基于機器人的硬件綜合課程設(shè)計教學(xué)改革與實踐

夏婷 萬振武

【摘要】硬件綜合課程設(shè)計是計算機、自動化等專業(yè)在主要專業(yè)課學(xué)習(xí)后一個重要的綜合實踐環(huán)節(jié)，如何有效地把實踐動手能力的培養(yǎng)與基礎(chǔ)理論知識及實際應(yīng)用結(jié)合起來，是改革實踐中需要急切解決的問題。本文將輪式智能機器人應(yīng)用于硬件綜合課程設(shè)計中，教學(xué)的效果表明，它不僅能使學(xué)生綜合應(yīng)用各種理論知識并轉(zhuǎn)化為實踐技能，而且大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

【關(guān)鍵詞】機器人 課程設(shè)計 實踐技能

【中圖分類號】G64 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）11-0250-01

一、硬件綜合課程設(shè)計教學(xué)存在的問題

硬件綜合課程設(shè)計是繼數(shù)字邏輯、電子電工、計算機組成原理、C語言程序設(shè)計、匯編語言程序設(shè)計、微機原理與接口技術(shù)、單片機技術(shù)等課程教學(xué)后的一個重要的綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要求每個學(xué)生都能自己動手獨立設(shè)計完成一個典型的微機應(yīng)用小系統(tǒng)，目的是綜合應(yīng)用這些課程的基礎(chǔ)知識，就具體問題讓學(xué)生做出軟、硬件解決方案并付諸實施，以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算機硬件、軟件進行開發(fā)的綜合設(shè)計能力和解決實際問題的能力，啟發(fā)創(chuàng)新思維。

可是經(jīng)過對以往三屆硬件綜合課程設(shè)計的分析，此課程設(shè)計存在以下不足：傳統(tǒng)的計算機硬件教學(xué)和實驗與應(yīng)用現(xiàn)狀差距較遠，學(xué)生所應(yīng)用到的知識比較狹窄，偏向驗證性實驗，硬件綜合課程設(shè)計僅僅是幾個實驗的組合，單調(diào)枯燥，不利于學(xué)生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)，更束縛了其思維能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。硬件綜合課程設(shè)計的內(nèi)容和方法必須更新和改進，使學(xué)生真正掌握實用的計算機硬、軟件協(xié)同開發(fā)的知識并能熟練應(yīng)用、實踐，這不僅是為了符合高校轉(zhuǎn)型形式下獨立學(xué)院培養(yǎng)應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才的定位，更是為了能盡快適應(yīng)新世紀(jì)計算機超微型化應(yīng)用飛速發(fā)展的潮流[1]。

二、課程設(shè)計改革的實施

（一）設(shè)計并使用有趣的實驗平臺

不再使用封裝好的實驗箱，而是以輪式智能機器人為硬件綜合實驗平臺，它能感知環(huán)境如距離、障礙、光、溫度、顏色等，進而自主完成一系列的動作[2]。在課程設(shè)計中需要學(xué)生自己動手設(shè)計和組裝機器人，主要模塊包括：主控板、傳感器和運動裝置。主控板采用AVR單片機或51系列單片機；傳感器主要有地面灰度、紅外、藍牙、超聲波、顏色傳感器等；運動裝置主要用到直流電機、舵機等，進而控制車輪旋轉(zhuǎn)。

（二）精選貼近實際應(yīng)用的實例

從整合硬件系統(tǒng)知識，補充以基礎(chǔ)硬件知識為背景的實際技術(shù)，強化學(xué)生自主設(shè)計構(gòu)造的能力的角度出發(fā)[3]，設(shè)計5個實例，每個實例都需要綜合應(yīng)用單片機、電子電工、軟件編程等知識：

1.循跡機器人。在地圖上設(shè)置好起點和終點，輪式機器人根據(jù)4個QTI傳感器采集到的數(shù)據(jù)自主沿著地圖上的黑線行走，并原路返回。在交叉點能選擇一條線路，在終點能旋轉(zhuǎn)180度，在設(shè)置好的一些特殊點可旋轉(zhuǎn)360度，并可調(diào)節(jié)速度，如前行時慢速行駛，返回時速度加快。

2.迷宮機器人。設(shè)置好迷宮的入口和出口，輪式機器人能在分叉口判斷并選擇一個方向，通過多個紅外傳感器實現(xiàn)方向判斷和避障，自主從入口走到出口，整個行駛過程不碰到迷宮壁。

3.遙控機器人。通過按遙控器上的按鍵發(fā)出紅外或藍牙控制信號，不同的按鍵對應(yīng)不同的編碼，輪式機器人上布置的紅外傳感器或藍牙傳感器接收信號后，由單片機進行解碼，輪式機器人根據(jù)編碼采用相應(yīng)的動作。

4.基于紅外傳感的擂臺機器人。在機器人上布置若干個紅外傳感器，通過單片機的I/O口探測紅外接收管是否接收到紅外信號，從而實時搜尋對方機器人的具體方位，進而編程實現(xiàn)根據(jù)不同的方位采用不同的動作，同時用QTI傳感器檢測擂臺邊沿，在自己不出擂臺的情況下將對方推出擂臺。

