董 莉，江沸菠

(湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)部，長(zhǎng)沙 410205)

·創(chuàng)新型人才培養(yǎng)·

“電腦鼠”項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)改革研究

董 莉，江沸菠

(湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)部，長(zhǎng)沙 410205)

為了適應(yīng)新形勢(shì)下培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新性人才的需要，電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)改革勢(shì)在必行。介紹了“電腦鼠”技術(shù)的發(fā)展歷史和特點(diǎn)，分析了將“電腦鼠”實(shí)踐項(xiàng)目引入實(shí)踐教學(xué)的基本思路，探討了“電腦鼠”實(shí)踐項(xiàng)目體系中三個(gè)層次的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和改革思路。在內(nèi)容上更加注重應(yīng)用性和研究性，在方法上提高了趣味性和主動(dòng)性，取得了較好的教學(xué)效果。

電腦鼠；實(shí)踐教學(xué)改革；電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)；迷宮搜索算法

近年來(lái)，隨著我國(guó)高等教育的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)深化本科教學(xué)改革，提高本科教學(xué)質(zhì)量提出了更高的要求[1]。對(duì)于電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)，要深化教學(xué)改革就必須實(shí)現(xiàn)從注重知識(shí)傳授向重視能力和素質(zhì)培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，高度重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。雖然通過(guò)幾年的教學(xué)改革，電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置和理論教學(xué)的內(nèi)容與方法已趨于合理，但是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)形式單一、內(nèi)容單調(diào)、資源缺乏，難以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究能力、工程實(shí)踐能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的要求。

電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生的實(shí)踐能力主要包括兩個(gè)方面：(1)對(duì)電子電路的設(shè)計(jì)與仿真、電子產(chǎn)品的制作與調(diào)試等偏向硬件的實(shí)踐能力。它們的理論基礎(chǔ)來(lái)源于電子電路理論，既需要在實(shí)驗(yàn)室做大量的電路設(shè)計(jì)與故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，又需要了解企業(yè)生產(chǎn)中的電子產(chǎn)品制造工藝。(2)對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)規(guī)劃，并進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試等偏向軟件的實(shí)踐能力。它們的理論基礎(chǔ)來(lái)源于系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，即利用軟件對(duì)硬件芯片(ARM、FPGA、DSP等)進(jìn)行更加科學(xué)和智能的控制，為設(shè)計(jì)功能更加全面、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的電子產(chǎn)品打下基礎(chǔ)。因此，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的教學(xué)改革，必須將電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的任務(wù)與電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合、融為一體，引入新的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)展現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)體系。

“電腦鼠”(micromouse)是使用嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的一種智能行走裝置(微型機(jī)器人)，可以在不同“迷宮”中自動(dòng)記憶和選擇路徑，采用相應(yīng)的算法，快速地達(dá)到設(shè)定的目的地?！半娔X鼠”可看作是一個(gè)集多項(xiàng)工程學(xué)科知識(shí)于一體的小型系統(tǒng)，必須考慮電子、電氣、機(jī)械以及計(jì)算機(jī)各方面的問(wèn)題，同時(shí)針對(duì)其所舉辦的“電腦鼠走迷宮競(jìng)賽”在國(guó)內(nèi)外有著廣泛的影響，吸引了大量電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)子的積極參與。因此，“電腦鼠”非常適合作為一種新的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目引入到電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)中來(lái)。本文介紹了“電腦鼠”技術(shù)的發(fā)展歷史和特點(diǎn)，分析了將“電腦鼠”實(shí)踐項(xiàng)目引入到實(shí)踐教學(xué)中的基本思路，介紹了“電腦鼠”實(shí)踐項(xiàng)目體系中三個(gè)層次的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和改革思路。

1 基于“電腦鼠”項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)改革

1.1 “電腦鼠”簡(jiǎn)介

1977年，《IEEE Spectrum》雜志首次提出了“電腦鼠”的概念。同年5月，美國(guó)在紐約舉辦了第一場(chǎng)“電腦鼠”走迷宮比賽；1980年，首屆歐洲“電腦鼠”比賽在英國(guó)倫敦舉行；1985年8月，在日本Tsukuba舉行了首場(chǎng)世界“電腦鼠”大賽；1986年，中國(guó)臺(tái)灣舉辦了第一場(chǎng)“電腦鼠”大賽，“電腦鼠”開(kāi)始受到國(guó)人的關(guān)注。自1991年以來(lái)，世界級(jí)的“電腦鼠”比賽數(shù)目顯著增加，每年高達(dá)100場(chǎng)次以上。2007年，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、上海市教育委員會(huì)和上海市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)的指導(dǎo)下，上海市計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)將“電腦鼠”技術(shù)引入中國(guó)，并在上海師范大學(xué)舉辦了長(zhǎng)江三角洲地區(qū)IEEE標(biāo)準(zhǔn)“電腦鼠”走迷宮邀請(qǐng)賽，有30多所院校參加，反響強(qiáng)烈。2009年7月，由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)舉辦的第三屆IEEE標(biāo)準(zhǔn)“電腦鼠”走迷宮邀請(qǐng)賽在全國(guó)7個(gè)賽區(qū)展開(kāi)，多所高校組隊(duì)參賽。目前，每年都有各種級(jí)別的“電腦鼠”走迷宮競(jìng)賽在全國(guó)開(kāi)展[2]。

