實(shí)踐驅(qū)動(dòng)式智能小車教學(xué)模式探索

張藍(lán)兮+潘夢(mèng)琪+胡又農(nóng)

摘 要 為了為通用技術(shù)課程機(jī)器人與創(chuàng)新模塊培養(yǎng)師資，開設(shè)智能小車選修課。針對(duì)授課對(duì)象來源廣泛、基礎(chǔ)知識(shí)范圍和水平參差不齊、授課課時(shí)少等特點(diǎn)，在教學(xué)中改理論灌輸式教學(xué)為實(shí)踐驅(qū)動(dòng)式教學(xué)、改圖形化編程為C語言編程、改虛擬機(jī)器人仿真軟件為實(shí)際硬件組裝、改模塊化的硬件為基本元器件硬件。整個(gè)教學(xué)流程包括元器件及工具的獲取、焊接及組裝、實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)的搭建、步步為營環(huán)環(huán)相扣的學(xué)習(xí)研究、自主探索提高與發(fā)展等幾大步驟。實(shí)踐表明，基于實(shí)踐驅(qū)動(dòng)式的智能小車教學(xué)，充分考慮了師范院校本科生的特點(diǎn)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)智能小車教學(xué)過程中的不足，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神方面產(chǎn)生良好的效果，具有一定的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞 機(jī)器人與創(chuàng)新；智能小車；通用技術(shù)課程；信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G652 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）16-0138-04

Abstract In order to train teachers for the Robotics and Innovation module of general technology， we have set up a smart car elective course. Facing the wide range of students， scope and level of basic knowledge is uneven， less hours of teaching and so on， in the tea-ching， we change indoctrination teaching for practice-driven tea-ching， change the graphical programming for the C language pro-gramming， change the virtual robot simulation software for the actualhardware assembly， change the modular hardware for the basic com-ponent hardware. The whole teaching process includes the acquisi-tion of tools and component， welding and assembly， the construction of the experimental research platform， the step-by-step study and research on independent research and development. Practice shows that， based on the practice-driven smart car teaching， taking full account of the characteristics of undergraduate students in normal colleges and universities can effectively make up for the lack of tradi-tional intelligent car teaching process， in the training of students hands-on ability and innovative spirit to produce good results， a cer-tain practical significance.

Key words robot and innovation； smart car； general technology； in-formation technology

1 引言

隨著時(shí)代發(fā)展，對(duì)人才的需求也不斷發(fā)生變化，迫切需要大量創(chuàng)新實(shí)踐型人才，基礎(chǔ)教育中的通用技術(shù)課程在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)器人與創(chuàng)新是通用技術(shù)課程中的一個(gè)選修模塊，受到眾多學(xué)生和教師的歡迎。機(jī)器人與創(chuàng)新模塊大多以智能小車為載體展開，在課程中不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)到單片機(jī)硬件、軟件以及傳感器和控制技術(shù)等一些基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)給學(xué)生帶來豐富的趣味性和進(jìn)一步探索的熱情。課程打破了傳統(tǒng)乏味的“說教式”教學(xué)方式，通過動(dòng)手實(shí)踐，增強(qiáng)了學(xué)生主動(dòng)參與的意識(shí)，在“動(dòng)手”和“動(dòng)腦”之間建立了緊密的聯(lián)系。

為基礎(chǔ)教育培養(yǎng)師資是師范院校的責(zé)任和義務(wù)。目前，為基礎(chǔ)教育通用技術(shù)課程培養(yǎng)師資已經(jīng)被越來越多的師范類院校所重視。然而與數(shù)學(xué)、物理等傳統(tǒng)學(xué)科不同的是，通用技術(shù)在眾多師范院校中尚未形成獨(dú)立的學(xué)科或?qū)I(yè)，通用技術(shù)教師的培養(yǎng)仍然是分散地進(jìn)行，沒有形成完整的體系。

針對(duì)通用技術(shù)課程機(jī)器人與創(chuàng)新模塊的師資培養(yǎng)，首都師范大學(xué)及其他部分師范院校開設(shè)了智能小車選修課，授課對(duì)象大多是教育技術(shù)、信息技術(shù)、物理、數(shù)學(xué)等理科生，其中也不乏感興趣的文科生。面對(duì)來源廣泛、基礎(chǔ)知識(shí)范圍和水平參差不齊的學(xué)生，以及授課課時(shí)少等特點(diǎn)，如何授課才能使課程順利完成，取得良好的教學(xué)效果，并使學(xué)生從中獲益，受到學(xué)生的喜愛，是值得深入研究和實(shí)踐探索的。

