王蘇彧，薛光輝，李慶玲

（中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083）

近年來，隨著人工智能、大數據、物聯(lián)網等科技的發(fā)展，越來越多的高校開設了機器人工程專業(yè)。機器人工程（Robot Engineering）是包括機械工程、電氣工程、計算機科學以及其他工程和科學在內的交叉學科，涉及機器人的設計、構造、操作和使用，以及用于機器人控制、傳感反饋和信息處理的計算機系統(tǒng)[1-2]。

中國礦業(yè)大學（北京）機器人工程專業(yè)2018年設立，2019年按機械工程大類招收第一屆本科生?！秵纹瑱C原理與接口技術》是機器人工程、電氣工程及其自動化等專業(yè)的一門專業(yè)核心必修課，屬于工程型和應用開發(fā)型課程，傳統(tǒng)的教學過程已經無法滿足實際應用、就業(yè)以及社會發(fā)展的需求。由于學校特色的不同，各高校、各專業(yè)對本課程的教學提出了不同的要求。本文結合新工科建設大力推動學科融合和跨界整合的新模式、新體系工科人才培養(yǎng)理念[3-4]，以《單片機原理與接口技術》課程為例，將學校煤礦特色與優(yōu)勢融入專業(yè)及課程中，提出該課程及其課程設計的教學改革方案，豐富教學內容，使學生能夠在有限學時內最大限度地掌握單片機系統(tǒng)開發(fā)的能力。

1 煤礦智能化與機器人工程專業(yè)培養(yǎng)的融合

機器人與人工智能在我國煤炭工業(yè)轉型升級方面起到重要作用。2019年初，國家煤礦安監(jiān)局研究制定公布了《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》，重點研發(fā)應用掘進、采煤、運輸、安控和救援5 類、38 種煤礦機器人，對每種機器人的功能提出了具體要求，以推動工業(yè)機器人、智能裝備在危險工序的廣泛應用[5-6]。

煤礦災難頻發(fā)、職業(yè)風險大、下井人員多、危險崗位多，研發(fā)應用煤礦機器人有利于減少井下作業(yè)人數、降低安全風險、提高生產效率、減輕礦工勞動強度，有利于解決煤礦招工難等問題，對推動煤炭開采技術革命、實現(xiàn)煤炭工業(yè)高質量發(fā)展、保障國家能源安全供應具有重要意義。

中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院在礦山機器人方向進行了長期深入的研究，并獲得了多項科研和教學成果。借助于首批新工科項目“礦山機器人與人工智能多方協(xié)同育人模式改革與實踐”，探索了具有礦業(yè)特色的機器人與人工智能新工科專業(yè)培養(yǎng)方案和課程體系，開設了機器人工程專業(yè)，以實踐新工科形勢下多方協(xié)同育人的人才培養(yǎng)新模式。該項目的實施將為我校乃至全國礦業(yè)機器人與人工智能新工科專業(yè)的建設提供建設性的指導意見。

2019年，學校還成立了“全國煤炭行業(yè)新工科教育創(chuàng)新中心”。該中心的成立，將整合中國煤炭教育協(xié)會平臺和中國礦業(yè)大學（北京）人才優(yōu)勢，致力于探索煤炭行業(yè)新工科教育的新理念、新標準、新模式、新方法、新技術、新文化，深化校企合作，積極研究探索，努力引領行業(yè)發(fā)展，為國家建設和行業(yè)發(fā)展打造煤炭教育創(chuàng)新中心和人才高地。

為培養(yǎng)全面發(fā)展的機器人工程專業(yè)高素質人才，在理論教學方面，進行優(yōu)秀課程、特色教材建設，并不斷改進教學方法；在實踐教學方面，從實驗教學、實習教學方面不斷進行改革；在創(chuàng)新教學方面，重點從大學生創(chuàng)新訓練、專業(yè)學科競賽，以及科技創(chuàng)新與發(fā)明方面培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識，配合第二課堂，通過暑期社會實踐、學生社團活動、參加公益活動等，加強素質培養(yǎng)，創(chuàng)立了機器人工程專業(yè)產、教、學、研四位一體的培養(yǎng)體系。

2 煤礦特色融入《單片機原理與接口技術》課程的教學改革方案

單片機(single chip microcomputer)，直譯為單片微型計算機，它將CPU、RAM、ROM、定時器/計數器、輸出/輸入接口電路、中斷、串行通信接口等主要計算機部件集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，組成單片微型計算機，簡稱單片機?！秵纹瑱C原理與接口技術》課程為機器人工程專業(yè)的核心必修課，也是一門包括軟硬件知識的綜合型實踐類課程。本文以該課程為例，從理論教學、實踐教學以及創(chuàng)新教學三個方面，深入探討煤礦特色融入專業(yè)課程的教學改革，并進行總結，具體方案如下。

