郭亮 劉敏豪 朱樣敏

(1.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 江西南昌 330031;2.深圳前海英飛揚(yáng)科技發(fā)展有限公司 廣東深圳 518000)

目前，我國(guó)高等工程教育雖然規(guī)模巨大，但仍然存在很多不足，主要體現(xiàn)在綜合知識(shí)能力、工程實(shí)踐能力以及技術(shù)創(chuàng)新能力的不足，現(xiàn)有的教育模式不能夠滿足專業(yè)建設(shè)的發(fā)展需求[1]。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)課程“教賽創(chuàng)”教學(xué)模式展現(xiàn)出了其優(yōu)越性，通過(guò)該類教學(xué)模式，能夠提高學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生學(xué)有所用、學(xué)以致用。目前，高校各類學(xué)科競(jìng)賽和課堂教學(xué)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、創(chuàng)新設(shè)計(jì)未能實(shí)現(xiàn)有效融合[2]。該文立足工程教育認(rèn)證背景，以江西省智能機(jī)器人大賽為契機(jī)，建立一種“教賽創(chuàng)”融合的新的單片機(jī)課程教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)工科人才培養(yǎng)體系與學(xué)科競(jìng)賽無(wú)縫鏈接，極大地提高了工科人才工程實(shí)踐創(chuàng)新能力，同時(shí)也促進(jìn)了合作公司產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程。

1 單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 理論與實(shí)踐聯(lián)系不夠

單片機(jī)課程是自動(dòng)化專業(yè)的核心課程，盡管單片機(jī)教學(xué)至關(guān)重要[3]，但許多教師在實(shí)際教學(xué)的過(guò)程中卻不能對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，沒(méi)有將課堂學(xué)到的理論知識(shí)和實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決工程領(lǐng)域的復(fù)雜問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生不能全面得到培養(yǎng)和鍛煉，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力沒(méi)有得到進(jìn)一步激發(fā)[4]。

1.2 缺乏專業(yè)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

目前教學(xué)中，很多學(xué)校過(guò)分依賴仿真軟件Keil 和Proteus，雖然這種做法可以解決教學(xué)資源不足的問(wèn)題，保證學(xué)生能夠得到充分訓(xùn)練，但離開了具體的實(shí)踐和應(yīng)用就無(wú)法對(duì)課程知識(shí)實(shí)現(xiàn)真正的消化和吸收，也就無(wú)法理解單片機(jī)系統(tǒng)的真正研發(fā)和應(yīng)用過(guò)程[5]。況且軟件仿真和實(shí)際電路有一定差距，比如：在數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描中延時(shí)環(huán)節(jié)仿真時(shí)總看到數(shù)碼管在閃爍，而實(shí)際調(diào)試并不會(huì)出現(xiàn)，這會(huì)給學(xué)生軟件調(diào)試帶來(lái)誤導(dǎo)。

1.3 無(wú)法將相關(guān)專業(yè)課程進(jìn)行有機(jī)融合

教學(xué)過(guò)程中，如果沒(méi)有具體應(yīng)用背景和項(xiàng)目導(dǎo)向就無(wú)法將相關(guān)專業(yè)課程有機(jī)融合[6]。任何一個(gè)復(fù)雜工程問(wèn)題的解決，不可能光靠一門課程或一項(xiàng)技能，需要多個(gè)部門或多個(gè)領(lǐng)域人員的協(xié)作，比如單片機(jī)、傳感器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，甚至圖像處理都有可能同時(shí)應(yīng)用在一個(gè)項(xiàng)目中，在提升專業(yè)技術(shù)能力的同時(shí)也提升了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

2 “教賽創(chuàng)”課程教學(xué)改革設(shè)計(jì)

2.1 理論教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

在單片機(jī)的理論教學(xué)過(guò)程中，當(dāng)講述完了最小系統(tǒng)后，就可以讓學(xué)生著手設(shè)計(jì)適用于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的平臺(tái)，幫助學(xué)生加深理解最小系統(tǒng)等理論知識(shí)，同時(shí)掌握系統(tǒng)原理圖和PCB圖的畫法，熟悉PCB打板過(guò)程。以51/STM32 單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一款適用于實(shí)踐環(huán)節(jié)的平臺(tái)，該平臺(tái)分為底板和核心板兩部分，圖1為基于51單片機(jī)的底板實(shí)物圖，其主要元件定義如下。

圖1 底板實(shí)物圖

（1）穩(wěn)壓芯片；（2）功率選擇跳線：當(dāng)VDD 連接VOUT 時(shí)，VDD=5.0V；選擇VDD 連接VIN 時(shí)，VDD=VIN；（3）伺服電機(jī)插頭（P4、P5、P6、P7）；（4）撥碼開關(guān)；（5）核心板接插口；（6）USB轉(zhuǎn)串口芯片。

核心板直接通過(guò)接插口插在底板上，單片機(jī)可以采用51 系列或者STM32 系列，直接采用接插口連接。圖2 是基于AT89S52 單片機(jī)的核心板實(shí)物圖，其主要元件定義如下：（1）AT89S52 單片機(jī)；（2）串口轉(zhuǎn)換芯片；（3）穩(wěn)壓芯片；（4）存儲(chǔ)芯片。

