徐 亮江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫 214153

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結(jié)合競(jìng)賽機(jī)器人開(kāi)展高職單片機(jī)課改的實(shí)踐與探索

徐 亮
江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫 214153

摘 要：研究了將競(jìng)賽機(jī)器人元素融入高職單片機(jī)課改的可行性，并成功地實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器人的單片機(jī)課改，不僅改善了單片機(jī)課程的教學(xué)效果，也促使學(xué)生在競(jìng)賽中不斷取得好成績(jī)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人大賽；高職；單片機(jī)課改

單片機(jī)是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課程，同時(shí)也是一項(xiàng)實(shí)用性很高的技術(shù)，在玩具、各種家電、工農(nóng)業(yè)測(cè)控自動(dòng)化、軍事、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在個(gè)人計(jì)算機(jī)普及的今天，單片機(jī)的使用量甚至遠(yuǎn)超個(gè)人計(jì)算機(jī)幾個(gè)數(shù)量級(jí)[1]。單片機(jī)如此重要，然而現(xiàn)狀是，盡管各個(gè)院校對(duì)于單片機(jī)課程十分重視，但教學(xué)效果卻事倍功半。有學(xué)者提出學(xué)生學(xué)不好單片機(jī)原因在于興趣不高，而造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高的原因則在于傳統(tǒng)的單片機(jī)課程在教學(xué)方式上仍然是以教師為主體，以教材章節(jié)順序?yàn)榻虒W(xué)進(jìn)程，由于與實(shí)踐的脫節(jié)，就越聽(tīng)越糊涂，即便增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并適當(dāng)輔以多媒體進(jìn)行教學(xué)以提高教學(xué)效率，依然收效甚微[2]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在做畢業(yè)設(shè)計(jì)或參加單片機(jī)技能競(jìng)賽時(shí)，大多只是抄襲書(shū)本上現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法，很少有學(xué)生能靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，更談不上創(chuàng)新，這主要在于學(xué)生設(shè)計(jì)訓(xùn)練太少[3]。為了改善單片機(jī)課程的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的單片機(jī)實(shí)踐應(yīng)用能力，我們必須不斷探索、改進(jìn)教學(xué)方法。本文是筆者對(duì)任教的電氣工程系電氣自動(dòng)化技術(shù)專(zhuān)業(yè)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)”)進(jìn)行的單片機(jī)課程教學(xué)改革工作所做的教學(xué)反思，權(quán)當(dāng)拋磚引玉。

1 原先單片機(jī)教學(xué)模式的弊端

我院自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的單片機(jī)課程在2010年以前采用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，單片機(jī)選用了經(jīng)典的AT89C51，編程語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言，以單片機(jī)各知識(shí)點(diǎn)為主線開(kāi)展理論教學(xué)，并安排了6次實(shí)驗(yàn)課供學(xué)生上機(jī)練習(xí)，總計(jì)80學(xué)時(shí)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式由于割裂了理論與實(shí)踐的連貫性，學(xué)生在接受新知識(shí)的同時(shí)不能及時(shí)的驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)，再加上單片機(jī)理論自身確實(shí)也十分枯燥，學(xué)生普遍反映單片機(jī)難學(xué)，教學(xué)效果不甚理想。2010年、2011年為了順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，引進(jìn)了一部項(xiàng)目式教材，在原有實(shí)訓(xùn)設(shè)備的基礎(chǔ)上重新作了調(diào)整，選擇了教材中19個(gè)任務(wù)開(kāi)展項(xiàng)目式教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容的組織形式以項(xiàng)目為主線，每次課安排4個(gè)學(xué)時(shí)完成一個(gè)項(xiàng)目，加上最后一次復(fù)習(xí)課，總計(jì)80學(xué)時(shí)。采用了項(xiàng)目式教學(xué)模式，促使學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動(dòng)之下，由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，最終通過(guò)學(xué)習(xí)新知識(shí)并結(jié)合已掌握的知識(shí)，在教師的引導(dǎo)下靈活處理問(wèn)題，解決當(dāng)此任務(wù)，學(xué)生學(xué)習(xí)的效果有了一定程度的改善，但由于項(xiàng)目選擇的課題與現(xiàn)實(shí)生活尚有距離，學(xué)生感覺(jué)比較無(wú)趣，因此學(xué)習(xí)熱情一般。至此，課程組老師均認(rèn)為，只有激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，才能從根本上改善單片機(jī)教學(xué)的效果，然而如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣成為擺在課程組全體老師面前的一道難題。

