他后續(xù)相關(guān)課程串接在一起。

3.5 提高了學(xué)生參加科技競(jìng)賽的積極性

通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了智能小車的基本結(jié)構(gòu)和原理，并在實(shí)踐中可以獨(dú)立完成小車的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生來(lái)講，可以對(duì)小車原有的功能進(jìn)行加強(qiáng)和性能的優(yōu)化，原來(lái)覺得高高在上的智能小車競(jìng)賽不再神秘，學(xué)生參加智能小車競(jìng)賽的積極性也非常高。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能小車是一個(gè)具有高度模塊化的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，它的軟硬件結(jié)合特性使其非常適合在單片機(jī)教學(xué)中采用。在單片機(jī)課程的教學(xué)中，將一個(gè)智能小車的開發(fā)過(guò)程貫穿到教學(xué)環(huán)節(jié)中，各個(gè)模塊之間既有其獨(dú)立性，又相互關(guān)聯(lián)，在課程的最后，將這些模塊集成在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的智能小車系統(tǒng)。教學(xué)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了從部分到整體，從抽象到具體、從知識(shí)到技能，從技術(shù)到產(chǎn)品的演變。教學(xué)的實(shí)施效果也表明，這種教學(xué)方式可以很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高單片機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用能力以及科研創(chuàng)新意識(shí)。并對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、學(xué)科競(jìng)賽的開展起到良好的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙仁濤，李穎宏，關(guān)叢榮，等.單片機(jī)原理及應(yīng)用課堂與實(shí)踐教學(xué)改革與探討[J].教育教學(xué)論壇，2020（42）：156-158.

[2] 王春榮，夏爾冬，熊昌炯，等.應(yīng)用型本科辦學(xué)的單片機(jī)原理課程改革探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（12）：237-240.

[3] 滕召勝，溫和，高云鵬，等.“教-學(xué)-做-研”一體化的單片機(jī)教學(xué)模式研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2018，21（3）：221-224.

[4] 沈旭東，朱立妙.單片機(jī)教學(xué)改革與實(shí)踐創(chuàng)新研究——以智能小車單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)為例[J].工業(yè)和信息化教育，2019（5）：90-94.

[5] 許亮.基于技能競(jìng)賽的單片機(jī)教學(xué)改革研究[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（38）：28-29.

[6] 郭宏，胡威.基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的單片機(jī)課程改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2019（6）：119-121.

[7] 肖建，張勝，郝學(xué)元，等.面向電子信息類學(xué)科競(jìng)賽的綜合訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，38（10）：242-245，249.

[8] 畢福昆，陳婧，蔡希昌.基于STM32平臺(tái)的電子競(jìng)賽培訓(xùn)教學(xué)方法研究[J].信息通信，2016，29（12）：274-275.

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