2 智能小車教學(xué)中存在的問題與改進(jìn)對(duì)策

改理論灌輸式教學(xué)為實(shí)踐驅(qū)動(dòng)式教學(xué) 智能小車雖然小，但是其中蘊(yùn)藏的知識(shí)十分豐富，電子技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等均有所體現(xiàn)。通常師范類本科生是不可能全面具備上述知識(shí)的，為了彌補(bǔ)基礎(chǔ)知識(shí)的缺失，部分教師在授課時(shí)用大量課時(shí)進(jìn)行理論知識(shí)的講授。由于理論知識(shí)相對(duì)枯燥、趣味性不強(qiáng)，往往幾堂課下來，學(xué)生便失去學(xué)習(xí)的熱情。

過于偏重理論知識(shí)講授的傳統(tǒng)“說課式”教學(xué)方式，占用大量的課時(shí)，導(dǎo)致實(shí)際課時(shí)減少，學(xué)生只能被動(dòng)接受教師的知識(shí)灌輸，對(duì)各種知識(shí)的認(rèn)知只停留在表面，無法通過實(shí)踐進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。因此，筆者認(rèn)為應(yīng)該改傳統(tǒng)理論灌輸式教學(xué)為實(shí)踐驅(qū)動(dòng)式教學(xué)。endprint

實(shí)踐驅(qū)動(dòng)式教學(xué)要求教師在課程前期，通過簡單的實(shí)踐激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；在課程中，將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，“即用即學(xué)”與“即學(xué)即用”配合，加深學(xué)生對(duì)抽象理論知識(shí)的理解，并通過實(shí)踐將理論知識(shí)加以應(yīng)用；更加深入和完整的理論知識(shí)學(xué)習(xí)，則留給學(xué)生課下解決。在完成基本教學(xué)任務(wù)的前提下，教師還可以鼓勵(lì)有興趣、有能力的學(xué)生結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行更深層次的探究。在課程后期，教師可以基于所學(xué)知識(shí)設(shè)置相應(yīng)的任務(wù)，根據(jù)任務(wù)完成情況掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。在整個(gè)教學(xué)過程中，實(shí)踐貫穿始終，通過實(shí)踐內(nèi)化理論，可以很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和好奇心，既完成教學(xué)任務(wù)，又可以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問題的能力。

改圖形化編程為C語言編程 程序是實(shí)現(xiàn)智能小車各種功能的靈魂，通過設(shè)計(jì)和編寫程序，可以培養(yǎng)學(xué)生良好的思維能力和創(chuàng)新精神，這也是開設(shè)智能小車課程的重要目的。因此，程序設(shè)計(jì)是智能小車課程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

當(dāng)前，很多智能小車教學(xué)中采用圖形化的編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，但由于本科生已經(jīng)具備使用C語言編程的基本能力，因此，對(duì)本科生而言，使用圖形化的編程軟件太過簡單，既不能提高設(shè)計(jì)程序能力，也不能培養(yǎng)思維能力和創(chuàng)新精神。同時(shí)，采用圖形化編程軟件編寫的程序可移植性差，依賴于特定的硬件，不利于學(xué)生以后進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。因此，筆者建議改圖形化編程為C語言編程。

由于C語言的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是在字符方式下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)過程比較枯燥，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示單調(diào)，容易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高，最終影響學(xué)生綜合應(yīng)用能力的提高[1]。在智能小車課程中選用C語言作為編程語言，將智能小車與C語言代碼結(jié)合起來，可以有效彌補(bǔ)C語言實(shí)驗(yàn)過程枯燥、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示單調(diào)的不足，既能給學(xué)生帶來一定的挑戰(zhàn)性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，又可以使學(xué)生快速上手，避免學(xué)習(xí)新語言帶來的難度和時(shí)間的消耗成本。隨著課程的進(jìn)行，學(xué)生綜合運(yùn)用C語言的能力也有了很大的提升。

