智能小車與單片機課程融合教學模式探索

李松濤

摘要：為了切實提高學生的單片機應用能力和創新能力，對以智能小車為應用平臺的單片機教學模式進行了探索。將教學內容融入智能小車的各個功能模塊，按照整體到部分，再到整體的認知過程，首先讓學生了解智能小車的整體功能，激發學生的學習興趣和探索精神，在后續的教學中將理論教學與智能小車各個功能模塊的實現結合起來，最終整合成一個完整的應用系統。這種教學模式既豐富了教學內容，也對后續課程的開展及學科競賽的參與起到引導作用。

關鍵詞：單片機;教學模式;智能小車;課程改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）16-0133-03

單片機課程是電子類及計算機類相關專業的主干專業基礎課，具有很強的實踐性、綜合性和應用性，它強調軟、硬件技術的結合，是一門涉及電子技術、控制算法編程、傳感器技術、驅動執行機構等多門課程的綜合性應用技術課程[1-2]。

在單片機課程的教學中，通常采用這樣的教學過程：以單片機的硬件結構為主線，對單片機的內部結構、編程模型、中斷系統、定時器/計數器等理論知識進行講解[3]。知識點以模塊的形式給出，學生學習后，雖然掌握了單個模塊的相關知識，但是對具體的應用場景了解不多，無法做到學以致用[4]。課程的實驗環節大部分是驗證性實驗，實驗軟硬件環境都是固定的，學生只需要按照實驗指導書步驟完成即可，各個實驗項目相互獨立，無法將它們融合成一個整體。由于實驗條件的限制，通常無法對實驗項目進行擴展，這也限制了學生創造性的發揮[5]。

學科競賽是實踐教學和創新活動的重要載體[6-7[。在眾多的大學生學科競賽中與單片機等微控器相關的有全國大學生電子設計競賽和全國大學生智能汽車競賽。其中全國大學生智能汽車競賽是以智能汽車為研究對象的創意性科技競賽，是面向全國大學生的一種具有探索性的工程實踐活動，也是教育部倡導的科技競賽之一[8]。智能小車作為一個系統化集成的產品，以其趣味性。知識性和實用性，引起了學生的濃厚興趣，激發學生對知識的探索要求。智能小車的控制核心是單片機，為實現智能小車的功能，需要使用各類外圍模塊對單片機進行擴展，同時，智能小車初始狀態都是一些元器件和獨立模塊，需要學生根據電路圖和裝配圖進行焊接、組裝，在硬件平臺上再進行編程、調試，最終實現一個完整的系統。在單片機課程教學中引入智能小車不僅鍛煉了學生的實踐能力，也為學生提供一個學習和探索單片機應用系統，參與學科競賽的平臺。

1 智能小車基本構成與模塊

1.1 智能小車基本結構

為更好地提高教學效果，要對智能小車的硬件結構和模塊進行合理設計，以滿足課程教學的需要。智能小車采用模塊化的設計方法，采用開放式設計思路，在單片機最小系統的基礎上、添加基礎模塊和擴展模塊。智能小車采用 4 輪小車，小車由后側兩輪驅動.使用以STM32F103單片機為控制核心的主控制板，紅外避障模塊、超聲波測距模塊、電機驅動模塊和無線模塊等設計了智能小車系統，智能小車結構框圖如圖1所示。

1.2 智能小車功能模塊

1）主控制板

主控制板由控制基板和微控制器板組成。微控制器板以STM32F103單片機為核心，與外圍的晶振電路、復位電路構成了一個最小系統。最小系統以模塊的形式插接在控制基板上構成了智能小車的主控制板。

2）電源模塊

兩節鋰電池輸出電壓經7805穩壓芯片穩壓后為主控制板及外圍功能模塊供電。

3）LED與蜂鳴器

LED用于顯示電源及系統的工作狀態，與蜂鳴器結合可以實現聲光報警。為提高系統的可靠性，將LED與蜂鳴器集成到控制基板上。

4）電機驅動模塊

電機驅動模塊采用 L298N 驅動兩路直流電機，單片機GPIO引腳輸出不同占空比的PWM方波改變兩路直流電機的轉速和轉向實現小車的前進、后退、剎車、轉向以及速度控制等動作。

5）紅外避障模塊

紅外避障模塊實現對周邊障礙物的檢測，當在探測范圍時發現障礙物后，小車會根據預先設定的避障算法做出相應的響應，完成剎車、后退、轉向等動作。

6）超聲波測距模塊

超聲波測距模塊集成了超聲波發射器、接收器與控制電路，當智能小車接近障礙物時，模塊輸出電平值會發生變化，控制器接收到信號后通過控制電機使小車產生相應的動作。

7）無線模塊

智能小車使用藍牙模塊、WiFi模塊、ZigBee模塊、LoRa模塊、NB-IoT模塊實現無線數據的收發，這些模塊與主控制板之間一般是通過串口連接，只需要根據要求設置波特率和數據格式就可以實現通信。

