基于機器人工程對象的單片機教學改革

劉志遠

（佛山職業(yè)技術學院 機電工程系，廣東 佛山 528137）

基于機器人工程對象的單片機教學改革

劉志遠

（佛山職業(yè)技術學院 機電工程系，廣東 佛山 528137）

《單片機技術》是電子通信專業(yè)的重要課程，但學生在學習《單片機技術》課程的過程中，普遍反映學習起來很難理解、比較枯燥，從而打消了學生的學習積極性。本文針對目前單片機課程的特點與教學上存在的問題進行分析提出了以機器人工程的項目式的教學改革，提高了學生的學習積極性，在幫助學生掌握單片機技術上起到了很好的作用。

單片機教學改革；機器人；項目式教學

一、引言

《單片機技術》是高等學校電子通信專業(yè)的一門重要的專業(yè)課。單片機具有結構簡單、抗干擾能力強、功耗低等特點，被廣泛應用于數(shù)字控制、智能傳感器、遙感技術等領域，是現(xiàn)代科技不可缺少的關鍵技術。在家電、通信行業(yè)中，尤其需要單片機方面的人才，調(diào)查表明，掌握單片機技術的高等學校學生在畢業(yè)后，不管是在就業(yè)率方面還是滿意度方面都是相當高的。

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

二、單片機技術教學存在的問題

目前幾乎每個工科院校都設有《單片機技術》課程，按照用傳統(tǒng)的教學模式是：先基礎后應用。從單片機硬件結構開始到匯編指令系統(tǒng)，接著是系統(tǒng)擴展與接口技術，還有的高校會增加課程設計。學生一開始接觸單片機就從最抽象、最枯燥的硬件結構與匯編語言，如果學生的基礎與理解能力不夠的話，學習起來就會非常吃力，這也是很多學生對《單片機技術》這門課程不感興趣的原因之一。

另外，在傳統(tǒng)的教學中，理論教學部分遠遠多于實踐教學，而實踐部分往往也是教材規(guī)定的幾個實驗項目，學生照著接線輸入程序就完成了，學生完成的更多是一種驗證性的工作，導致學生缺少主觀能動性，在學習的積極性與自主創(chuàng)新上大打折扣。

以上單片機課程在教學過程中存在的問題必須得以改革才能更好地讓我們的學生學習和掌握單片機技術。

三、基于機器人工程對象的單片機教學改革

1.利用輪式機器人平臺項目式教學。機器人的控制核心是單片機，控制對象直觀，也極具趣味性，因此很適合作為單片機的學習載體。在各種機器人中，輪式機器人結構簡單清晰，控制難度不高，可搭載多種傳感器實現(xiàn)多種智能控制，擴展性很強，充滿了趣味性，非常適合單片機初學者學習使用。

輪式機器人可根據(jù)控制輪子的數(shù)量分為四輪、六輪等輪式機器人，輪子數(shù)量直接關系到機器人的復雜程度，比如六輪的玉兔月球探測車相當復雜。作為學生學習的輪式機器人，力求結構簡單、容易理解，因此底盤可采用三輪結構，其中兩輪作為驅動輪和一個隨動輪作為支撐。驅動電機采用舵機控制，控制方式是脈沖寬度控制正轉、反轉與靜止，主控制板采用PCBA形式組裝好單片機、通信模塊燒錄接口等，擴展使用排針與面包板外接傳感器或擴展模塊。

輪式機器人的硬件上，除了底盤舵機的接線已經(jīng)固定外，各種類型的傳感器需要學生使用面包板，自己進行設計安裝，也可以通過擴展模塊進行傳感器的拓展。擴展內(nèi)容包括有簡單的開關信號、光電管的使用到復雜的顏色傳感器等，改變了傳統(tǒng)教學的純理論學習+實驗的模式，學生在動手調(diào)試程序與硬件的過程中，即做即得，這樣不僅加強了學生的動手能力，也大大提高了學生的學習積極性。

2.C語言代替匯編語言。傳統(tǒng)的單片機教學通常以匯編語言進行講解，使用匯編語言的優(yōu)點是結合硬件，使得學習者能徹底地掌握單片機的運行原理，打好良好的基礎。正因為匯編語言有這樣的顯著優(yōu)點，現(xiàn)在仍有不少高校以匯編語言進行單片機教學，但是匯編語言抽象難懂，要求學習者有較強的硬件基礎與邏輯思維，不少初學者在接觸單片機就遇到如此難懂的匯編語言使得他們的學習積極性大打折扣，從而影響后續(xù)的學習。

C語言是高級編程語言，是最普遍的編程語言之一，它具有良好的移植性，可以在不同平臺上實現(xiàn)移植，例如51單片機可以使用Keil C進行單片機的程序編寫，C語言的程序易讀易懂，極具結構化，在程序的編寫上比匯編語言要簡易很多。目前，絕大部分的電子工程師在使用單片機時都采用C語言編程，而且單片機廠家也提倡工程師使用C語言編程，也提供了大量的源代碼，使得開發(fā)速度大大地提高。正因為如此，不少高校開始采用C語言進行單片機教學。

由于C語言移植性非常強，即平臺的依賴性不高，使得程序員不需要十分熟悉單片機的硬件結構就能進行程序的編寫，但作為學生的單片機學習，對硬件結構的掌握是十分必要的，因此，通過輪式機器人平臺的使用，加強了對單片機結構的認識，可以彌補學生在硬件結構學習上的不足。

在輪式機器人的使用過程中，除了與匯編語言相近的I/O使用、延時、條件判斷、循環(huán)、中斷等內(nèi)容，還有C語言的函數(shù)、數(shù)組、指針等內(nèi)容，通過機器人的控制結合單片機CPU的結構特點進行學習與設計。例如：使用數(shù)組對輪式機器人的行走進行控制，在數(shù)組數(shù)據(jù)類型的選擇、數(shù)組成員的多少等，都與單片機的RAM結構有直接的關系，學生通過修改這些參數(shù)查看程序狀態(tài)來認識單片機的內(nèi)部結構。

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

3.過程考核。在傳統(tǒng)的單片機教學上基本都采用試卷考核的方式，或者采用課程設計的方式，在考核方式上比較單一、片面，也很難對學生階段性的學習進行總結評價，考核方式務必進行改革。

在輪式機器人的單片機教學中采用過程考核與期末考核相結合的方式，過程考核中以具體項目的完成情況進行考核。考核過程包括：（1）學生自評，根據(jù)設計的項目，學生對自己的表現(xiàn)做一個總結；（2）小組互評，學生以評委的角度對其他學生評分，可以使得學生培養(yǎng)團隊合作精神并且可以取長補短；（3）教師評價，教師進行總結評價，對個別表現(xiàn)突出，有創(chuàng)新性設計的同學進行點評，帶動其他同學的積極性。

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

在教學過程中采用過程考核與期末考核結合的方式，使得學生的積極性大大地提高了，無論從學生的理論和實踐上都能取得良好的效果。

四、總結

傳統(tǒng)的單片機教學模式存在不少缺點，本文使用輪式機器人與C語言作為單片機的學習平臺，采用項目式教學，考核上采取過程考核與期末考核相結合的方式對單片機課程進行改革，在進行了一年的單片機教學改革后，明顯發(fā)現(xiàn)了學生在學習積極性上得以明顯的改善，學生的創(chuàng)新能力與實踐動手能力都得以提高。實踐證明，基于機器人工程對象的單片機教學模式是單片機教學改革的一種嘗試，而且有一定的效果。

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1674-9324（2014）29-0051-02