2 組織指導(dǎo)學(xué)生參加機(jī)器人大賽

“中國(guó)機(jī)器人大賽暨RobCup公開(kāi)賽”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大賽”)自2006年開(kāi)始，每年舉辦一次，是中國(guó)最具影響力、最權(quán)威的機(jī)器人技術(shù)大賽和博覽盛會(huì)，以2013年大賽為例，共有206所高校的2000多支隊(duì)伍參加。大賽設(shè)旅游機(jī)器人、機(jī)器人武術(shù)擂臺(tái)賽、雙足競(jìng)步機(jī)器人、機(jī)器人智能搬運(yùn)等比賽項(xiàng)目，通常在賽前四個(gè)月左右組委會(huì)會(huì)在官方網(wǎng)站貼出報(bào)名通知與比賽規(guī)則，參賽隊(duì)伍報(bào)名后根據(jù)規(guī)則事先準(zhǔn)備好競(jìng)賽機(jī)器人，屆時(shí)參加比賽即可。

大賽不僅考驗(yàn)參賽隊(duì)員對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度，也考驗(yàn)參賽隊(duì)員靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，所涉及的知識(shí)有模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)、電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)、電子CAD、機(jī)械制圖等等，同時(shí)也考驗(yàn)參賽隊(duì)員分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。

2011年我院首次組織學(xué)生參加大賽，備賽期間吸引了許多其他學(xué)生前來(lái)觀看訓(xùn)練，而接著每年的參賽隊(duì)員選拔過(guò)程中，每次報(bào)名參賽的學(xué)生也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們實(shí)際招收的參賽隊(duì)員，由此可見(jiàn)機(jī)器人對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)具有一定的吸引力。

3 參加機(jī)器人大賽促進(jìn)了我院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程改革

為了更好地開(kāi)展單片機(jī)課程教學(xué)，同時(shí)也是為了培養(yǎng)后續(xù)參賽隊(duì)員，我院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程組決定將自主研發(fā)的一種競(jìng)賽機(jī)器人——“智能搬運(yùn)機(jī)器人”簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)后應(yīng)用于單片機(jī)教學(xué)。圖1所示為競(jìng)賽用機(jī)器人，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜不利于維護(hù)，而且成本也過(guò)高，顯然不能直接用于教學(xué)。在競(jìng)賽機(jī)器人的基礎(chǔ)上，課程組簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并制作了一批教學(xué)用循跡機(jī)器人小車(chē)，小車(chē)不僅能適應(yīng)教學(xué)的需要，同時(shí)兼顧成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的特點(diǎn)。簡(jiǎn)化的循跡小車(chē)如圖2所示，由一塊主板、兩個(gè)微型直流電機(jī)、一對(duì)玩具車(chē)輪、一個(gè)牛眼輪和兩只灰度傳感器組成，單片機(jī)選擇了AT89C52的國(guó)產(chǎn)替代產(chǎn)品STC89C52RC。

圖1 智能搬運(yùn)競(jìng)賽機(jī)器人

圖2 教學(xué)用循跡機(jī)器人小車(chē)

以教學(xué)用循跡小車(chē)為平臺(tái)，可開(kāi)展的教學(xué)項(xiàng)目如表1所示。

表1 可開(kāi)展教學(xué)項(xiàng)目

單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言沒(méi)有選擇傳統(tǒng)的匯編語(yǔ)言，而是選擇了C語(yǔ)言。所有教學(xué)項(xiàng)目除了可在實(shí)物小車(chē)上實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)單片機(jī)仿真軟件Proteus模擬，車(chē)體部分仿真電路如圖3所示，硬件實(shí)物與軟件仿真雙平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)手段靈活，方便學(xué)生在課余沒(méi)有實(shí)物平臺(tái)的時(shí)候也能開(kāi)展自主學(xué)習(xí)。所有的教學(xué)內(nèi)容均以項(xiàng)目式教學(xué)模式開(kāi)展，教學(xué)場(chǎng)所并非設(shè)在普通教室而是配備了多媒體的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)室，課堂教學(xué)不是圍繞知識(shí)點(diǎn)而是圍繞項(xiàng)目開(kāi)展，學(xué)生邊聽(tīng)邊動(dòng)手，完成項(xiàng)目的同時(shí)也學(xué)習(xí)了相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，并且為了培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力，每次課都會(huì)安排至少1個(gè)課時(shí)提出一個(gè)新的小項(xiàng)目，我們稱(chēng)之為技能訓(xùn)練項(xiàng)目，要求學(xué)生在理解并掌握本次課項(xiàng)目的基礎(chǔ)上解決技能訓(xùn)練項(xiàng)目并打分。

