項目驅(qū)動模式下的基于C語言和單片機(jī)的工程實踐教改設(shè)計

梁銳，余波

（成都師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院，成都 611130）

0 引言

《C語言程序設(shè)計》作為電子專業(yè)的一本專業(yè)必修課，不僅是學(xué)生接觸計算機(jī)程序設(shè)計的入門課程，還是后續(xù)課程如《單片機(jī)原理》、《可編程邏輯器件》及《可編程控制器PLC》等課程的前期先導(dǎo)課程，是電子專業(yè)進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和實踐教學(xué)的重要工具，在整個電子專業(yè)人才培養(yǎng)計劃中占有舉足輕重的地位。電子工程實踐系列課程是在學(xué)生鞏固已學(xué)知識的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展知識范圍，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，并且能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。目前在電子工程綜合實踐課程設(shè)計上仍然采用傳統(tǒng)的教師為主體的教學(xué)方法，實踐內(nèi)容由幾個有一定內(nèi)在聯(lián)系但又相對獨立的實踐單元組成，每次上課時，教師介紹本次課時的實踐目的，介紹實踐內(nèi)容，解析實驗原理，學(xué)生動手操作。其模式和每門課程中的實踐環(huán)節(jié)非常類似，很容易讓學(xué)生有疲憊感。

項目式教學(xué)法是指教師確定一個明確的目標(biāo)，學(xué)生需要在特定的時間、預(yù)算或資源限定內(nèi)依據(jù)規(guī)范完成[1]。在教學(xué)過程中，教師不再是教學(xué)活動的主體，教師的職能由“教學(xué)”向“導(dǎo)學(xué)”轉(zhuǎn)變，教師需要按照項目工作流程對相關(guān)知識技能進(jìn)行重組，將項目細(xì)分為多個連貫性的任務(wù)，學(xué)生在完成單個任務(wù)后獲得的成就感與未實現(xiàn)的遺憾感可以有效地維持學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。教師將在教學(xué)過程中對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)、協(xié)助學(xué)生完成任務(wù)，并對任務(wù)的完成情況進(jìn)行評價。學(xué)生主動參與和分析任務(wù)、自主探索、自主學(xué)習(xí)，并自發(fā)組成學(xué)習(xí)小組，通過小組協(xié)作解決問題，完成任務(wù)。這充分體現(xiàn)了學(xué)生在課堂中的主體地位，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探索力、創(chuàng)新力和協(xié)作能力，促進(jìn)學(xué)生的個性化發(fā)展[1-5]。

1 課程定位

立足學(xué)校應(yīng)用型地方普通本科院校的定位及專業(yè)人才培養(yǎng)方案，實用性與創(chuàng)新型人才是我們的培養(yǎng)目標(biāo)。《C語言程序設(shè)計》、《單片機(jī)原理及應(yīng)用》、《可編程邏輯器件》及《可編程控制器PLC》等課程雖然在課程教學(xué)中都單獨設(shè)有實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，但是無一不存在實踐課時相對較少的困局。理論理解了，但是動手操作還存在困難；當(dāng)時學(xué)會了，過后又忘了，再學(xué)另外一門課程的時候知識儲備上缺少連續(xù)性。另外也有一個問題是課程實踐環(huán)節(jié)新鮮感不夠，在現(xiàn)在這個信息大爆炸的新型大學(xué)生面前，缺乏吸引力，學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動力不足。

智能小車是近年非常流行的一種移動機(jī)器人，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，在軍用、民用以及科學(xué)研究等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用前景。智能小車比賽也逐漸成為各大比賽不可或缺的環(huán)節(jié)之一。智能小車以單片機(jī)作為主體控制模塊，通過采用不同的傳感器模塊感知環(huán)境，通過預(yù)先編好的程序?qū)Σ煌闆r下達(dá)不同的執(zhí)行指令，進(jìn)而獲得達(dá)到行進(jìn)、避障、搬運(yùn)等多種效果。智能小車項目趣味性好，實戰(zhàn)性強(qiáng)，能夠吸引學(xué)生的注意力，并且可以輔以競技項目的刺激與挑戰(zhàn)，可以極大地提高學(xué)習(xí)的趣味性，促進(jìn)學(xué)習(xí)效果的提高[5]。

本次電子工程綜合實踐將側(cè)重C語言編程及單片機(jī)技術(shù)方面，以智能小車的編程控制為核心，涵蓋智能小車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，單片機(jī)控制，程序設(shè)計與優(yōu)化等重點學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過項目導(dǎo)向的學(xué)習(xí)，切實提高學(xué)生的動手能力。

2 課程設(shè)計

2.1 教學(xué)目標(biāo)

本次實踐教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)為以下幾點：

（1）進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握C語言、電路、單片機(jī)、傳感器等相關(guān)課程的基本知識；

