以單片機(jī)智能機(jī)器人為載體的計(jì)算機(jī)系列課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

鄧文蓮，邵麗麗

(菏澤學(xué)院，山東 菏澤 274015)

0 引言

機(jī)器人是綜合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、傳感器、控制技術(shù)、人工智能仿真技術(shù)等多種學(xué)科的復(fù)雜智能機(jī)械，目前已經(jīng)成為世界各國的研究熱點(diǎn)之一。機(jī)器人技術(shù)是多技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其生產(chǎn)通常對(duì)技術(shù)的要求非常高，通過有效運(yùn)用自動(dòng)化裝備并融合了先進(jìn)的制造技術(shù)，現(xiàn)如今的機(jī)器人技術(shù)可以說是一個(gè)國家科技實(shí)力發(fā)展的最前沿。機(jī)器人技術(shù)最早應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，但隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和各行業(yè)需求的提升，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人、清掃機(jī)器人、軍用機(jī)器人、教育機(jī)器人、娛樂機(jī)器人和探測(cè)機(jī)器人等不同種類的機(jī)器人[1]。單片機(jī)技術(shù)在機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起到了關(guān)鍵的作用，單片機(jī)技術(shù)的自動(dòng)控制方面對(duì)于機(jī)器人制造時(shí)的核心驅(qū)動(dòng)裝置的研發(fā)有著不可或缺的作用。單片機(jī)技術(shù)能夠在機(jī)器人的研發(fā)工作中很好的強(qiáng)化機(jī)器人的感控能力，所以對(duì)于單片機(jī)技術(shù)在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的實(shí)際運(yùn)用的研究是切合教學(xué)需求的。

1 在高校中實(shí)施計(jì)算機(jī)課程的必要性與可行性

1.1 在高校中實(shí)施計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革的必要性

現(xiàn)如今各大高校的計(jì)算機(jī)課程出現(xiàn)了統(tǒng)一化趨勢(shì)，不同學(xué)校的計(jì)算機(jī)專業(yè)都有著相似的課程安排、相似的培養(yǎng)方案，課程內(nèi)容老套，教學(xué)安排無法體現(xiàn)學(xué)校特色，學(xué)科創(chuàng)新難，學(xué)科內(nèi)容與現(xiàn)如今最新型的科學(xué)技術(shù)脫軌，不能做到實(shí)時(shí)更新[2]。

在計(jì)算機(jī)教學(xué)過程中通過考試依舊是學(xué)生學(xué)習(xí)的最大目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)題目要求，顯示出正確的結(jié)果就算是完成任務(wù)，甚至為了考試背下正確的代碼以方便考試。創(chuàng)新能力在這種學(xué)習(xí)方式中沒有分毫的體現(xiàn)，這也是現(xiàn)如今的計(jì)算機(jī)教學(xué)所存在的最大的弊病，學(xué)生獨(dú)立編程的能力應(yīng)遠(yuǎn)比完成考試、完成作業(yè)來的重要。

學(xué)校為本專業(yè)的學(xué)生設(shè)計(jì)的培養(yǎng)方案也不能很好地與企業(yè)需求進(jìn)行對(duì)接，企業(yè)更加注重的是學(xué)生未來獨(dú)立解決問題的能力、有自己的設(shè)計(jì)思路、有扎實(shí)的基本功，其中最為重要的就是學(xué)生用編程設(shè)計(jì)解決實(shí)際需求的能力，而這種能力就需要學(xué)生有足夠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這也是現(xiàn)在的學(xué)生最為缺乏的[3]。

1.2 基于單片機(jī)機(jī)器人實(shí)施計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革的可行性

1.2.1 理論上的可行

現(xiàn)如今教學(xué)過程中的弊病一一體現(xiàn)，課程改革勢(shì)在必行，研究可行的課程改革方案也成了一線教育工作者所必須要探究與思考的問題。而改革的重點(diǎn)則集中實(shí)踐二字上。

