機器人項目驅動的城市軌道交通專業教學創新

婁 智

（安徽交通職業技術學院 城市軌道交通與信息工程系，合肥 230051）

一、引言

進入21世紀以來，隨著國家經濟的飛速發展和城市化進程的加快，城市軌道交通進入大發展時期。前瞻產業研究院發布的《2015-2020年中國城市軌道交通行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告前瞻》研究顯示：2013年，我國城市軌道交通運營里程為2408公里，同比增長17.01%。城軌交通運營線路條數為81條，比上年增加了12條。城市軌道交通的高速發展對軌道交通專業學生的水平和素質也提出了更高的要求。《C語言程序設計》和《單片機原理與應用》課程是城市軌道交通專業群中非常重要的專業核心基礎課程，對其教學內容、教學方法的改進，已經成為軌道交通專業人才培養中普遍關注和重點研究的課題。

二、現狀和存在的問題

（一）課程的教學課時偏少

教學課時偏少主要體現在兩個方面：一是目前我國高職院校的學制一般是2+1或2.5+0.5年，學生在校時間較短，每門課不可能安排過多課時；二是高職院校學生的學習基礎相對較差，導致他們接受知識較慢，每堂課講授的內容不可能太多。正因如此，導致了在實際教學中理論課時和實踐課時的不足，教師只能傳授一些最基礎的知識，沒有時間和精力去提高學生應用知識解決實際問題的工程實踐能力。

（二）學生的學習積極性不足

有些學生認為學習《C語言程序設計》和《單片機原理與應用》既抽象又枯燥，不如學習其它一些課程生動直觀；有的學生是因為學習這些課程需要較強的抽象思維和邏輯思維能力，還需具備一定的數理、英語基礎，因而在學習的過程中顯得力不從心，不能掌握正確的學習方法和思維方式，從而對學習這兩門課程產生了一種畏懼心理。

（三）實踐教學環節不能滿足教學的要求

城市軌道交通專業群本身就是技術應用專業，而且高職院校是以提高工程實踐能力為主的職業教育。然而，現今高職院校所用的相關課程的教材，存在的普遍問題就是實踐性教學內容嚴重不足，課程中的實踐性教學多是驗證性的實驗，而具有實用性、創新性和職業性的基于工作過程的實訓項目較少。

（四）教學方法落后、考核方式單一

高職課程一般采用的教學方法是教師課上講授加學生實驗的形式，教師在理論課上常常采用“填鴨式”教學，學生很少有機會發揮自身的主觀能動性；實驗時學生也僅僅是對書本上現有的一些實例進行驗證調試，一旦調試成功就完成任務。這種教學方法根本不能讓學生掌握如何從一個實際問題入手分析問題、解決問題。另外，單一的筆試考核方式也使教師和學生忽視了實踐課的教學環節，從而導致現今的課程教學不能滿足高職教育發展的需求。

三、課程教學創新實踐的目的、意義和措施

第一，改革原有的理論和驗證性試驗相結合的教學體系，構建創新式、相互有機聯系、基于實際工程項目開發的教學體系。

第二，激發學生學習《C語言程序設計》和《單片機原理與應用》的興趣和積極性，充分調動起學生的主觀能動性。

第三，提高城市軌道交通專業群及相關專業學生分析問題、解決問題的能力，并且加強了他們在工程實踐中的應用能力。

第四，形成一套完整的，便于學生理解和掌握，基于機器人項目驅動的《C語言程序設計》和《單片機原理與應用》講義，并運用于實際的教學。

通過將單片機的知識和C語言程序設計的知識融入到機器人項目中，讓學生通過親自設計、焊接、調試和組裝項目系統中的典型模塊，最后完成系統控制，全面掌握工程系統的建模、分析、設計和調試等方法，使學生體會到該課程在工程系統中的作用和地位，激發他們的學習興趣，提高他們學習的主觀能動性。另外，針對《C語言程序設計》和《單片機原理與應用》講義中涉及到的每個機器人項目設計制作相應的微課視頻，加強學生的直觀認識，促進知識內容的理解。從而解決了《C語言程序設計》和《單片機原理與應用》這兩門專業核心基礎課程抽象、難學的老大難問題。

四、課程教學創新實踐的內容

第一部分：基于機器人項目驅動的《C語言程序設計》教學實踐

項目1：利用機器人實現直線運動

該項目包含的C語言程序設計內容有：簡單的C語言程序；程序、算法；數據類型；常量與變量、控制字符；輸出語句；順序程序結構。

項目2：實現智能機器人的曲線運動

該項目包含的C語言程序設計內容有：循環控制語句；while循環；do……while循環；break語句與 continue語句。

項目3：機器人的變速運動

該項目包含的C語言程序設計內容有：for語句循環；goto語句；嵌套循環；算術運算符與算術表達式；強制類型運算符；自增自減運算符；賦值運算符與賦值表達式；復合的賦值運算符。