完整的“電腦鼠”系統(tǒng)包含機(jī)械結(jié)構(gòu)、電源、傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置、微處理器等五個(gè)方面[3]?！半娔X鼠”要在指定的迷宮中，靠正確探查周邊環(huán)境、自主判斷選擇及敏捷動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。這對(duì)于電子信息、控制理論、人工智能的研究具有重要意義。依照比賽規(guī)則，將“電腦鼠”放入起點(diǎn)按下啟動(dòng)鍵后，“電腦鼠”按照設(shè)定的搜尋法則在迷宮中前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、記憶迷宮墻壁資料、計(jì)算最短路徑、搜尋終點(diǎn)，對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃，找出最優(yōu)路徑，并運(yùn)行到終點(diǎn)。

綜合所述，“電腦鼠”技術(shù)有明確的設(shè)計(jì)和考核目標(biāo)，能夠同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的軟硬件設(shè)計(jì)能力以及系統(tǒng)規(guī)劃能力，將學(xué)生從傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)踐項(xiàng)目中解放出來(lái)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中的積極性和創(chuàng)造性。將“電腦鼠”引入到實(shí)踐教學(xué)改革中來(lái)，有利于提升電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量和水平。

1.2 “電腦鼠”實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的總體框架

“電腦鼠”是一種智能自主移動(dòng)機(jī)器人，結(jié)合了機(jī)械、電機(jī)、電子、控制、光學(xué)、程序設(shè)計(jì)和人工智能等多方面的科技知識(shí)，具有多學(xué)科知識(shí)融合的特點(diǎn)，能夠充分將學(xué)生課內(nèi)外的學(xué)習(xí)活動(dòng)有機(jī)結(jié)合，是對(duì)傳統(tǒng)電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的有力補(bǔ)充。湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院自2012年以來(lái)開(kāi)始關(guān)注“電腦鼠”大賽，通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的形式引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)地組織興趣小組開(kāi)展“電腦鼠”技術(shù)研究，并且將“電腦鼠”項(xiàng)目引入到電子信息工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)改革中來(lái)。針對(duì)“電腦鼠”技術(shù)的特點(diǎn)，將整個(gè)“電腦鼠”實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目分為硬件實(shí)踐、軟件實(shí)踐和創(chuàng)新性實(shí)踐三個(gè)部分[4]，其教學(xué)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 “電腦鼠”實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目體系結(jié)構(gòu)圖

1.3 硬件實(shí)踐部分的主要內(nèi)容

硬件實(shí)踐部分主要側(cè)重對(duì)“電腦鼠”硬件部分的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，主要實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括：機(jī)身架構(gòu)模塊、電源供電模塊、直流與步進(jìn)電機(jī)模塊、測(cè)速電路模塊、傳感器檢測(cè)模塊和主控制器模塊等六個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖桥囵B(yǎng)學(xué)生分析電路和設(shè)計(jì)電路的能力，進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)電路分析、模擬電子線(xiàn)路、數(shù)字電子線(xiàn)路、高頻電子線(xiàn)路等理論課程的理解，從而實(shí)現(xiàn)電路類(lèi)課程的實(shí)踐教學(xué)改革。硬件實(shí)踐部分各個(gè)實(shí)驗(yàn)的相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 硬件實(shí)踐結(jié)構(gòu)

1.4 軟件實(shí)踐部分的主要內(nèi)容

軟件實(shí)踐部分主要側(cè)重對(duì)“電腦鼠”軟件部分的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，主要實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括：驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)彎模塊、方向修正模塊、沖刺模塊、迷宮搜索模塊和主程序模塊六個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖桥囵B(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)規(guī)劃、嵌入式軟件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)等相關(guān)能力，進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)單片機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、EDA、微機(jī)原理與接口等理論課程的理解，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)類(lèi)課程的實(shí)踐教學(xué)改革。軟件實(shí)踐部分各個(gè)實(shí)驗(yàn)的相互關(guān)系如圖3所示。

1.5 創(chuàng)新實(shí)踐部分

創(chuàng)新實(shí)踐部分具體圍繞著智能“電腦鼠”的設(shè)計(jì)和應(yīng)用展開(kāi)，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)各種改進(jìn)型“電腦鼠”，以電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生為主要對(duì)象，以課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)為主要形式，著重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