減少理論課時(shí)，增加實(shí)踐。課程設(shè)計(jì)在沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的情況下，讓學(xué)生通過自己所學(xué)的知識(shí)，通過查閱參考資料，獨(dú)立完成項(xiàng)目。而將單片機(jī)機(jī)器人融入計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)中既可以滿足沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，讓學(xué)生真正獨(dú)立的完成自主設(shè)計(jì)，也可以滿足讓課程設(shè)計(jì)不至于太過簡(jiǎn)單，從而無法激發(fā)學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中的學(xué)習(xí)與思考，無法達(dá)到促進(jìn)學(xué)生能力升級(jí)的目的[4]。一定難度的題目，也沒有現(xiàn)成答案的參考，十分契合現(xiàn)如今大環(huán)境下科技未來的發(fā)展方向，也為學(xué)生未來的求職履歷添上精彩的一筆，簡(jiǎn)言之，將單片機(jī)機(jī)器人融入計(jì)算機(jī)課程是十分可行的。

1.2.2 實(shí)踐上的可行

單片機(jī)機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)主要組成部分：在機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，需要單片機(jī)來把控整個(gè)系統(tǒng)，并對(duì)于不同功能的模塊進(jìn)行組裝與銜接；在機(jī)器人的實(shí)際使用過程中，對(duì)各個(gè)單元反饋的信息做出處理，并自動(dòng)生成不同的指令來調(diào)控各個(gè)單元進(jìn)行相應(yīng)的操作。

在實(shí)際操作中選用了AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)機(jī)器人的控制核心，單片機(jī)單元的主要作用是負(fù)責(zé)掃描鍵盤輸入的信號(hào)，處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生不同的脈沖控制電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，相關(guān)數(shù)據(jù)送至顯示單元?jiǎng)討B(tài)顯示，產(chǎn)生實(shí)時(shí)的聲光報(bào)警信號(hào)。使用紅外線電傳感器作為監(jiān)測(cè)路況的探照單元，使用電光碼盤測(cè)距，用光敏電阻判斷車庫位置，利用PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過計(jì)算機(jī)編寫指令從而精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走、后退、避讓路障、精確停止等操作的完成，并將行程期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一記錄，反饋在顯示屏上。在前述操作之后，找尋整體電路的最佳搭配，以達(dá)到51單片機(jī)的最優(yōu)利用。

基于51單片機(jī)的機(jī)器人設(shè)計(jì)可行性已經(jīng)被實(shí)踐驗(yàn)證過是完全可行的，關(guān)于機(jī)器人的組成單元也有完整的介紹，學(xué)生在設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在編寫正確的程序指令，選擇正確的傳感器并正確使用它們，十分熟悉自己所選的單片機(jī)的型號(hào)及其功能，最后就是將他們統(tǒng)一組裝起來并裝上動(dòng)力裝置[5]。在此過程中學(xué)生可以按照自己的想法，增刪機(jī)器人的功能，有什么想法就大膽實(shí)踐出來，這就是創(chuàng)新精神萌芽的第一步。

2 關(guān)于在計(jì)算機(jī)課程中單片機(jī)智能機(jī)器人的課程設(shè)計(jì)細(xì)則

要進(jìn)行單片機(jī)智能機(jī)器人設(shè)計(jì)并不是能夠簡(jiǎn)單上手的任務(wù)，而是要在完成單片機(jī)、模擬電路與數(shù)字電路以及計(jì)算機(jī)編程之后才能進(jìn)行的一項(xiàng)課程設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，單片機(jī)智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)可以分為三大模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)運(yùn)用，電路的組裝，以及C51程序的編寫，每一步都需要學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)。教師在教授完成單片機(jī)課程后，可以安排同學(xué)們進(jìn)行更加深入的學(xué)習(xí)。在進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)時(shí)，讓同學(xué)們?cè)谟?jì)算機(jī)上進(jìn)行單片機(jī)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的模擬計(jì)算技術(shù)，用單片機(jī)模擬軟件在電腦上自行設(shè)計(jì)有關(guān)電路，學(xué)生要思考關(guān)于每個(gè)單元的功能實(shí)現(xiàn)，以及如何將各個(gè)單元連接起來。

完成模擬設(shè)計(jì)圖之后，實(shí)際操作起來就能更加明確，接下來的工作就是解決線路的連接問題。實(shí)際的操作與理想情況下的設(shè)計(jì)一般來說都不會(huì)完全相同，學(xué)生依舊要在此階段進(jìn)行摸索，選擇正確的零件以及正確的連接方式。

