結(jié)合機(jī)器人項(xiàng)目的嵌入式課程教學(xué)模式探索

同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程系 浙江 嘉興 314051

0 引言

嵌入式系統(tǒng)課程作為電氣、電子、通信等專(zhuān)業(yè)的必修課程，涉及到模擬電子、數(shù)字電子、程序設(shè)計(jì)、電路理論等很多相關(guān)課程。但是該課程有自己的獨(dú)特性，它與實(shí)際應(yīng)用更為貼近，而且有更多的實(shí)踐環(huán)節(jié)。因此，如果將嵌入式課程與實(shí)踐結(jié)合，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)挖掘一些優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)入更深入的學(xué)習(xí)將變得更加重要[1-2]。

隨著技術(shù)發(fā)展，機(jī)器人受到學(xué)生的青睞，在實(shí)際學(xué)習(xí)中，將機(jī)器人項(xiàng)目與嵌入式理論課程相結(jié)合，對(duì)開(kāi)闊學(xué)生視野，提升學(xué)習(xí)動(dòng)力有非常現(xiàn)實(shí)的效果。將機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用的環(huán)節(jié)剖析為模塊，與嵌入式系統(tǒng)課程對(duì)應(yīng)，使學(xué)生在項(xiàng)目中掌握技術(shù)與知識(shí)點(diǎn)[3]。

1 當(dāng)前嵌入式課程現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)作為高年級(jí)的專(zhuān)業(yè)課，由于多學(xué)科交叉，同時(shí)又有很強(qiáng)的實(shí)踐性，因此教學(xué)中難度較大。目前，嵌入式相關(guān)課程教學(xué)還存在諸多不足。

(1)教學(xué)方式落后。嵌入式系統(tǒng)涵蓋了編程、電路、模電等各門(mén)課程，學(xué)生如果某方面知識(shí)欠缺，會(huì)導(dǎo)致嵌入式教學(xué)非常困難。而教師一般會(huì)穿插一些基礎(chǔ)理論進(jìn)行鞏固，使得學(xué)生感覺(jué)該課程知識(shí)點(diǎn)混雜，多且繁瑣，課程最終變成一門(mén)綜述性課程，無(wú)法將嵌入式的實(shí)用性體現(xiàn)出來(lái)[4]。

(2)理論過(guò)多，實(shí)踐偏少。高校教師具有高學(xué)歷和較強(qiáng)的教學(xué)及科研能力，但是實(shí)際應(yīng)用和開(kāi)發(fā)能力缺乏，而嵌入式系統(tǒng)課程應(yīng)用型較強(qiáng)，需要大量的實(shí)踐操作，特別是貼合實(shí)際應(yīng)用的例子。很多高校的嵌入式課程會(huì)從嵌入式歷史開(kāi)始，重點(diǎn)講解匯編語(yǔ)言的語(yǔ)法和應(yīng)用，甚至連C語(yǔ)言與嵌入式的結(jié)合都不涉及，這與學(xué)生的工作實(shí)際還有很大的差距。此外，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)課程均采用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)箱，連上幾根線(xiàn)后編寫(xiě)一段代碼，驗(yàn)證程序是否正確。這樣的十元無(wú)法讓學(xué)生掌握要領(lǐng)，更重要的是導(dǎo)致學(xué)習(xí)非常枯燥無(wú)味，與學(xué)生的就業(yè)需求有差距[5]。

(3)學(xué)習(xí)興趣不濃。正是由于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中存在以上的各種問(wèn)題，在課程緒論中，教師強(qiáng)調(diào)了課程的重要性和實(shí)用性，但是實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)這些匯編程序跟紅綠燈、跟機(jī)器人等實(shí)際產(chǎn)品有很大的落差，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另一方面，由于嵌入式課程具有綜合性，難度較大，導(dǎo)致部分學(xué)生望而卻步。