圖3 軟件實(shí)踐結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)部分在傳統(tǒng)“電腦鼠”的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，要求學(xué)生在“電腦鼠”上添加各種無(wú)線(xiàn)通信模塊(如藍(lán)牙、Wi-Fi等)，并編寫(xiě)上位機(jī)智能控制中心軟件，使運(yùn)行中的“電腦鼠”能夠與上位機(jī)的智能控制中心進(jìn)行通信。“電腦鼠”在搜索迷宮的過(guò)程中，不斷將迷宮信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)迷宮信息重繪迷宮，并通過(guò)自主編寫(xiě)的智能迷宮搜索算法為“電腦鼠”選擇合適的運(yùn)行路徑，從而提高其運(yùn)行效率。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)部分改進(jìn)的智能“電腦鼠”結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能“電腦鼠”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

迷宮搜索算法是創(chuàng)新實(shí)踐部分的核心內(nèi)容，既可以是傳統(tǒng)的窮舉式搜索算法(如左手法則、右手法則和中心法則等)，也可以是新型的啟發(fā)式搜索算法(如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法、差分進(jìn)化算法等)。不同的算法在不同規(guī)模的迷宮中各有優(yōu)勢(shì)，學(xué)生應(yīng)該根據(jù)迷宮的實(shí)際情況熟練地使用不同的迷宮搜索算法。

2 “電腦鼠”實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的特點(diǎn)與評(píng)價(jià)

對(duì)“電腦鼠”實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)直接反映了實(shí)踐教學(xué)改革的成功與否[5]。通過(guò)一年多的教學(xué)實(shí)踐，我們體會(huì)到將“電腦鼠”技術(shù)引入電子信息類(lèi)的實(shí)踐教學(xué)中，可以極大地提高學(xué)生在電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)、嵌入式軟件編程和調(diào)試等方面的綜合能力，同時(shí)也能培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)。該項(xiàng)目具有以下特點(diǎn)[6]：

1)建立了開(kāi)放性、綜合性的教學(xué)改革體系

“電腦鼠”實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目有著深厚的理論教學(xué)背景，是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)多門(mén)理論課程在實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域的延伸。同時(shí)它也具有“全國(guó)電腦鼠走迷宮競(jìng)賽”的全國(guó)性學(xué)科競(jìng)賽背景，能夠鼓勵(lì)廣大學(xué)生參與課外科技活動(dòng)，將課堂中所學(xué)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化實(shí)踐動(dòng)手能力。

2)多學(xué)科結(jié)合的綜合性實(shí)踐教學(xué)

“電腦鼠”實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目不是一個(gè)孤立學(xué)科的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它能夠?qū)⒍鄠€(gè)學(xué)科的知識(shí)綜合在一起，引導(dǎo)學(xué)生由淺入深地完成各種綜合性的實(shí)踐教學(xué)。

3)多層次結(jié)合的創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)

“電腦鼠”實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目集合了電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生經(jīng)歷仿真設(shè)計(jì)、電路加工、調(diào)試、軟件編程、系統(tǒng)測(cè)試等全過(guò)程，并設(shè)計(jì)一個(gè)屬于自己的“電腦鼠”系統(tǒng)，培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)學(xué)校相關(guān)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的實(shí)際情況，研究了將“電腦鼠”實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目應(yīng)用于電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生實(shí)踐教學(xué)的方法。經(jīng)過(guò)一年多的教學(xué)改革實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。實(shí)踐教學(xué)改革是“質(zhì)量工程”的重要組成部分?；凇半娔X鼠”的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目改革是一個(gè)長(zhǎng)期的、需要不斷探索與逐步完善的過(guò)程，在今后的教學(xué)過(guò)程中，我們將繼續(xù)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革的研究，不斷完善教學(xué)過(guò)程，提高教學(xué)效果和質(zhì)量。

[1]王鳳華. 電工電子實(shí)踐的全面開(kāi)放式教學(xué)模式[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 27(5)：78-81.

[2]周建玉. 基于粒子群算法的迷宮電腦鼠應(yīng)用研究[D]. 贛州：江西理工大學(xué), 2010.

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[4]江沸菠, 王玲. 基于局用通信設(shè)備的實(shí)踐教學(xué)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2008, 9(3):96-98.

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Reformation of Practice Teaching for Micromouse Project

DONG Li, JIANG Feibo

(Department of Information Science and Engineering, Hu’nan International Economics University, Changsha 410205, China)

The reformation of practice teaching for the majors relevant to electronic information is imperative to meet the requirements of cultivating high quality and creative talents under new circumstance. The development history and feature of the “micromouse” technology is introduced in this paper. The basic method of applying the practical project on “micromouse” to the reformation of the practice teaching is analyzed. In addition, the experimental content and interrelation of the reformation for practice teaching in three levels are introduced in the system of “micromouse” practice project. The applicability and research quality of the practice teaching contents are attached much more importance. In addition, the teaching methods become more interesting and initiative, which leads to ideal teaching effect.

micromouse; practical teaching reformation; electronic information majors; maze search algorithm

2014-06-17；修改日期: 2015-07-08

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目；湖南省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(11C0 783)。

董 莉(1982-)，女，博士研究生，講師，研究方向：信息處理，圖像處理。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.047