機(jī)器人項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的城市軌道交通專業(yè)教學(xué)創(chuàng)新

婁 智

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通與信息工程系，合肥 230051）

一、引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2015-2020年中國(guó)城市軌道交通行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告前瞻》研究顯示：2013年，我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程為2408公里，同比增長(zhǎng)17.01%。城軌交通運(yùn)營(yíng)線路條數(shù)為81條，比上年增加了12條。城市軌道交通的高速發(fā)展對(duì)軌道交通專業(yè)學(xué)生的水平和素質(zhì)也提出了更高的要求。《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程是城市軌道交通專業(yè)群中非常重要的專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，對(duì)其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改進(jìn)，已經(jīng)成為軌道交通專業(yè)人才培養(yǎng)中普遍關(guān)注和重點(diǎn)研究的課題。

二、現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

（一）課程的教學(xué)課時(shí)偏少

教學(xué)課時(shí)偏少主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是目前我國(guó)高職院校的學(xué)制一般是2+1或2.5+0.5年，學(xué)生在校時(shí)間較短，每門課不可能安排過(guò)多課時(shí)；二是高職院校學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相對(duì)較差，導(dǎo)致他們接受知識(shí)較慢，每堂課講授的內(nèi)容不可能太多。正因如此，導(dǎo)致了在實(shí)際教學(xué)中理論課時(shí)和實(shí)踐課時(shí)的不足，教師只能傳授一些最基礎(chǔ)的知識(shí)，沒有時(shí)間和精力去提高學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的工程實(shí)踐能力。

（二）學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不足

有些學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《單片機(jī)原理與應(yīng)用》既抽象又枯燥，不如學(xué)習(xí)其它一些課程生動(dòng)直觀；有的學(xué)生是因?yàn)閷W(xué)習(xí)這些課程需要較強(qiáng)的抽象思維和邏輯思維能力，還需具備一定的數(shù)理、英語(yǔ)基礎(chǔ)，因而在學(xué)習(xí)的過(guò)程中顯得力不從心，不能掌握正確的學(xué)習(xí)方法和思維方式，從而對(duì)學(xué)習(xí)這兩門課程產(chǎn)生了一種畏懼心理。

（三）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)不能滿足教學(xué)的要求

城市軌道交通專業(yè)群本身就是技術(shù)應(yīng)用專業(yè)，而且高職院校是以提高工程實(shí)踐能力為主的職業(yè)教育。然而，現(xiàn)今高職院校所用的相關(guān)課程的教材，存在的普遍問(wèn)題就是實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容嚴(yán)重不足，課程中的實(shí)踐性教學(xué)多是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，而具有實(shí)用性、創(chuàng)新性和職業(yè)性的基于工作過(guò)程的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目較少。

（四）教學(xué)方法落后、考核方式單一

高職課程一般采用的教學(xué)方法是教師課上講授加學(xué)生實(shí)驗(yàn)的形式，教師在理論課上常常采用“填鴨式”教學(xué)，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)發(fā)揮自身的主觀能動(dòng)性；實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生也僅僅是對(duì)書本上現(xiàn)有的一些實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證調(diào)試，一旦調(diào)試成功就完成任務(wù)。這種教學(xué)方法根本不能讓學(xué)生掌握如何從一個(gè)實(shí)際問(wèn)題入手分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。另外，單一的筆試考核方式也使教師和學(xué)生忽視了實(shí)踐課的教學(xué)環(huán)節(jié)，從而導(dǎo)致現(xiàn)今的課程教學(xué)不能滿足高職教育發(fā)展的需求。

三、課程教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐的目的、意義和措施

第一，改革原有的理論和驗(yàn)證性試驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)體系，構(gòu)建創(chuàng)新式、相互有機(jī)聯(lián)系、基于實(shí)際工程項(xiàng)目開發(fā)的教學(xué)體系。

第二，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《單片機(jī)原理與應(yīng)用》的興趣和積極性，充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

第三，提高城市軌道交通專業(yè)群及相關(guān)專業(yè)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并且加強(qiáng)了他們?cè)诠こ虒?shí)踐中的應(yīng)用能力。

第四，形成一套完整的，便于學(xué)生理解和掌握，基于機(jī)器人項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《單片機(jī)原理與應(yīng)用》講義，并運(yùn)用于實(shí)際的教學(xué)。