圖3 車(chē)體部分Proteus仿真電路

4 單片機(jī)課改的效果

自2012年以來(lái)，我院采用了自主設(shè)計(jì)的循跡小車(chē)為實(shí)物平臺(tái)，輔以Proteus仿真模擬平臺(tái)，配合我院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程組自主編寫(xiě)的教材開(kāi)展單片機(jī)課程教學(xué)。經(jīng)過(guò)四年的實(shí)踐證實(shí)，結(jié)合機(jī)器人開(kāi)展的單片機(jī)課程項(xiàng)目式改革取得了顯著的成效，學(xué)生普遍反映圍繞循跡小車(chē)開(kāi)展的教學(xué)項(xiàng)目比較有趣，正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)：“興趣是最好的老師”，學(xué)生在興趣的作用下學(xué)習(xí)主動(dòng)性明顯增強(qiáng)，考試成績(jī)較以往也有所提高。

同時(shí)，單片機(jī)課程的改革也為參加大賽培養(yǎng)了大量的優(yōu)秀學(xué)生，促使我院在大賽中不斷取得好成績(jī)。以“智能搬運(yùn)機(jī)器人”項(xiàng)目為例，2011年我院代表隊(duì)取得國(guó)賽二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各一項(xiàng)，2012年取得國(guó)賽亞軍一項(xiàng)、一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，2013年取得國(guó)賽冠軍一項(xiàng)、一等獎(jiǎng)三項(xiàng)，2014年取得國(guó)賽一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、省賽高職組冠軍一項(xiàng)的好成績(jī)。

5 結(jié)束語(yǔ)

職業(yè)教育的目標(biāo)是培養(yǎng)高級(jí)技能型人才，通過(guò)企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)或者組織學(xué)生參加技能大賽均能給予學(xué)生更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)。但由于單片機(jī)相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性決定了企業(yè)不可能將重要的研發(fā)崗位大量地提供給在校生進(jìn)行頂崗實(shí)習(xí)，因此不妨通過(guò)組織學(xué)生參加全國(guó)機(jī)器人大賽為學(xué)生提供鍛煉機(jī)會(huì)，同時(shí)也能為學(xué)校爭(zhēng)得榮譽(yù)。為了讓更多的同學(xué)通過(guò)大賽獲得鍛煉，可先組織校內(nèi)比賽以選拔優(yōu)秀選手，同時(shí)結(jié)合單片機(jī)等相關(guān)課程開(kāi)展單片機(jī)與機(jī)器人教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“以賽促教、以賽促學(xué)”，競(jìng)賽與教學(xué)相互促進(jìn)、共同發(fā)展！

參考文獻(xiàn)

[1] 楊明欣,鄭郁正,趙建.結(jié)合電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽進(jìn)行單片機(jī)課程改革[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2007,5(4):94-97.

[2] 黃凈晴.單片機(jī)原理應(yīng)用課程改革探討[ J ] .科教導(dǎo)刊,2009(25):46,52.

[3] 李雪峰,陳曉軍.單片機(jī)課程教學(xué)改革[ J ] .電子世界,2014(5):180-181.

Practice and Exploration of Higher Vocational College MCU Course Reform Combined with Contest Robot

Xu Liang
School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu College of Information Technology, Wuxi, 214153, China

Abstract:The feasibility of higher vocational college MCU course reform combined with contest robot elements is researched in this paper, and MCU course reform based on robotics is realized. Not only the teaching effectiveness of MCU course is improved, but also students achieve good results continually in robotics competition.

Key words:robotics competition; higher vocational college; MCU course reform

收稿日期：2015-05-07

作者簡(jiǎn)介：徐亮，碩士，講師。