改虛擬機(jī)器人仿真軟件為實(shí)際硬件組裝 除培養(yǎng)學(xué)生良好的思維能力和創(chuàng)新精神外，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力也是開設(shè)智能小車課程的重要目的之一。通過智能小車的硬件組裝，可以充分培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和探索精神。同時(shí)，選修本課程的師范類院校本科生未來很可能負(fù)責(zé)基礎(chǔ)教育中機(jī)器人與創(chuàng)新模塊的講授，在未來的授課中也避免不了帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐和對(duì)小車進(jìn)行改裝。因此，智能小車的硬件組裝環(huán)節(jié)是智能小車教學(xué)中不可或缺的一部分，缺乏硬件組裝環(huán)節(jié)的智能小車教學(xué)和紙上談兵別無二致。

當(dāng)前，有些學(xué)校為了縮減課程開銷，采用虛擬機(jī)器人仿真軟件代替硬件組裝[2]。學(xué)生接觸不到實(shí)際的硬件，不能親手組裝，體驗(yàn)不到一輛小車在自己手中誕生的成就感，也就無法鍛煉動(dòng)手能力和探索精神。缺乏硬件組裝過程，學(xué)生也無法獲得感性認(rèn)識(shí)，對(duì)下一步學(xué)習(xí)和探索的積極性也會(huì)大打折扣。同時(shí)失去了解決組裝過程中出現(xiàn)各種突發(fā)狀況的機(jī)會(huì)，同樣不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取，也不利于學(xué)生未來的發(fā)展和開展教學(xué)。

改模塊化的硬件為基本元器件硬件 在智能小車教學(xué)的硬件選擇上，大多數(shù)學(xué)校都選擇樂高等模塊化的硬件器材。模塊化的硬件器材封裝了所有元件，采用模塊化的硬件器材進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏對(duì)底層硬件的感知，無法了解智能小車的硬件結(jié)構(gòu)體系、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)，不利于學(xué)生深入地學(xué)習(xí)和靈活運(yùn)用，嚴(yán)重影響教學(xué)效果，更不利于學(xué)生創(chuàng)新精神的形成。

目前，市面上有多種可供選擇的智能小車。在智能小車的選擇方面不能只關(guān)心功能是否多、性能是否高，是否適合教學(xué)、是否適合學(xué)生才是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。就小車功能而言，重點(diǎn)關(guān)注循跡功能、遙控功能和避障功能，由于攝像、尋光、平衡等功能未安排在課程中，因此不做過多考慮。就小車結(jié)構(gòu)而言，課程安排了元器件焊接、機(jī)械組裝等環(huán)節(jié)，因此考慮購置散件，而非組裝好的成品。此外，在選購小車時(shí)還考慮了成本、可維修性等諸多因素。總之，選擇一款合適的小車，是決定課程能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在選購中，主控單元選用STC89C52單片機(jī)作為控制核心。STC89C52單片機(jī)使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核。MCS-51資料完備，體系成熟，價(jià)格便宜，學(xué)習(xí)難度低，適合應(yīng)用于教學(xué)之中[3]。

避障模塊方面采用超聲波避障和紅外避障。選擇超聲波模塊時(shí)，通過超聲波的發(fā)射和接收，還可以對(duì)障礙物的距離做出判斷并顯示。紅外避障模塊選擇F5紅外發(fā)射管和F5紅外接收管，均為市面常見的LED產(chǎn)品，價(jià)格便宜，易于學(xué)生購買。

循跡模塊方面選用兩個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行左右地面的勘測(cè)，綜合單片機(jī)查詢方式，通過程序控制小車輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使小車實(shí)現(xiàn)沿路徑移動(dòng)的功能。

電機(jī)方面采用兩個(gè)直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大、體積小、重量輕、裝配簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適合學(xué)生進(jìn)行組裝。