通過(guò)將單片機(jī)的知識(shí)和C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的知識(shí)融入到機(jī)器人項(xiàng)目中，讓學(xué)生通過(guò)親自設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試和組裝項(xiàng)目系統(tǒng)中的典型模塊，最后完成系統(tǒng)控制，全面掌握工程系統(tǒng)的建模、分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試等方法，使學(xué)生體會(huì)到該課程在工程系統(tǒng)中的作用和地位，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，提高他們學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。另外，針對(duì)《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《單片機(jī)原理與應(yīng)用》講義中涉及到的每個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作相應(yīng)的微課視頻，加強(qiáng)學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)，促進(jìn)知識(shí)內(nèi)容的理解。從而解決了《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《單片機(jī)原理與應(yīng)用》這兩門專業(yè)核心基礎(chǔ)課程抽象、難學(xué)的老大難問(wèn)題。

四、課程教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐的內(nèi)容

第一部分：基于機(jī)器人項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》教學(xué)實(shí)踐

項(xiàng)目1：利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)

該項(xiàng)目包含的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)容有：簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言程序；程序、算法；數(shù)據(jù)類型；常量與變量、控制字符；輸出語(yǔ)句；順序程序結(jié)構(gòu)。

項(xiàng)目2：實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的曲線運(yùn)動(dòng)

該項(xiàng)目包含的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)容有：循環(huán)控制語(yǔ)句；while循環(huán)；do……while循環(huán)；break語(yǔ)句與 continue語(yǔ)句。

項(xiàng)目3：機(jī)器人的變速運(yùn)動(dòng)

該項(xiàng)目包含的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)容有：for語(yǔ)句循環(huán)；goto語(yǔ)句；嵌套循環(huán)；算術(shù)運(yùn)算符與算術(shù)表達(dá)式；強(qiáng)制類型運(yùn)算符；自增自減運(yùn)算符；賦值運(yùn)算符與賦值表達(dá)式；復(fù)合的賦值運(yùn)算符。

項(xiàng)目4：機(jī)器人觸覺導(dǎo)航

該項(xiàng)目包含的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)容有：選擇語(yǔ)句if；關(guān)系運(yùn)算符與關(guān)系表達(dá)式；邏輯運(yùn)算符與邏輯表達(dá)式。

項(xiàng)目5：機(jī)器人循跡導(dǎo)航（跟蹤條紋帶）

該項(xiàng)目包含的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)容有：if…else分支語(yǔ)句；if語(yǔ)句嵌套；條件運(yùn)算符；switch多分支選擇語(yǔ)句。

項(xiàng)目6：基于I/O接口控制的機(jī)器人紅外線導(dǎo)航

該項(xiàng)目包含的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)容有：while語(yǔ)句與if……else……語(yǔ)句綜合應(yīng)用。

項(xiàng)目7：C語(yǔ)言函數(shù)與機(jī)器人尾隨小車

該項(xiàng)目包含的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)容有：數(shù)組；數(shù)組的定義、初始化、引用；二維數(shù)組的定義、引用、初始化；字符數(shù)組。

項(xiàng)目8：C語(yǔ)言函數(shù)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

該項(xiàng)目包含的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)容有：函數(shù)定義；有參函數(shù)；函數(shù)的調(diào)用；參數(shù)的傳遞；形參與實(shí)參；函數(shù)的嵌套調(diào)用；遞歸；變量的存儲(chǔ)方式；全局變量與局部變量；帶參數(shù)的宏定義。

項(xiàng)目9：機(jī)器人與上位機(jī)的無(wú)線通訊

該項(xiàng)目包含的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)容有：地址和指針；指針變量及運(yùn)算；數(shù)組指針；指針與函數(shù)；字符指針；指針與字符串。[1]

第二部分：基于機(jī)器人項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的《單片機(jī)原理與應(yīng)用》教學(xué)實(shí)踐

項(xiàng)目1：認(rèn)識(shí)機(jī)器人與單片機(jī)

該項(xiàng)目包含的C51單片機(jī)內(nèi)容有：?jiǎn)纹瑱C(jī)定義以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)；單片機(jī)電路符號(hào)以及封裝圖；單片機(jī)的框架組成及各部分功能；單片機(jī)簡(jiǎn)單控制原理；單片機(jī)的使用；單片機(jī)的類型及特點(diǎn)；單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

項(xiàng)目2：機(jī)器人開發(fā)編程環(huán)境的建立

該項(xiàng)目包含的C51單片機(jī)內(nèi)容有：Keilu Vision2 IDE集成開發(fā)環(huán)境的建立；SLISP軟件下載工具的安裝；串口調(diào)試軟件的安裝；簡(jiǎn)單的單片機(jī)C語(yǔ)言的調(diào)試與下載。

項(xiàng)目3：機(jī)器人的安裝

該項(xiàng)目包含的C51單片機(jī)內(nèi)容有：機(jī)器人的初步安裝；51單片機(jī)芯片的安裝；觸覺傳感器的安裝；紅外傳感器的安裝；利用面包板搭建電路。