項目4：機器人觸覺導航

該項目包含的C語言程序設計內容有：選擇語句if；關系運算符與關系表達式；邏輯運算符與邏輯表達式。

項目5：機器人循跡導航（跟蹤條紋帶）

該項目包含的C語言程序設計內容有：if…else分支語句；if語句嵌套；條件運算符；switch多分支選擇語句。

項目6：基于I/O接口控制的機器人紅外線導航

該項目包含的C語言程序設計內容有：while語句與if……else……語句綜合應用。

項目7：C語言函數與機器人尾隨小車

該項目包含的C語言程序設計內容有：數組；數組的定義、初始化、引用；二維數組的定義、引用、初始化；字符數組。

項目8：C語言函數與機器人運動狀態

該項目包含的C語言程序設計內容有：函數定義；有參函數；函數的調用；參數的傳遞；形參與實參；函數的嵌套調用；遞歸；變量的存儲方式；全局變量與局部變量；帶參數的宏定義。

項目9：機器人與上位機的無線通訊

該項目包含的C語言程序設計內容有：地址和指針；指針變量及運算；數組指針；指針與函數；字符指針；指針與字符串。[1]

第二部分：基于機器人項目驅動的《單片機原理與應用》教學實踐

項目1：認識機器人與單片機

該項目包含的C51單片機內容有：單片機定義以及內部結構；單片機電路符號以及封裝圖；單片機的框架組成及各部分功能；單片機簡單控制原理；單片機的使用；單片機的類型及特點；單片機的應用領域。

項目2：機器人開發編程環境的建立

該項目包含的C51單片機內容有：Keilu Vision2 IDE集成開發環境的建立；SLISP軟件下載工具的安裝；串口調試軟件的安裝；簡單的單片機C語言的調試與下載。

項目3：機器人的安裝

該項目包含的C51單片機內容有：機器人的初步安裝；51單片機芯片的安裝；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。

項目4：機器人基本的巡航控制

該項目包含的C51單片機內容有：C51單片機的I/O接口介紹；單片機系統的設計；單片機控制發光二極管；單片機的軟件初始化以及控制命令；單片機控制伺服電機；延時程序控制電機時序；單片機輸出接口控制伺服電機。

項目5：單片機的輸入接口與機器人的觸覺導航

該項目包含的C51單片機內容有：單片機的輸入接口；單片機控制觸覺傳感器原理及實物連接；單片機端口值的獲取。

項目6：單片機I/O接口與機器人紅外避障

該項目包含的C51單片機內容有：單片機輸入輸出接口控制紅外線的發射與接收；單片機發送脈沖；高性能的IR檢測

項目7：基于IR LED探測電路的智能機器人測距

該項目包含的C51單片機內容有：測距傳感器的分類；頻率掃描與區域探測；定時/計數器的應用及編程實現；TCON和TMOD特殊功能寄存器；定時器工作模式；C51單片機中斷服務函數的概念和使用；中斷使能寄存器；定時器時間調整。

項目8：機器人的串口通信（UART的應用）

該項目包含的C51單片機內容有：單片機串口通信；串口結構

串口控制寄存器SCON；串口的工作模式；波特率；RS232電平與TTL電平轉換；存儲器結構。

項目9：LCD應用編程及機器人的集成技術

該項目包含的C51單片機內容有：字符型點陣式LCD模塊；LCD的引腳說明；LCD引腳與AT89S52單片機連接方式；LCD控制器接口、狀態字；LCD內部RAM地址設置指令碼。[2]

五、課程教學創新實踐的成果

（一）提高了學生的工程實踐和編程能力

大大提高了學生的工程實踐和編程能力，明確了課程知識間的有機聯系性。通過教學創新，使學生把《C語言程序設計》和《單片機原理與應用》課程學習與實際工程項目的開發相結合，更好的體現了理論聯系實際，激發了學生學習專業的興趣和積極性。

（二）更新了教師的教學理念

通過基于機器人項目驅動的城市軌道交通專業群課程教學創新實踐，使教師深深體會到課程知識間的有機聯系性和老師技術的全面性是提高教學質量的關鍵一環。

（三）教材建設的成果

提交了一套《基于機器人項目驅動的C語言程序設計》講義和《基于機器人項目驅動的單片機原理與應用》講義，該教材在城市軌道交通專業群的課程教學過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

基于機器人項目驅動的城市軌道交通專業群課程教學創新經過一年的運行，取得了很好的教學效果。學生在參加的各項比賽中共有37人次獲得各項名次，其中還有一位同學在“國信藍點杯”全國軟件專業人才設計與開發大賽全國總決賽中獲得一等獎。此次創新提高了學生對于課程的理解，幫助學生掌握了工程系統的建模、分析、設計和調試等方法，有效提升了學生的能力水平。

[1]Brian W.Kernighan,Dennis M.Ritchie.C程序設計語言[M].北京:機械工業出版社，2004.

[2]李林功.單片機原理與應用(第2版)[M].北京:機械工業出版社，2014.