2.1 理論教學改革

（1）從實際應用場景出發(fā)，采用倒推模式，引入知識點。

學生在學習專業(yè)課時，往往容易陷入理論與實際脫節(jié)的困境；或理論知識掌握較透徹、應用系統(tǒng)整體設計時想不到具體知識點；或想法較好，但理論不足。

單片機課程不僅要求掌握微型計算機的工作原理，而且要求具有一定的實踐能力。搭建一個完整的單片機系統(tǒng)，硬件設計與軟件編程缺一不可，軟硬件高度配合，才能最終實現(xiàn)設計的功能[2]。

為此，若逆向思維，從實際應用場景出發(fā)，根據應用需求，采用倒推模式，逐步分析所需理論方法，引入知識點，可加深對理論內容的掌握程度。

（2）最大限度利用網絡資源，利用有限的課堂教學時間重點解決難點問題。

結合前期的課程網絡資源建設成果，將課前預習、書中例程講解、課后習題講解等內容視頻提供給學生，使學生有豐富的資料可學習和參考。并在授課期間將實驗箱下發(fā)給學生，學生參考實驗箱的操作方法、單片機程序下載方法，以及部分簡單驗證性實驗操作視頻，邊學邊動手操作，及時有效鞏固理論知識。

為此，最大限度利用網絡資源，課堂的時間就可以將重點放到知識難點問題上，培養(yǎng)學生自主學習能力的同時，也提高了課堂效率。

（3）引入煤礦特色案例，從專業(yè)角度啟發(fā)學生主動思考。

結合煤礦機器人的發(fā)展與理念，引入典型工程應用案例的講解，使學生對單片機的應用有更廣泛了解的同時，也對今后的就業(yè)起到引導過渡的作用。

綜合以上思路，制定理論教學改革方案，如圖1所示，合理利用網絡資源，形成以預習、知識點講解、作業(yè)及實驗鞏固為三角的知識體系，并在課堂教學中增加煤礦特色典型案例知識點的講解，強化產、教、學的一體化。

圖1 理論教學改革方案

以煤礦智能掘進為例，首先放映掘進工況現(xiàn)狀及機器人化需求的短片，如圖2所示。因煤礦井下環(huán)境特殊，作為機器人化智能控制的核心，單片機往往作為集控倉內的監(jiān)測系統(tǒng)控制器，工業(yè)控制計算機通常是PLC、PCC 等。

圖2 煤礦掘進裝備工作狀況

通過短片配合講解，可以先讓學生大膽設想掘進機器人應具備哪些功能、需要哪些技術、涉及的關鍵科學問題以及技術難點或障礙有哪些；其次，專門從控制角度，詳細闡述單片機系統(tǒng)的應用，并且啟發(fā)學生思考單片機如何實現(xiàn)設備及其動作的監(jiān)控、涉及哪些接口的使用。

這一實例涉及兩個知識點：①如何實現(xiàn)通信？接口是什么？②數據如何采集及傳送？第一個知識點為串口通信。第二個知識點即為定時/計數功能。將定時采集的數據，經過處理后通過串口或者其他通信協(xié)議傳輸給單片機，進行監(jiān)測及顯示。上述兩個知識點是單片機學習內容中兩個重要的知識點，學生需要不斷鞏固理解。

可以看出，源于一線生產案例式教學，不僅激發(fā)學生的興趣，而且可以使學生深入理解理論與實際密不可分的關系，應用需求促進理論發(fā)展，理論的學習可以更好地解決實際困難。同時，可以穩(wěn)固三角知識體系結構，配合網絡資源的應用，豐富課堂教學，啟發(fā)學生主動思考，提高課堂教學的質量。

2.2 實踐教學改革

（1）從工程實踐角度整體設計各實驗，逐步遞進，增強單片機應用系統(tǒng)實戰(zhàn)經驗。

原有各實驗之間基本獨立，或驗證基本功能，或進行跑馬燈、數碼管顯示等常規(guī)綜合性實驗，雖然強化了原理性驗證，鞏固了知識點，但是實驗的效果僅停留在觀察實驗現(xiàn)象，實踐環(huán)節(jié)很難自成體系，最終對掌握單片機的系統(tǒng)及應用效果不佳，距離新工科應用型人才的培養(yǎng)標準還遠遠不夠。