電源模塊方面采用充電寶或計(jì)算機(jī)供電，也可以選擇電池組進(jìn)行供電，學(xué)生可以根據(jù)需求自行選擇。

3 實(shí)踐驅(qū)動(dòng)式的智能小車教學(xué)流程

元器件及工具的獲取 組裝智能小車，除了需要必要的元器件外，還需要一些特殊的組裝工具，如電烙鐵、螺絲刀等。課程所需的元器件及工具均可在網(wǎng)上進(jìn)行購買，且商家會(huì)提供多種套餐服務(wù)，在一定程度上降低選擇購買的難度。但網(wǎng)上提供的套餐多種多樣，質(zhì)量也參差不齊，大部分非專業(yè)的學(xué)生不具備辨別的能力。因此，在課程開始前，教師可根據(jù)教學(xué)的實(shí)際需求，為學(xué)生選擇合適的智能小車類型和組裝工具，給他們提供購買清單，讓學(xué)生自行購買。通過前期購買，學(xué)生會(huì)對(duì)各種元器件、工具和最終成品有一個(gè)初步的感性認(rèn)識(shí)，從而激發(fā)好奇心和學(xué)習(xí)興趣，為后面的教學(xué)奠定一定的基礎(chǔ)，有利于后面教學(xué)的順利進(jìn)行。

焊接及組裝 要想組裝好一輛智能小車，焊接工作必不可少。盡管本科生具備一定的操作能力和安全常識(shí)，但由于選修此課程的學(xué)生大多是教育技術(shù)、信息技術(shù)、物理、數(shù)學(xué)等理科生，和一些對(duì)智能小車感興趣的文科生，除少部分信息技術(shù)和物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生接觸過焊接外，其他學(xué)生均未在本科學(xué)習(xí)過程中體驗(yàn)過焊接，因此在焊接電路之前，教師要先介紹一下焊接的基本方法和注意事項(xiàng)，然后讓學(xué)生自己動(dòng)手焊接每一個(gè)元器件。在焊接過程中，教師要把握好學(xué)生的整體進(jìn)度，隨時(shí)檢查學(xué)生的焊接情況，避免給下一步的教學(xué)留下隱患。教師還可以挑選出幾名焊接技術(shù)優(yōu)異的學(xué)生充當(dāng)助手，幫助其他學(xué)生解決焊接時(shí)出現(xiàn)的問題。endprint

選修智能小車課程的學(xué)生大多是第一次接觸焊接和組裝，焊接的體驗(yàn)可以極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。同時(shí)，通過處理焊接過程中出現(xiàn)的各種各樣的問題，學(xué)生還可以掌握更多的理論和實(shí)踐知識(shí)，增強(qiáng)解決實(shí)際問題的能力。組裝的體驗(yàn)有助于學(xué)生了解智能小車的硬件結(jié)構(gòu)體系、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)，還可以體會(huì)到一輛小車在自己手中誕生的成就感，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)和創(chuàng)新打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)的搭建 智能小車的焊接與組裝僅是智能小車課程的一部分。組裝完成后，緊接著要通過調(diào)試，讓小車順利地實(shí)現(xiàn)循跡、尋光、避障等功能。在此過程中，需要使用專門的程序燒錄工具將事先寫好的程序燒錄到小車中，從而實(shí)現(xiàn)小車的多種功能。通過程序燒錄，可以令學(xué)生直觀地看到自己的小車動(dòng)起來并做出多種智能反應(yīng)，使學(xué)生體驗(yàn)到強(qiáng)烈的喜悅感和自豪感，由此維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，為接下來的編程做鋪墊。

市面上針對(duì)智能小車的編程軟件有很多，此次選擇的是Keil C51軟件。Keil C51軟件具有豐富的庫函數(shù)、強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具和全Windows界面，可以為學(xué)生的編程降低難度；同時(shí)，顯示更加簡潔、方便，易于學(xué)生接受并快速上手。

步步為營、環(huán)環(huán)相扣的學(xué)習(xí)研究 在以往的C語言教學(xué)中，大量的課時(shí)用于理論知識(shí)的講授，只有少部分課時(shí)用于上機(jī)實(shí)驗(yàn)，但由于上機(jī)次數(shù)少、單次上機(jī)時(shí)練習(xí)的內(nèi)容多，導(dǎo)致很多學(xué)生獨(dú)立編程時(shí)往往以失敗告終，以至于大多數(shù)學(xué)生過分依賴課本案例，沒有獨(dú)立編程和調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)前面所學(xué)知識(shí)掌握不透徹，也沒有建立起良好的編程思想。針對(duì)這種情況，此次采取理論知識(shí)講授與上機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，每節(jié)課進(jìn)行相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的講解，然后立即配以編程，出現(xiàn)問題即刻解決。同時(shí)，在課程講授方面，先由實(shí)現(xiàn)簡單功能的程序入手，然后過渡到復(fù)雜功能，循序漸進(jìn)，從而不斷保持學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的設(shè)計(jì)開發(fā)能力。