圖2 核心板實(shí)物圖

2.2 實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

有了理論教學(xué)環(huán)節(jié)掌握的知識(shí)后，就可以動(dòng)手進(jìn)行打板，對(duì)各元件進(jìn)行貼片焊接，完成后就可以在平臺(tái)上進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)。通過(guò)面包板搭建一些外圍電路，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)中典型的實(shí)驗(yàn)，如流水燈實(shí)驗(yàn)、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、串口實(shí)驗(yàn)、數(shù)字鐘、計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)等，掌握編程技巧以及程序下載過(guò)程，同時(shí)也可進(jìn)行單片機(jī)課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

2.3 學(xué)科競(jìng)賽環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

課堂理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)都是為了后續(xù)的解決復(fù)雜工程問(wèn)題為準(zhǔn)備的，學(xué)生可以通過(guò)各類學(xué)科競(jìng)賽來(lái)檢驗(yàn)自己對(duì)單片機(jī)課程知識(shí)的掌握情況，加強(qiáng)單片機(jī)與傳感器、電子電路、計(jì)算機(jī)控制等課程知識(shí)的綜合運(yùn)用和團(tuán)隊(duì)合作精神。

江西省智能機(jī)器人大賽采用以上設(shè)計(jì)的控制平臺(tái)，增加外圍電路和相應(yīng)傳感器結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)常規(guī)擂臺(tái)賽、超級(jí)彎道競(jìng)速賽，創(chuàng)意擂臺(tái)賽、快速搬運(yùn)碼垛賽等項(xiàng)目的比賽。以大賽促進(jìn)人才培養(yǎng)模式的改革，探索“以賽促教、以賽促學(xué)、賽學(xué)結(jié)合”的人才培養(yǎng)新模式，提高高等教育教學(xué)質(zhì)量。

圖3 為常規(guī)擂臺(tái)賽競(jìng)賽場(chǎng)地，黑色正四邊形邊長(zhǎng)為800 mm，中心圓形區(qū)域直徑240 mm，為機(jī)器人起始位置，顏色為黃色。環(huán)形區(qū)域是起始區(qū)域與對(duì)戰(zhàn)區(qū)域的分界區(qū)，顏色為綠色，幫助機(jī)器人了解自身位置情況。雙方機(jī)器人對(duì)抗持續(xù)時(shí)間為2 min。比賽過(guò)程中，機(jī)器人需自主運(yùn)行。一方機(jī)器人讓對(duì)方機(jī)器人滯留在黑色擂臺(tái)區(qū)域外超過(guò)10 s，則為獲勝。一方失誤滯留黑色擂臺(tái)區(qū)域外超過(guò)10 s，則對(duì)方獲勝。

圖3 常規(guī)擂臺(tái)賽場(chǎng)地

利用以上設(shè)計(jì)的51單片機(jī)平臺(tái)為控制器，加裝小車本體，小車采用后兩輪差速驅(qū)動(dòng)，前置萬(wàn)向球的方式。圖4 是加裝傳感器后用于常規(guī)擂臺(tái)賽的機(jī)器人。從圖4 中可以看出，小車前方采用超聲波傳感器用于檢測(cè)對(duì)方小車，在小車下方加裝多個(gè)顏色傳感器用于檢測(cè)場(chǎng)地顏色，增強(qiáng)可靠性，最大限度地防止自己失誤超出擂臺(tái)區(qū)域。

圖4 常規(guī)擂臺(tái)賽智能小車

2.4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

針對(duì)不同競(jìng)賽項(xiàng)目，根據(jù)需要可以選擇不同的控制平臺(tái)，比如：快速搬運(yùn)項(xiàng)目需要的控制策略和傳感器更多，可能需要選擇STM32的平臺(tái)，電機(jī)可以根據(jù)需要選擇直流或步進(jìn)電機(jī)。搜索對(duì)方機(jī)器人方面，可以采用反射式紅外傳感器或超聲波傳感器。也可以自制傳感器用于搜索對(duì)方機(jī)器人，比如：采用一排發(fā)光二極管發(fā)出來(lái)的光經(jīng)對(duì)方機(jī)器人反射后，通過(guò)透鏡聚焦再用光敏二極管接收，根據(jù)接收的信號(hào)確定對(duì)方機(jī)器人的距離和位置。確定機(jī)器人本體當(dāng)前位置，也可以不采用顏色傳感器而采用多個(gè)光電傳感器。車子速度反饋可以采用陀螺儀或者光碼盤。圖5為參加常規(guī)擂臺(tái)項(xiàng)目的基于STM32平臺(tái)的智能機(jī)器人。

圖5 STM32平臺(tái)智能小車

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀存在的不足進(jìn)行分析并提出改進(jìn)方法，探索性地將“教、賽、創(chuàng)”三位一體教學(xué)改革模式應(yīng)用在單片機(jī)課程教學(xué)中，將學(xué)校理論和實(shí)踐教學(xué)、學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新時(shí)間深度融合，形成一套“教、賽、創(chuàng)”互動(dòng)的工科人才培養(yǎng)模式的運(yùn)行機(jī)制。研究結(jié)果證明，實(shí)踐教學(xué)的改革激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的自信心，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力，提高了企業(yè)的產(chǎn)能。