林 嘉
(珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 珠海 519090)
近年來,大多數(shù)職業(yè)院校都走上了基于工作過程的項目教學(xué)道路,課程教學(xué)注意與企業(yè)崗位相聯(lián)系。在教學(xué)實施過程中,學(xué)生的自主空間增加,在任務(wù)驅(qū)動下,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也增強了。然而,這些任務(wù)多是以驗證性實驗為主,學(xué)生照著實驗指導(dǎo)書上的內(nèi)容開展實驗,完成效果良好,但是創(chuàng)新能力未能完全發(fā)揮。因此,課程的開展仍需要進一步研究。
引入機器人教學(xué)有助于《單片機應(yīng)用技術(shù)》課程的開展,并能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。機器人技術(shù)涉及的面很廣,是跨多個學(xué)科的綜合性技術(shù),涉及自動控制、計算機、傳感器、人工智能、電子技術(shù)和機械工程等多個學(xué)科。近年來,我國的機器人技術(shù)教育有了很大的發(fā)展,機器人課程逐步引入某些高校的綜合性實踐課程,能否有效地開展機器人教學(xué),已經(jīng)成為直接影響學(xué)生綜合能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提高的重要因素。
在高職院校電子信息專業(yè)開設(shè)如 “機器人學(xué)”、“機器人概論”等理論性強的課程則沒有必要,這違背了高職教育的目的。所以,不能仿效本科院校以及傳統(tǒng)??圃盒5慕?jīng)驗,應(yīng)該從高職教育的特點出發(fā),將機器人教育與相關(guān)專業(yè)課程相結(jié)合,借助品牌生產(chǎn)廠商專門開發(fā)的機器人成品、套裝或散件,布置與課程相關(guān)的、具有創(chuàng)新性的任務(wù),讓學(xué)生自己動手組裝和調(diào)試電路并完成任務(wù),以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。
傳統(tǒng)的單片機教學(xué),以單片機的結(jié)構(gòu)為主線,先講單片機的硬件結(jié)構(gòu),然后講指令、軟件編程,接著是單片機系統(tǒng)的擴展和各種外圍器件的應(yīng)用,最后再講一些實例。這種先理論后實踐,教與做分離的教學(xué)模式,使高職學(xué)生普遍感到難以吸收。如某些教師,在學(xué)生學(xué)完了《單片機原理和應(yīng)用》課程的理論內(nèi)容,且進行了相應(yīng)的教學(xué)實驗之后,專門安排1~2周時間讓學(xué)生運用本課程所學(xué)知識,及先前學(xué)過的電子技術(shù)知識,結(jié)合所學(xué)專業(yè)設(shè)計出單片機對機電設(shè)備的某一部分控制的硬件電路和軟件程序,在實驗室進行電路的連接與調(diào)試。高職學(xué)生很難接受純理論教學(xué),理論課效果不理想,安排的教學(xué)實驗難以很好地結(jié)合理論知識,更談不上讓學(xué)生運用課程知識完成任務(wù)。
某些院校購買相關(guān)的單片機實驗?zāi)K供學(xué)生實驗,學(xué)生實驗結(jié)束覺得自己學(xué)會了單片機操作,但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。運用實驗?zāi)K的確可以快捷方便地進行操作,但最大的缺點是不能進行硬件設(shè)計,單片機硬件和軟件不可分,所以,運用該類實驗?zāi)K還是有一定缺陷的。
如今許多企業(yè)針對高校相關(guān)課程研發(fā)了各類機器人,如深圳歐鵬科技有限公司的智能小車(如圖1所示)。它結(jié)構(gòu)簡單,配置合理,包括C51+AVR教學(xué)板、兩個連續(xù)旋轉(zhuǎn)的舵機、開放的實驗面包板。以教學(xué)板為核心,舵機的控制可作為其中一個簡單任務(wù)讓學(xué)生完成,實驗面包板則是學(xué)生完成更復(fù)雜功能電路搭建任務(wù)的平臺。
