基于機(jī)器人工程對(duì)象的單片機(jī)教學(xué)改革

劉志遠(yuǎn)

摘要：《單片機(jī)技術(shù)》是電子通信專業(yè)的重要課程，但學(xué)生在學(xué)習(xí)《單片機(jī)技術(shù)》課程的過程中，普遍反映學(xué)習(xí)起來(lái)很難理解、比較枯燥，從而打消了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。本文針對(duì)目前單片機(jī)課程的特點(diǎn)與教學(xué)上存在的問題進(jìn)行分析提出了以機(jī)器人工程的項(xiàng)目式的教學(xué)改革，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在幫助學(xué)生掌握單片機(jī)技術(shù)上起到了很好的作用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)教學(xué)改革；機(jī)器人；項(xiàng)目式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）29-0051-02

一、引言

《單片機(jī)技術(shù)》是高等學(xué)校電子通信專業(yè)的一門重要的專業(yè)課。單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制、智能傳感器、遙感技術(shù)等領(lǐng)域，是現(xiàn)代科技不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。在家電、通信行業(yè)中，尤其需要單片機(jī)方面的人才，調(diào)查表明，掌握單片機(jī)技術(shù)的高等學(xué)校學(xué)生在畢業(yè)后，不管是在就業(yè)率方面還是滿意度方面都是相當(dāng)高的。

然而，要學(xué)習(xí)好單片機(jī)這一技術(shù)需要較好的模電與數(shù)電的基礎(chǔ)，還需要一定的編程能力，傳統(tǒng)的教學(xué)模式在組織內(nèi)容上讓學(xué)生感覺到非常難學(xué)，學(xué)生通常是一開始抱著極高的興趣，但覺得無(wú)從入手，到后來(lái)漸漸地失去興趣這樣的惡性循環(huán)。因此，單片機(jī)課程的改革成為各個(gè)高校重點(diǎn)改革的課程之一。

二、單片機(jī)技術(shù)教學(xué)存在的問題

目前幾乎每個(gè)工科院校都設(shè)有《單片機(jī)技術(shù)》課程，按照用傳統(tǒng)的教學(xué)模式是：先基礎(chǔ)后應(yīng)用。從單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)開始到匯編指令系統(tǒng)，接著是系統(tǒng)擴(kuò)展與接口技術(shù)，還有的高校會(huì)增加課程設(shè)計(jì)。學(xué)生一開始接觸單片機(jī)就從最抽象、最枯燥的硬件結(jié)構(gòu)與匯編語(yǔ)言，如果學(xué)生的基礎(chǔ)與理解能力不夠的話，學(xué)習(xí)起來(lái)就會(huì)非常吃力，這也是很多學(xué)生對(duì)《單片機(jī)技術(shù)》這門課程不感興趣的原因之一。

另外，在傳統(tǒng)的教學(xué)中，理論教學(xué)部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于實(shí)踐教學(xué)，而實(shí)踐部分往往也是教材規(guī)定的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生照著接線輸入程序就完成了，學(xué)生完成的更多是一種驗(yàn)證性的工作，導(dǎo)致學(xué)生缺少主觀能動(dòng)性，在學(xué)習(xí)的積極性與自主創(chuàng)新上大打折扣。

以上單片機(jī)課程在教學(xué)過程中存在的問題必須得以改革才能更好地讓我們的學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握單片機(jī)技術(shù)。

三、基于機(jī)器人工程對(duì)象的單片機(jī)教學(xué)改革

1.利用輪式機(jī)器人平臺(tái)項(xiàng)目式教學(xué)。機(jī)器人的控制核心是單片機(jī)，控制對(duì)象直觀，也極具趣味性，因此很適合作為單片機(jī)的學(xué)習(xí)載體。在各種機(jī)器人中，輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，控制難度不高，可搭載多種傳感器實(shí)現(xiàn)多種智能控制，擴(kuò)展性很強(qiáng)，充滿了趣味性，非常適合單片機(jī)初學(xué)者學(xué)習(xí)使用。

輪式機(jī)器人可根據(jù)控制輪子的數(shù)量分為四輪、六輪等輪式機(jī)器人，輪子數(shù)量直接關(guān)系到機(jī)器人的復(fù)雜程度，比如六輪的玉兔月球探測(cè)車相當(dāng)復(fù)雜。作為學(xué)生學(xué)習(xí)的輪式機(jī)器人，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易理解，因此底盤可采用三輪結(jié)構(gòu)，其中兩輪作為驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)隨動(dòng)輪作為支撐。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用舵機(jī)控制，控制方式是脈沖寬度控制正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與靜止，主控制板采用PCBA形式組裝好單片機(jī)、通信模塊燒錄接口等，擴(kuò)展使用排針與面包板外接傳感器或擴(kuò)展模塊。

輪式機(jī)器人的硬件上，除了底盤舵機(jī)的接線已經(jīng)固定外，各種類型的傳感器需要學(xué)生使用面包板，自己進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，也可以通過擴(kuò)展模塊進(jìn)行傳感器的拓展。擴(kuò)展內(nèi)容包括有簡(jiǎn)單的開關(guān)信號(hào)、光電管的使用到復(fù)雜的顏色傳感器等，改變了傳統(tǒng)教學(xué)的純理論學(xué)習(xí)+實(shí)驗(yàn)的模式，學(xué)生在動(dòng)手調(diào)試程序與硬件的過程中，即做即得，這樣不僅加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，也大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.C語(yǔ)言代替匯編語(yǔ)言。傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)通常以匯編語(yǔ)言進(jìn)行講解，使用匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合硬件，使得學(xué)習(xí)者能徹底地掌握單片機(jī)的運(yùn)行原理，打好良好的基礎(chǔ)。正因?yàn)閰R編語(yǔ)言有這樣的顯著優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在仍有不少高校以匯編語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)，但是匯編語(yǔ)言抽象難懂，要求學(xué)習(xí)者有較強(qiáng)的硬件基礎(chǔ)與邏輯思維，不少初學(xué)者在接觸單片機(jī)就遇到如此難懂的匯編語(yǔ)言使得他們的學(xué)習(xí)積極性大打折扣，從而影響后續(xù)的學(xué)習(xí)。