（2）掌握C語言編程的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；

（3）學(xué)會解決智能小車結(jié)構(gòu)設(shè)計、搭建及調(diào)試過程中遇到的實際問題；

（4）培養(yǎng)初步的項目設(shè)計能力和創(chuàng)新意識，為今后的學(xué)習(xí)和從事相關(guān)行業(yè)的研究、系統(tǒng)設(shè)計、項目建設(shè)及系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)打下良好的基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)內(nèi)容

本實踐課程實行小組式學(xué)習(xí)和項目導(dǎo)向性設(shè)計，3人一組，共同完成實踐項目。項目名稱為智能小車運(yùn)動控制與觸覺導(dǎo)航，實踐類型為綜合性的專業(yè)實驗。

教學(xué)內(nèi)容包括智能小車基本運(yùn)動功能和觸覺導(dǎo)航功能實現(xiàn)，以及對相應(yīng)功能的拓展。

項目基本要求包括以下兩點：①小車行進(jìn)，即接通電源之后，小車可以進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速/減速等基本巡航動作；②小車的觸覺導(dǎo)航，即在行進(jìn)過程在遇到障礙物時，可以自動轉(zhuǎn)彎，進(jìn)行躲避。

項目基本要求是學(xué)生必須實現(xiàn)的小車功能，另外鼓勵學(xué)生在實現(xiàn)基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展。例如小車行進(jìn)過程中，可以通過編程控制讓小車實現(xiàn)循線和定點停車的功能；可以增加顯示屏，顯示運(yùn)行中小車的速度；可以在行進(jìn)過程中進(jìn)行音樂播放或者語音播放；可以增加藍(lán)牙模塊，用手機(jī)操控小車的行進(jìn)軌跡，等等。

選取智能小車作為實踐教學(xué)的載體的原因之一就是智能小車項目的深度與廣度可以具有比較大的自由度。

2.3 教學(xué)評價

本實踐課程最終以考查的方法獲得學(xué)生成績，最終成績包含平時成績和結(jié)課考查成績。

（1）平時成績根據(jù)平時出勤和隨堂表現(xiàn)給出。

（2）結(jié)課考查成績包括兩部分：①在實踐課程結(jié)束時，以小組為單位進(jìn)行智能小車的成品展示，按照基本功能的完成度和拓展功能的實現(xiàn)度給分；②以小組為單位提交設(shè)計報告，闡述設(shè)計原理，介紹設(shè)計結(jié)果。

3 教學(xué)效果

在教學(xué)過程中學(xué)生的熱情比較高漲，課堂氣氛非常熱烈，主動學(xué)習(xí)意識比較高，但是也暴露一些缺點，在教學(xué)過程中做出了相應(yīng)的對策。

（1）部分學(xué)生對模塊的功能與模塊間的相互鏈接了解不夠深入。根據(jù)項目要求，學(xué)生需要完成智能小車的組裝，除了智能小車車體與單片機(jī)模塊外，還至少需要電機(jī)驅(qū)動模塊和超聲波傳感器模塊/紅外傳感器模塊，才能實現(xiàn)小車的行走和避障功能。在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生在第二節(jié)課的時候以及完成小車組裝，開始進(jìn)入軟件部分。在詢問中發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生對單片機(jī)端口，模塊功能的了解不夠深入，在小車組裝部分花費時間較久。

（2）學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力有待提高。在項目完成過程中，團(tuán)隊中個成員應(yīng)互相協(xié)作，共同完成作品，不能只依賴于某個學(xué)生。這就需要在過程中加強(qiáng)教學(xué)過程與評價的管理，每堂課都預(yù)先了解該組的進(jìn)展并記錄，作為平時成績的一部分。在C語言編程部分，要求每個學(xué)生都參與到編程環(huán)節(jié)。

（3）有基礎(chǔ)較好、完成度較高的小組，基礎(chǔ)的行進(jìn)功能與避障功能可以提前完成。在后續(xù)的教學(xué)過程中，會根據(jù)實際小車的功能模塊，提出更高的要求，如循線、定點停車、走迷宮等機(jī)器人比賽項目，真正做到學(xué)以致用、以學(xué)促賽。

4 結(jié)語

智能是未來科技的發(fā)展趨勢，將智能小車項目應(yīng)用于實踐教學(xué)中不但能將前期學(xué)過的C語言程序設(shè)計、單片機(jī)原理、傳感器技術(shù)等知識很好地融合在一起，還能讓學(xué)習(xí)更有趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在項目要求的驅(qū)動下，從科學(xué)性和實用性入手，在任務(wù)完成過程中學(xué)生通過自發(fā)學(xué)習(xí)實現(xiàn)了對相關(guān)知識和技能的掌握，真正實現(xiàn)“教-學(xué)-做”三位一體。