在第一次課上就要向?qū)W生說明,課程的內(nèi)容圍繞小車的控制任務(wù)來展開??梢灶A(yù)先編制一些簡單的程序進行演示,讓小車實現(xiàn)直走、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。這樣很直觀,必然能引起學(xué)生極大的興趣,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機的積極性。其目的則是讓學(xué)生樹立學(xué)好單片機的自信心。
圖1 智能小車示意圖
現(xiàn)在許多企業(yè)對學(xué)生的系統(tǒng)方案解決能力要求越來越高,要求他們能夠迅速地拿出硬件初步方案,并用盡可能短的時間構(gòu)建出一個軟件原型。同時,由于系統(tǒng)硬件價格的降低,對軟件的要求也從節(jié)省內(nèi)存、高效向可讀性強、結(jié)構(gòu)好轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在社會上的單片機系統(tǒng)普遍采用了基于C51高級語言的軟件系統(tǒng)。因為C51高級語言具有程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好、易于維護的優(yōu)點,一條C語言相當(dāng)于幾條匯編指令,完成同樣功能程序的行數(shù)也大大縮小,更便于復(fù)雜算法的實現(xiàn)和調(diào)試。這也要求我們在課程及實驗中要對學(xué)生進行相應(yīng)的訓(xùn)練。
因此,可選取以下幾項實訓(xùn)任務(wù)進行教學(xué)活動。
實訓(xùn)一:系統(tǒng)認(rèn)識 向?qū)W生講解智能小車核心板的結(jié)構(gòu)(如圖 2所示)。學(xué)生能夠了解核心板上有單片機、電源電路、程序下載口、復(fù)位電路、單片機的I/O端口接口電路和可供擴展的面板包及其相應(yīng)的使用就足夠了。還要讓學(xué)生認(rèn)識單片機基本系統(tǒng)的硬件設(shè)備,熟悉C51仿真軟件的使用。在實訓(xùn)難度安排上,力求做到由淺入深,循序漸進。布置LED燈單燈閃爍任務(wù),讓學(xué)生動手在面包板上搭建LED燈電路,并提供示例程序,指導(dǎo)學(xué)生使用集成開發(fā)環(huán)境、編寫程序、仿真調(diào)試、觀察輸出。通過這個實訓(xùn),學(xué)生可以對整個系統(tǒng)有初步的認(rèn)識,對編程語言有初步的了解,為今后的系統(tǒng)設(shè)計及編程打下好的基礎(chǔ)。
圖2 智能小車核心板示意圖
實訓(xùn)二:單片機輸出接口與機器人巡航控制 該實訓(xùn)目的是要求學(xué)生理解和掌握用單片機輸出接口控制伺服電機方向、速度和運行時間的相關(guān)原理和編程技術(shù),達到控制機器人運動的目的??煞殖蓭讉€小任務(wù)來進行,通過分任務(wù)一“單燈閃爍控制”使學(xué)生懂得編寫延時程序控制LED燈閃爍的頻率。然后,講解伺服電機的控制原理與改變LED燈閃爍頻率的相似性,從而通過分任務(wù)二“機器人伺服電機的控制信號”引導(dǎo)學(xué)生自主思考如何讓機器人的兩個輪子全速、減速運轉(zhuǎn),最終實現(xiàn)機器人前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原地旋轉(zhuǎn)的動作。這樣,學(xué)生對輸出接口就有了總體認(rèn)識。
實訓(xùn)三:單片機輸入接口與機器人觸覺導(dǎo)航 通過該實訓(xùn),使學(xué)生了解任何一個自動化系統(tǒng)(不僅僅是機器人),都是通過傳感器獲取外界信息的,再通過接口傳入單片機,由單片機根據(jù)反饋信息進行計算和決策,生成控制命令,然后通過輸出接口去控制系統(tǒng)相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu),完成系統(tǒng)所需任務(wù)。學(xué)生自主搭建“觸須電路”,使機器人有觸覺導(dǎo)航功能。最終學(xué)生就掌握了單片機輸入接口的作用及其編程技術(shù)。