項(xiàng)目4：機(jī)器人基本的巡航控制

該項(xiàng)目包含的C51單片機(jī)內(nèi)容有：C51單片機(jī)的I/O接口介紹；單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；單片機(jī)控制發(fā)光二極管；單片機(jī)的軟件初始化以及控制命令；單片機(jī)控制伺服電機(jī)；延時(shí)程序控制電機(jī)時(shí)序；單片機(jī)輸出接口控制伺服電機(jī)。

項(xiàng)目5：?jiǎn)纹瑱C(jī)的輸入接口與機(jī)器人的觸覺導(dǎo)航

該項(xiàng)目包含的C51單片機(jī)內(nèi)容有：?jiǎn)纹瑱C(jī)的輸入接口；單片機(jī)控制觸覺傳感器原理及實(shí)物連接；單片機(jī)端口值的獲取。

項(xiàng)目6：?jiǎn)纹瑱C(jī)I/O接口與機(jī)器人紅外避障

該項(xiàng)目包含的C51單片機(jī)內(nèi)容有：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸入輸出接口控制紅外線的發(fā)射與接收；單片機(jī)發(fā)送脈沖；高性能的IR檢測(cè)

項(xiàng)目7：基于IR LED探測(cè)電路的智能機(jī)器人測(cè)距

該項(xiàng)目包含的C51單片機(jī)內(nèi)容有：測(cè)距傳感器的分類；頻率掃描與區(qū)域探測(cè)；定時(shí)/計(jì)數(shù)器的應(yīng)用及編程實(shí)現(xiàn)；TCON和TMOD特殊功能寄存器；定時(shí)器工作模式；C51單片機(jī)中斷服務(wù)函數(shù)的概念和使用；中斷使能寄存器；定時(shí)器時(shí)間調(diào)整。

項(xiàng)目8：機(jī)器人的串口通信（UART的應(yīng)用）

該項(xiàng)目包含的C51單片機(jī)內(nèi)容有：?jiǎn)纹瑱C(jī)串口通信；串口結(jié)構(gòu)

串口控制寄存器SCON；串口的工作模式；波特率；RS232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換；存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。

項(xiàng)目9：LCD應(yīng)用編程及機(jī)器人的集成技術(shù)

該項(xiàng)目包含的C51單片機(jī)內(nèi)容有：字符型點(diǎn)陣式LCD模塊；LCD的引腳說(shuō)明；LCD引腳與AT89S52單片機(jī)連接方式；LCD控制器接口、狀態(tài)字；LCD內(nèi)部RAM地址設(shè)置指令碼。[2]

五、課程教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐的成果

（一）提高了學(xué)生的工程實(shí)踐和編程能力

大大提高了學(xué)生的工程實(shí)踐和編程能力，明確了課程知識(shí)間的有機(jī)聯(lián)系性。通過(guò)教學(xué)創(chuàng)新，使學(xué)生把《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程學(xué)習(xí)與實(shí)際工程項(xiàng)目的開發(fā)相結(jié)合，更好的體現(xiàn)了理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)的興趣和積極性。

（二）更新了教師的教學(xué)理念

通過(guò)基于機(jī)器人項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的城市軌道交通專業(yè)群課程教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐，使教師深深體會(huì)到課程知識(shí)間的有機(jī)聯(lián)系性和老師技術(shù)的全面性是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。

（三）教材建設(shè)的成果

提交了一套《基于機(jī)器人項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》講義和《基于機(jī)器人項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)原理與應(yīng)用》講義，該教材在城市軌道交通專業(yè)群的課程教學(xué)過(guò)程中起到了很好的效果。完成了和講義相配套的微課視頻的制作。

六、總結(jié)

基于機(jī)器人項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的城市軌道交通專業(yè)群課程教學(xué)創(chuàng)新經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，取得了很好的教學(xué)效果。學(xué)生在參加的各項(xiàng)比賽中共有37人次獲得各項(xiàng)名次，其中還有一位同學(xué)在“國(guó)信藍(lán)點(diǎn)杯”全國(guó)軟件專業(yè)人才設(shè)計(jì)與開發(fā)大賽全國(guó)總決賽中獲得一等獎(jiǎng)。此次創(chuàng)新提高了學(xué)生對(duì)于課程的理解，幫助學(xué)生掌握了工程系統(tǒng)的建模、分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試等方法，有效提升了學(xué)生的能力水平。

[1]Brian W.Kernighan,Dennis M.Ritchie.C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]李林功.單片機(jī)原理與應(yīng)用(第2版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014.