5.基于超聲波傳感的擂臺機器人。在機器人上布置若干個超聲波傳感器，超聲波傳感器收到單片機的觸發(fā)信號后發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波投射到物體而反射回來時，超聲波傳感器輸出一回響信號，以觸發(fā)信號和回響信號間的時間差，來判定對方機器人的具體方位，進而編程實現(xiàn)根據(jù)不同的方位采用不同的動作，同時用QTI傳感器檢測擂臺邊沿，在自己不出擂臺的情況下將對方推出擂臺。

（三）與時俱進地更新開發(fā)環(huán)境

硬件綜合課程設(shè)計采用數(shù)字化電路虛擬設(shè)計及功能仿真與實際電路設(shè)計相結(jié)合的方式，要求學(xué)生使用protues軟件先繪制原理圖并仿真運行代碼，之后再把程序燒寫到真正的硬件上運行。不再使用和實驗箱配套的編程軟件，因為這樣的軟件通用性不強，和現(xiàn)在公司里的開發(fā)環(huán)境脫節(jié)。因此，采用通用性強的Keil、progisp下載器、串口調(diào)試小助手等進行開發(fā)。用Keil編寫程序，使用progisp下載器先擦除單片機中原有代碼，再將新代碼燒寫到單片機中，使用串口調(diào)試小助手來測試QTI傳感器等。并且學(xué)生可自由選擇匯編語言或C語言進行軟件開發(fā)。

（四）采用小組分工、協(xié)作的組織形式

模擬公司項目組的形式，教師給出多個題目，學(xué)生自主分成若干組，每組4～6人，共同完成一個題目，組之間的題目互不相同。每個組選出一位組長，負責(zé)管理和協(xié)調(diào)組員，每個組員又分配了一項具體的任務(wù)，比如硬件的組裝、調(diào)試或某個軟件模塊的開發(fā)，每人設(shè)計并調(diào)試好后，小組成員一起進行軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。以小組為單位答辯、驗收，先運行機器人系統(tǒng)，然后每個組員闡述自己的分工和完成情況，教師對每位同學(xué)問2-3個問題，當(dāng)場作答。通過答辯判斷實際系統(tǒng)與設(shè)計方案是否一致，是否實現(xiàn)了課題的需求功能與性能，系統(tǒng)設(shè)計有無特色、創(chuàng)新，程序思路是否合理、效率高，操作是否簡單、方便等，依此給答辯分。最后每位同學(xué)均需撰寫設(shè)計報告，學(xué)會規(guī)范文檔的編寫。

三、改革實踐的效果分析

目前，我校計算機專業(yè)已有兩屆學(xué)生完成了此課程設(shè)計的訓(xùn)練，效果如下：

1.打破了傳統(tǒng)模式，有效地培養(yǎng)了實踐動手能力。歷屆學(xué)生都認為硬件課程抽象、難學(xué)，大多數(shù)同學(xué)因為畏難而放棄。通過硬件綜合課程設(shè)計教學(xué)方式的改革，不再使用實驗箱做硬件平臺，而讓學(xué)生自己動手組裝零件搭成一個小設(shè)備，再在此設(shè)備上進行設(shè)計開發(fā)，使學(xué)生不僅要完成軟件的編程、調(diào)試，還要完成元器件布局設(shè)計、零件組裝、接線等。這樣學(xué)生看得見、摸得著，而且還是自己組裝的，學(xué)生表示不再覺得抽象，不僅對硬件知識能有更直觀、深刻的理解，而且設(shè)計完成后更有成就感，實踐動手能力真正得到提高。

2.激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。很多學(xué)生不喜歡硬件課程，是因為不知道這些知識跟自己有什么關(guān)系，有什么應(yīng)用。通過硬件綜合課程設(shè)計教學(xué)內(nèi)容的更新，使設(shè)計有直接的應(yīng)用，而且有趣，比如機器人循跡、走迷宮、打擂等，學(xué)生表示這些應(yīng)用激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

3.培養(yǎng)了團隊協(xié)作能力，學(xué)生表示在課程設(shè)計中小組成員之間能互相監(jiān)督、促進、幫助，體會到團隊的力量。

4.本課程設(shè)計的教學(xué)成果也在各種科技競賽中得以體現(xiàn)。在2012和2013中國教育機器人大賽中，我校老師帶領(lǐng)計算機專業(yè)的學(xué)生參賽，分別獲得了特等獎和一等獎的好成績。

參考文獻：

[1]劉叔軍，毛麗民.基于機器人創(chuàng)新訓(xùn)練的工程實踐模式研究[J].課程教育研究，2012，10.

[2]祝龍記，鄭曉亮.基于機器人制作平臺的大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2010，（01）.

[3]吳獻鋼.智能機器人創(chuàng)新實驗的實踐與改革[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2008，10.

作者簡介：

夏婷（1983-），女，湖北廣水人，漢族，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)及智能機器人。