實訓(xùn)四:單片機輸入/輸出接口與紅外線導(dǎo)航 該實訓(xùn)與前三個實訓(xùn)內(nèi)容相關(guān),主要是讓學(xué)生了解紅外傳感器的基本使用方法。首先,給學(xué)生講解該實訓(xùn)是在前面掌握了單片機輸入/輸出接口的基礎(chǔ)上進行的,并讓學(xué)生了解智能機器人要更多地接收外界的各類信息,傳感器的使用必不可少,而紅外傳感器就是這類器件的典型。可讓學(xué)生通過完成IR發(fā)射及探測器電路的搭建,并編寫簡單程序,最終實現(xiàn)機器人無線避障功能,也為下一個實訓(xùn)打下基礎(chǔ)。
實訓(xùn)五:機器人的距離檢測 距離檢測通常由聲吶完成。然而,還有另一種方法:可采用上一與實訓(xùn)中相同的紅外傳感器電路。這一實訓(xùn)的任務(wù)是要求學(xué)生實現(xiàn)使機器人檢測到前方物體的距離,跟隨物體行走而不會碰上它。該項目涉及的內(nèi)容還包括定時/計數(shù)器的運用。先讓學(xué)生了解定時器的基本使用方法,再進一步利用單片機中的定時器和紅外探測器測試掃描頻率。學(xué)生對基本使用方法了解以后,就該提出更高的要求。最后,要求學(xué)生完成尾隨小車的功能。
實訓(xùn)六:機器人中UART的應(yīng)用 在這一實訓(xùn)中,學(xué)生要完成單片機串口與計算機串口的連接,在機器人運行的同時向上位機傳送運行數(shù)據(jù)的任務(wù)。主要涉及單片機串行口的硬件電路連接和串行口驅(qū)動程序編寫,以及單片機中斷系統(tǒng)的應(yīng)用。
實訓(xùn)七:機器人綜合任務(wù) 本實訓(xùn)要求學(xué)生完成智能機器人搬運任務(wù)。該任務(wù)的要求是,學(xué)生隨機抽取搬運任務(wù),充分利用智能小車的實驗面包板搭建硬件資源,利用所學(xué)的匯編及C51程序知識,自行設(shè)計一個搬運方案,在一個規(guī)定的畫有黑線軌道的白色背景圖上完成搬運任務(wù)。該實訓(xùn)可以通過分組比賽的形式進行,以最準(zhǔn)確無誤地把所有物塊推到目標(biāo)位置為依據(jù),給每個小組打分,作為學(xué)生期末成績的一部分。
以上七個綜合性實訓(xùn),并不是以語言或者指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)為中心,而是以任務(wù)為中心,學(xué)生在完成任務(wù)的同時學(xué)習(xí),在學(xué)習(xí)中鞏固知識。七個實訓(xùn)達到了既重視基本技巧訓(xùn)練,又給學(xué)生提供自由發(fā)展的機會。緊湊的實訓(xùn)內(nèi)容迫使學(xué)生在課下花費更多的時間來學(xué)習(xí)和研究,從而達到對系統(tǒng)的熟練掌握和學(xué)會程序編寫,語言系統(tǒng)的掌握也就水到渠成了。
考試是教學(xué)評價的一個重要手段,但不能把考試當(dāng)作目的。采用科學(xué)合理的考試形式來準(zhǔn)確地評價學(xué)生是教學(xué)改革的基礎(chǔ)。應(yīng)通過考試檢查教學(xué)效果、教學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)的程度,以便于改進教學(xué)工作,提高教學(xué)質(zhì)量,鞭策學(xué)生積極努力地學(xué)習(xí)。因此,考核可采用以下形式:實踐考試和理論考試相結(jié)合;實踐考試采用五級制,理論考試采用百分制,只有同時滿足實踐考試達到及格和理論考試達到60分,本課程才能獲得學(xué)分。這樣做,可以引導(dǎo)學(xué)生強化實踐動手能力。實踐考試就是學(xué)生平時進行的七個實訓(xùn)的完成情況。理論考試難度不宜太大,實訓(xùn)任務(wù)涉及的程序包含在內(nèi)即可。
通過以上教學(xué)改革,我們期望能達到以下目標(biāo):(1)適應(yīng)不同層次學(xué)生的需要;(2)提高實訓(xùn)效率;(3)創(chuàng)新性、啟發(fā)性實驗內(nèi)容增大,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;(4)基本達到社會對單片機培訓(xùn)人才的需要。
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