以實(shí)現(xiàn)LED燈的閃爍為例進(jìn)行說明。在焊接階段，學(xué)生已經(jīng)對(duì)LED燈有了初步的了解，所以授課時(shí)不必再對(duì)LED燈做過多的介紹，只需介紹單片機(jī)輸出端口的控制原理以及高低電平的概念，隨后結(jié)合C語言，講解程序的編寫過程和重難點(diǎn)部分，給學(xué)生建立一個(gè)流程框架。講解結(jié)束后，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)自行編寫LED燈的閃爍程序，燒錄到小車中，驗(yàn)證程序編寫是否正確。若未實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能，可先由學(xué)生自主反思，找出原因，進(jìn)行修改，也可視具體情況由教師直接給予幫助。

在整個(gè)教學(xué)過程中，理論知識(shí)的講解只是其中的一小部分，學(xué)生自行編程和調(diào)試修改才是教學(xué)過程的重點(diǎn)。但是學(xué)生后期的編程離不開教師前期的講解，這樣可以很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和求知欲。同時(shí)，通過編程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新意識(shí)。在隨后進(jìn)行的反思和修改環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過對(duì)程序進(jìn)行檢查和修改，會(huì)加深對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，還能增強(qiáng)學(xué)生的探索意識(shí)。最終通過修改獲得成功，學(xué)生能收獲滿滿的成就感，增強(qiáng)解決問題的能力。

在之后的每節(jié)課中，都可以慣用此教學(xué)流程——講授新知→編程練習(xí)→燒錄檢驗(yàn)和修改反思。同時(shí)，可以逐步加深課程難度，在實(shí)現(xiàn)LED燈閃爍的基礎(chǔ)上，加入數(shù)碼管的顯示功能，還可以在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)將小車傳感器的邏輯狀態(tài)通過數(shù)碼管顯示出來，以完成小車傳感器信號(hào)檢測(cè)部分的全部程序。

在小車傳感器信號(hào)檢測(cè)部分程序正確完成的情況下，可以開始小車電機(jī)部分程序的編寫，如控制前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等小車運(yùn)動(dòng)的基本控制程序。

信號(hào)檢測(cè)與基本控制程序都以函數(shù)的形式一個(gè)個(gè)地調(diào)試完成，此時(shí)便可開展小車運(yùn)動(dòng)算法方面的學(xué)習(xí)和研究，如躲避障礙物、沿特定軌道前進(jìn)、走迷宮等。由于信號(hào)檢測(cè)與基本控制程序都是經(jīng)過調(diào)試的正確函數(shù)，因此在編寫小車運(yùn)動(dòng)程序時(shí)，可以把精力全部放在算法研究上，無須在信號(hào)檢測(cè)和基本控制上花費(fèi)精力。

通過步步為營、循序漸進(jìn)的講授和實(shí)踐，學(xué)生在不知不覺中便完成一個(gè)上百行的程序，很多學(xué)生都很驚訝，自己怎么如此“偉大”？

自主探索、提高與發(fā)展 智能小車選修課的課時(shí)是有限的，所教授的知識(shí)、實(shí)現(xiàn)的功能也是有限的，但是智能小車所包含的知識(shí)遠(yuǎn)不只此，這就需要學(xué)生在課后不斷進(jìn)行自主探索，學(xué)習(xí)更多的相關(guān)內(nèi)容，不斷充實(shí)自己，獲得提高。

到了學(xué)期后期，教師可以安排一些自主探索的時(shí)間，讓學(xué)生自主探索一些前面課程沒有涉及的內(nèi)容，如藍(lán)牙無線遙控、電機(jī)調(diào)速、PID控制等；也可以讓學(xué)生自主舉辦小車比賽，以提高他們參與學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)深入探索的熱情。

4 總結(jié)

綜上所述，實(shí)踐驅(qū)動(dòng)式的智能小車教學(xué)模式充分考慮了師范院校本科生的特點(diǎn)，通過實(shí)踐與理論相結(jié)合，改變了傳統(tǒng)智能小車教學(xué)中的不足，使智能小車的教學(xué)更加有效和有趣，在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神方面取得積極的效果，具有一定的實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)

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