機(jī)器人的智能取決于命令語言的編寫，這也是整個(gè)課程設(shè)計(jì)難點(diǎn)的集中之處。整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，用C51語言編寫軟件程序，主要包括初始化程序、偏離軌道調(diào)整程序、偏離光源調(diào)整程序、聲光指示程序子程序、讀取、顯示傳感器狀態(tài)程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序、停車處理模塊等。

單片機(jī)機(jī)器人設(shè)計(jì)需要十分扎實(shí)的單片機(jī)知識(shí)以及編程技巧，學(xué)生在完成教學(xué)任務(wù)的同時(shí)也是對(duì)自己編程技術(shù)以及單片機(jī)應(yīng)用技能的一次鍛煉。但學(xué)生獨(dú)自完成十分有難度，教師在安排授課的時(shí)候也應(yīng)該注意進(jìn)行小組學(xué)習(xí)的安排，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)查閱資料，鼓勵(lì)學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生進(jìn)行問題的討論。對(duì)于水平高的學(xué)生，教師可以著重引導(dǎo)他們進(jìn)行深入創(chuàng)新研究，比如在完成設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上探討研究選用那種型號(hào)的單片機(jī)最符合要求，如何能實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路更加低耗等。

教學(xué)實(shí)踐課程的主要目的是為給學(xué)生提供一個(gè)能夠發(fā)揮學(xué)習(xí)自主性、培養(yǎng)獨(dú)立學(xué)習(xí)能力的機(jī)會(huì)，但這并不意味著教師在這個(gè)過程中就可有可無，相反教師依舊扮演著非常重要的角色。此課程設(shè)計(jì)中學(xué)生的完成難度必然很大，這就需要教師時(shí)刻給予學(xué)生專業(yè)上的指導(dǎo)。

在課程設(shè)計(jì)開始之前，教師應(yīng)該按照自己的教學(xué)目標(biāo)并結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，對(duì)課程進(jìn)行不同程度的解讀。比如對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)并不完善的學(xué)生，教師在發(fā)布設(shè)計(jì)任務(wù)的同時(shí)就為同學(xué)們解析整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，并對(duì)較難的地方比如將部分代碼設(shè)置為已知條件，從而降低課程設(shè)計(jì)難度。面對(duì)較高水平的學(xué)生，或者教師想要提高課程設(shè)計(jì)的難度，則可以適當(dāng)減少已知條件的設(shè)立。

在課程設(shè)計(jì)的過程中，學(xué)生有了階段性的進(jìn)步之后，教師應(yīng)該就學(xué)生對(duì)于階段性設(shè)計(jì)的自我總結(jié)給予評(píng)析，以便幫助學(xué)生把握設(shè)計(jì)方向，防止學(xué)生耗時(shí)耗力卻無法得到令人滿意的結(jié)果，從而對(duì)他們的學(xué)習(xí)積極性產(chǎn)生巨大的打擊，這是得不償失的。課程改革的重點(diǎn)就是幫助學(xué)生提高自主學(xué)習(xí)能力，提高他們的創(chuàng)新探索精神，而并非用有難度的課題打消學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在課程設(shè)計(jì)的結(jié)尾，學(xué)生基本上都完成了設(shè)計(jì)，教師可以在此時(shí)聽取學(xué)生們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中所發(fā)現(xiàn)的問題，為他們一一解答，并對(duì)學(xué)生能力進(jìn)行評(píng)估。對(duì)完成度好的同學(xué)，教師可以引導(dǎo)他們思考能否對(duì)機(jī)器人的零件進(jìn)行優(yōu)化替換，又或者能否為機(jī)器人添加其他的功能，比如添加太陽能板等問題。根據(jù)不同層次的學(xué)生進(jìn)行不同的教學(xué)指導(dǎo)，將因材施教貫徹到教學(xué)過程中，幫助學(xué)生尋找到最適合自己的學(xué)習(xí)方向。

3 結(jié)語

計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)科創(chuàng)新是一個(gè)持續(xù)的、不斷深化的過程，對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)方案一定要向著社會(huì)的需求與科技的前沿方向發(fā)展。注重對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力、解決問題能力的培養(yǎng)。激發(fā)學(xué)生對(duì)于未知領(lǐng)域的探索欲，鼓勵(lì)他們進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。在實(shí)踐教學(xué)過程中不斷地改進(jìn)、探索和完善，真正達(dá)到實(shí)踐課程的教學(xué)目的。