C語(yǔ)言是高級(jí)編程語(yǔ)言，是最普遍的編程語(yǔ)言之一，它具有良好的移植性，可以在不同平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)移植，例如51單片機(jī)可以使用Keil C進(jìn)行單片機(jī)的程序編寫，C語(yǔ)言的程序易讀易懂，極具結(jié)構(gòu)化，在程序的編寫上比匯編語(yǔ)言要簡(jiǎn)易很多。目前，絕大部分的電子工程師在使用單片機(jī)時(shí)都采用C語(yǔ)言編程，而且單片機(jī)廠家也提倡工程師使用C語(yǔ)言編程，也提供了大量的源代碼，使得開發(fā)速度大大地提高。正因?yàn)槿绱?，不少高校開始采用C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)。

由于C語(yǔ)言移植性非常強(qiáng)，即平臺(tái)的依賴性不高，使得程序員不需要十分熟悉單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)就能進(jìn)行程序的編寫，但作為學(xué)生的單片機(jī)學(xué)習(xí)，對(duì)硬件結(jié)構(gòu)的掌握是十分必要的，因此，通過輪式機(jī)器人平臺(tái)的使用，加強(qiáng)了對(duì)單片機(jī)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，可以彌補(bǔ)學(xué)生在硬件結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)上的不足。

在輪式機(jī)器人的使用過程中，除了與匯編語(yǔ)言相近的I/O使用、延時(shí)、條件判斷、循環(huán)、中斷等內(nèi)容，還有C語(yǔ)言的函數(shù)、數(shù)組、指針等內(nèi)容，通過機(jī)器人的控制結(jié)合單片機(jī)CPU的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)。例如：使用數(shù)組對(duì)輪式機(jī)器人的行走進(jìn)行控制，在數(shù)組數(shù)據(jù)類型的選擇、數(shù)組成員的多少等，都與單片機(jī)的RAM結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，學(xué)生通過修改這些參數(shù)查看程序狀態(tài)來(lái)認(rèn)識(shí)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

相比匯編語(yǔ)言，C語(yǔ)言在編程效率上有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以快速的完成程序的編寫，在教學(xué)實(shí)踐中，不少學(xué)生積極發(fā)揮主觀能動(dòng)性，自己編寫函數(shù)、修改例程、完成不同的任務(wù)，而在以往的匯編語(yǔ)言的教學(xué)中，只有少部分學(xué)生能完成類似的任務(wù)，由此可見單片機(jī)C語(yǔ)言是現(xiàn)代單片機(jī)教學(xué)改革的一個(gè)重要部分。

3.過程考核。在傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)上基本都采用試卷考核的方式，或者采用課程設(shè)計(jì)的方式，在考核方式上比較單一、片面，也很難對(duì)學(xué)生階段性的學(xué)習(xí)進(jìn)行總結(jié)評(píng)價(jià)，考核方式務(wù)必進(jìn)行改革。

在輪式機(jī)器人的單片機(jī)教學(xué)中采用過程考核與期末考核相結(jié)合的方式，過程考核中以具體項(xiàng)目的完成情況進(jìn)行考核?？己诉^程包括：（1）學(xué)生自評(píng)，根據(jù)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，學(xué)生對(duì)自己的表現(xiàn)做一個(gè)總結(jié)；（2）小組互評(píng)，學(xué)生以評(píng)委的角度對(duì)其他學(xué)生評(píng)分，可以使得學(xué)生培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神并且可以取長(zhǎng)補(bǔ)短；（3）教師評(píng)價(jià)，教師進(jìn)行總結(jié)評(píng)價(jià)，對(duì)個(gè)別表現(xiàn)突出，有創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的同學(xué)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，帶動(dòng)其他同學(xué)的積極性。

期末考核從課程中的項(xiàng)目選取具有代表性的任務(wù)作為考核內(nèi)容，采用抽簽的方式，學(xué)生抽到隨機(jī)的任務(wù)后，選取相應(yīng)的傳感器在面包板搭建電路，編寫程序，最終實(shí)現(xiàn)任務(wù)的要求，完成工程文件（畫電路圖、元件清單、程序流程圖）。教師對(duì)學(xué)生考核的過程打分，實(shí)現(xiàn)考核。

在教學(xué)過程中采用過程考核與期末考核結(jié)合的方式，使得學(xué)生的積極性大大地提高了，無(wú)論從學(xué)生的理論和實(shí)踐上都能取得良好的效果。

四、總結(jié)

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)模式存在不少缺點(diǎn)，本文使用輪式機(jī)器人與C語(yǔ)言作為單片機(jī)的學(xué)習(xí)平臺(tái)，采用項(xiàng)目式教學(xué)，考核上采取過程考核與期末考核相結(jié)合的方式對(duì)單片機(jī)課程進(jìn)行改革，在進(jìn)行了一年的單片機(jī)教學(xué)改革后，明顯發(fā)現(xiàn)了學(xué)生在學(xué)習(xí)積極性上得以明顯的改善，學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐動(dòng)手能力都得以提高。實(shí)踐證明，基于機(jī)器人工程對(duì)象的單片機(jī)教學(xué)模式是單片機(jī)教學(xué)改革的一種嘗試，而且有一定的效果。

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