2 結(jié)合機(jī)器人項(xiàng)目的嵌入式課程內(nèi)容

相對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)，機(jī)器人技術(shù)涉及的知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)領(lǐng)域更加廣泛，因此需要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)大綱，提取機(jī)器人項(xiàng)目中與教學(xué)相關(guān)的內(nèi)容建立教學(xué)體系，再選取部分?jǐn)U展內(nèi)容作為優(yōu)秀學(xué)生的拔高和興趣學(xué)習(xí)。

圖1 機(jī)器人技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)知識(shí)關(guān)聯(lián)圖

機(jī)器人技術(shù)從硬件到軟件，從理論到實(shí)踐，有一套完整的理論與方法，嵌入式系統(tǒng)課程中無(wú)法面面俱到，按照嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)大綱和學(xué)習(xí)要求，從中挑選適合該門(mén)課程的內(nèi)容重點(diǎn)銜接，如圖1所示。上半部分陰影區(qū)域是屬于基礎(chǔ)模塊，要求所有學(xué)生都應(yīng)該學(xué)習(xí)和掌握，下部分屬于提高部分，對(duì)于有能力和競(jìng)賽選拔的學(xué)生進(jìn)行自學(xué)和分組學(xué)習(xí)，使不同階段的學(xué)生因材施教。首先從機(jī)器人的啟動(dòng)開(kāi)始，啟動(dòng)指示燈、數(shù)字傳感器信號(hào)指示燈等最簡(jiǎn)單的功能需要用到IO(input&output，輸入輸出口)功能；功能選擇按鍵，模式配置等按鍵可以使用輸入中斷，搭配中斷配置以及優(yōu)先級(jí)設(shè)定等基本功能進(jìn)行演示與學(xué)習(xí)。定時(shí)器和脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)屬于重難點(diǎn)，在理論講解時(shí)晦澀難懂，將其與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)合，可以極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。

3 機(jī)器人項(xiàng)目在課程中的實(shí)施

不同行業(yè)，不同類(lèi)型的機(jī)器人設(shè)計(jì)方式和外形差異很大，應(yīng)該重點(diǎn)選擇一種機(jī)器人從功能需求出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思考如何一步步實(shí)現(xiàn)所需要的功能，這不僅可以提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，而且讓學(xué)生有一種成功的自信和喜悅感。在實(shí)際教學(xué)中，本文選擇了浙江省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽中的對(duì)抗機(jī)器人作為課程改革的目標(biāo)。對(duì)抗機(jī)器人賽制由于兩兩對(duì)抗淘汰，比賽刺激，可創(chuàng)新性強(qiáng)，受到了眾多學(xué)生的青睞[4]。

(一)設(shè)計(jì)需求

但要實(shí)現(xiàn)能夠?qū)沟臋C(jī)器人，首要目標(biāo)實(shí)現(xiàn)能夠運(yùn)動(dòng)的最基本的機(jī)器人。因此，課程里初步設(shè)計(jì)需求如下：

(1)四輪機(jī)器人小車(chē)；左右兩側(cè)的前后電機(jī)接在一起，形成雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)；

(2)前置循跡傳感器采用8通道模擬傳感器；8路反射式光電傳感器通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換送到CPU；

(3)電機(jī)兩側(cè)車(chē)輪中心位置加裝2個(gè)數(shù)字激光傳感器，用于檢測(cè)十字路口檢測(cè)和轉(zhuǎn)彎；

(4)使用0.96寸OLED屏幕顯示AD轉(zhuǎn)換結(jié)果值，以及其他重要信息，方便調(diào)試和觀察；

(5)若干按鍵和LED指示燈，用于速度、方向、狀態(tài)等的設(shè)置與顯示。

(二)課程實(shí)施

如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種復(fù)雜功能，從上而下的系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)法是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。大部分的嵌入式系統(tǒng)就是通過(guò)任務(wù)劃分的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在課程教學(xué)中，需要根據(jù)教學(xué)難度和目標(biāo)平衡內(nèi)容。具體安排如表1所示。