為此，應將實踐教學環(huán)節(jié)發(fā)展成為自主的實踐應用體系，重新對所有實驗進行統(tǒng)一設計，強化難點、實際需求環(huán)節(jié)的實踐，從易到難，最終形成一套完整的應用系統(tǒng)，從應用的角度實現(xiàn)知識儲備的完整性[7-9]。

對于原有的驗證類實驗，仍需要配合理論教學按時完成，有效利用已經建設的網絡資源，作為知識點的鞏固和復習，線下同步完成實驗。

（2）增強交互式環(huán)節(jié)。

可以幾個學生組成一個小組，進行交互式實踐訓練。根據實驗內容，可自主提出交互式實踐方案，并進行驗證，增強學生自主思考和實踐的能力。

（3）增加創(chuàng)新性設計及驗證環(huán)節(jié)。

設計足夠開放的接口，學生可自主創(chuàng)新，設計系統(tǒng)的一些功能，并實驗驗證，增強系統(tǒng)的整體設計及應用能力。

綜合以上思路，制定實踐教學改革方案，如圖3所示，以應用系統(tǒng)為核心，綜合設計各實驗，并最終完成系統(tǒng)的設計與驗證，將理論知識完整地實踐到應用場景中，形成完整的知識鏈路。

圖3 實踐教學改革方案

2.3 創(chuàng)新教學改革

《單片機原理與接口技術》除了理論教學、實踐教學環(huán)節(jié)外，還有相應的課程設計，加之后續(xù)生產實習階段會去專門的煤礦井下設備機械生產廠家，因此課程設計環(huán)節(jié)，可根據煤礦機器人化需求，設計單片機應用系統(tǒng)，對于設計成果，學生還可自己在實習環(huán)節(jié)進行檢驗。

大學生創(chuàng)新訓練、畢業(yè)設計等創(chuàng)新教學環(huán)節(jié)，可結合教師優(yōu)秀的煤礦科研項目，對地下開采裝備精確定位和導航、地下復雜極端環(huán)境信息感知及穩(wěn)定可靠傳輸、大規(guī)模復雜系統(tǒng)數據分析、復雜煤層自動割煤智能決策與控制等科研問題進行初步探究[10-11]；同時，還可依托機器人感知及傳感技術實驗室，基于輪式機器人運動平臺，開展機器人運動控制的實驗、學習運動控制、路徑規(guī)劃等內容，配有視覺、激光、IMU 等感知設備，搭載國產自主知識產權操作系統(tǒng)，支持機械結構、電控系統(tǒng)、軟件平臺的二次創(chuàng)新開發(fā)與實踐[13]。此外，結合新型傳感器進行智能硬件系統(tǒng)的設計、無線智能小車行車控制、機器人視覺圖像識別等，都可加深對單片機或其他控制器的理解及應用[14-15]。

在競賽方面，也延續(xù)專業(yè)知識架構，除繼續(xù)參加原有涉足的“華北五?。ㄊ?、自治區(qū)）大學生機器人大賽”“北京市大學生工程訓練綜合能力競賽”等競賽外，開始向煤礦機器人方向涉足，在“2019年世界機器人大賽—煤炭行業(yè)選拔賽”“2019年世界機器人大賽冠軍賽—機器人工業(yè)設計大賽”中均取得了優(yōu)異的成績。

上述創(chuàng)新教學環(huán)節(jié)的逐步改革，可使學生從產、教、學過渡到研，使學生初步具備解決科研問題的能力，具有科研素養(yǎng)，為后續(xù)深入學習及研究奠定重要基礎。

3 結語

以新工科建設為培養(yǎng)模式，以大力推動學科融合和跨界整合的新體系工科人才為培養(yǎng)理念，以煤礦機器人發(fā)展和優(yōu)勢為培養(yǎng)特色，提出了《單片機原理與接口技術》課程的教學改革方案。在理論教學中，將煤礦特色典型案例融入以預習、知識點講解、作業(yè)及實驗鞏固為三角的知識體系中，并合理利用已初步建成的網絡資源，強化從產到教、學的一體化；在實踐教學中，以應用系統(tǒng)為核心，自主一體化設計各實驗，培養(yǎng)交互創(chuàng)新式實踐與應用能力，將理論知識完整地實踐到應用場景中，形成完整的知識鏈路；在創(chuàng)新教學中，通過優(yōu)秀科研項目、機器人實驗室、其他創(chuàng)新項目、競賽等，培養(yǎng)學生科研素養(yǎng)。

上述方案已經逐步有序實施，并初步取得了效果，為培養(yǎng)新體系工科人才跨出必要的一步，并為最終建立產、教、學、研四位一體化可持續(xù)發(fā)展改革體系奠定了重要基礎。