表1 結(jié)合機(jī)器人的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)安排

整個(gè)課程設(shè)計(jì)圍繞機(jī)器人技術(shù)，因?yàn)闄C(jī)器人本身就是一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)。將抽象的嵌入式系統(tǒng)概念落實(shí)到具體的機(jī)器人系統(tǒng)中，有利于學(xué)生更好的接受和吸收知識(shí)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中避免單純的閃爍燈、顯示燈毫無(wú)關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)一步步的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出可以按照學(xué)生的想法進(jìn)行動(dòng)作的機(jī)器人，比死板的傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)更加的有趣和生動(dòng)。

在課程初期，為了加深學(xué)生對(duì)嵌入式概念的理解，以及提升學(xué)生興趣，防止學(xué)生害怕這門(mén)綜合性課程，通過(guò)年輕人喜愛(ài)的對(duì)抗類(lèi)機(jī)器人競(jìng)賽視頻抓住學(xué)生的心。傳達(dá)這門(mén)課的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出類(lèi)似的作品，實(shí)驗(yàn)證明該方法可以極大的提升學(xué)生的學(xué)期興趣。但同時(shí)注意，不宜選用過(guò)于復(fù)雜的機(jī)器人(如Robot Master)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，難度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致學(xué)生失去信心。

正式開(kāi)始后，按照興趣以及擅長(zhǎng)的知識(shí)進(jìn)行半自由分組。實(shí)行半自由的目的是為了避免所有優(yōu)秀的學(xué)生全部集中在一組，部分組別無(wú)法完成任務(wù)而放棄學(xué)習(xí)。由于該課程教學(xué)中有大量的實(shí)踐需要教師指導(dǎo)和幫助，因此課程適合小班化教學(xué)，甚至圓桌會(huì)議形式進(jìn)行，方便組內(nèi)學(xué)生討論和實(shí)驗(yàn)。

接著是任務(wù)的細(xì)化。一個(gè)完整的機(jī)器人包括眾多模塊和組件。教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行細(xì)化和組裝。先從最基本的功能開(kāi)始，從車(chē)輪、電源、底盤(pán)、核心板的組裝開(kāi)始。當(dāng)這些部分搭建后，雖然不涉及到機(jī)器人的難點(diǎn)：編程部分。但是學(xué)生已經(jīng)擁有了機(jī)器人的雛形：這對(duì)學(xué)生的興趣和后續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力起到非常重要的作用。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)這個(gè)什么也做不了的機(jī)器人非常的珍惜和保護(hù)，貼上心愛(ài)的標(biāo)簽，會(huì)取一個(gè)符合他們年齡的個(gè)性化名字，與其他組的同學(xué)放在一起對(duì)比，誰(shuí)的機(jī)器人更加的完美。

具體功能的實(shí)現(xiàn)。先從最簡(jiǎn)單的機(jī)器人指示燈開(kāi)始。告知它的主人“我正在工作，而且沒(méi)有偷懶”，這可以通過(guò)一個(gè)閃爍的LED燈來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣一步步引導(dǎo)學(xué)生如何實(shí)現(xiàn)燈的亮滅和延時(shí)。可以適當(dāng)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)順序的調(diào)整。學(xué)生最感興趣的是機(jī)器人的動(dòng)作，所以機(jī)器人能夠跑起來(lái)無(wú)疑是檢驗(yàn)一個(gè)機(jī)器人優(yōu)秀與否最重要的標(biāo)志。所以可以將定時(shí)器的內(nèi)容提前。

當(dāng)學(xué)生看到機(jī)器人在教室地上亂跑，教室的氣氛無(wú)疑是熱烈的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將機(jī)器人技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)課程相結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)解決問(wèn)題的能力，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)凝聚力。學(xué)生通過(guò)在具體項(xiàng)目的完整設(shè)計(jì)中，體驗(yàn)到設(shè)計(jì)的樂(lè)趣，同時(shí)比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱更加的生動(dòng)。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)際實(shí)施與考核結(jié)果，首先是學(xué)生的期末考試成績(jī)有稍微的提高，但是解決問(wèn)題的能力有明顯的提高，參加學(xué)科競(jìng)賽和大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的意愿更強(qiáng)烈，自信心明顯提升。