2 智能小車模塊與單片機知識體系的對應關系

從應用的角度來看，要實現一個完整的單片機應用系統，不僅需要單片機原理方面的知識，還要具備電路分析與設計、傳感器技術、控制原理和控制策略、電路板焊接等方面的知識和技能，因此可將單片機課程的知識結構劃分為三個模塊：前導模塊、核心模塊和擴展模塊。這些模塊所需要的知識和技能在智能小車的開發過程中都有所體現。在具體的教學組織過程中，將各部分教學內容分解成一個個知識點，這些知識點與智能小車的某個模塊相對應，按照由易到難、由基礎功能到擴展功能的原則進行教學推進。模塊之間既有聯系，也具有一定的獨立性，可以根據不同專業的要求，在核心模塊的基礎上增加擴展模塊。

從知識構成的角度來講，智能小車模塊與單片機的知識點相互對應，它們之間的對應關系如表1所示。

2.1 前導課程知識

在智能小車焊接和組裝中用到的知識和技能來自于前導課程，如數字電路和模擬電路、通過該環節，可以對這些課程起到復習和鞏固的作用。

2.2 課程核心模塊

單片機核心模塊的知識點包括單片機的基本工作原理和內部結構、I/O口、定時器/計數器、串口通信、中斷等。在進行知識講解后，要通過實驗加深對知識的理解。這些實驗建立在具體小車核心模塊的基礎上。實驗的內容來自應用，也服務于應用。如使用紅外避障模塊時，要讓學生了解紅外發射及接收的實現過程、模擬信號轉換為數字信號的過程、GPIO引腳的電平變化的檢測等知識。在實驗過程中，這些知識點不再抽象，而是實實在在地可以轉化為應用的技術。

2.3 擴展模塊

為滿足學期末的課程設計及學科競賽的要求，智能小車包含了一些擴展模塊，這些模塊涉及的知識點可能并沒有在課程中講述，但學生依然可以在現有知識的基礎上，通過參閱相關資料掌握這些模塊的使用方法，設計出具有個性和創造性的功能更為強大的智能小車。

3 融合教學模式的實施效果

3.1以興趣為導向引發學習動力

以看得見的應用效果引發學生的學習興趣，在教學之初，將一臺完整的智能小車展示給學生，現場演示智能小車的各項功能，并明確告訴學生，通過本門課程的學習，每一位同學都具有獨立焊接、裝配、編寫及調試控制程序的技能。學生看到了學習的成果，從而對學習過程充滿了期待，激發了學習興趣。

以智能小車為應用平臺，硬件課程的學習不再是電路圖和抽象的代碼，而是一個觸手可及并能將自己的構思變成一個具體產品的探索過程。在知其然的基礎上探索其所以然，在團隊協作中體驗集體的力量。這對學生來講是一種從未有過的體驗，在成就感的驅使下去學習更多的知識以求自己的小車功能更為豐富完善。

在隨后的課程設計中，要求學生在智能小車前期基本功能的基礎上擴展新的功能，并對小車的性能進行優化，以智能小車的可靠性和功能作為成績評判的依據，進一步激發了學生的競爭意識和學習新知識的動力。

3.2 進一步強化了模塊化的設計思想

在系統設計中采用了自頂向下、逐步細化的模塊化設計思想。各功能模塊獨立設計，使用靈活，學生可根據項目的具體要求及自身興趣，選擇不同功能模塊搭建系統。這里的模塊化，不僅是軟件設計的模塊化，也包含硬件設計的模塊化。每一個硬件模塊實現某種特定的功能，這些模塊使用GPIO或標準的有線或無線協議與控制板連接。為實現每一個模塊的具體功能，還需要有與之相對應的軟件模塊，這種軟硬件一體化的設計方法貫穿整個系統的設計過程。而對于某一個具體的功能，都有多種不同的模塊和方案供學生選擇，通過比較各種不同實現方案的差異，進一步深化了對知識的理解。

3.3 智能小車技術的發展豐富了課程內容

由于新的技術和標準的不斷出現，每年的智能小車競賽內容和要求都在不斷發生變化，這就要求單片機課程的教學內容不能是一成不變的，在實施過程中需對教學項目進行不斷的改造、提煉、補充和完善。如在無線通信方面，除了廣泛使用的WiFi、藍牙技術外，ZigBee和LoRa在智能家居、遠程抄表等領域開始得到應用，由于應用系統采用的是模塊化的設計框架，可以根據應用的需要很容易將這些新的擴展模塊加入系統中，構建出難度更高的智能小車應用項目。

3.4 對后續課程的導入提供了契機

在單片機課程教學中，一般不涉及嵌入式操作系統，通常是對硬件直接編程。在后續課程如嵌入式系統及應用課程將會引入嵌入式操作系統，由于具備了單片機的開發經驗，可以使學生更快掌握基于RTOS的嵌入式系統開發技能，在硬件平臺不變的情況下，通過在應用程序設計中增加操作系統來提高應用系統的開發效率和可靠性。

在演示過程中，增加使用手機App控制智能小車的環節，手機App開發的知識需要在移動應用開發課程中學習。這樣，單片機課程就將其他后續相關課程串接在一起。

3.5 提高了學生參加科技競賽的積極性

通過課程學習，學生掌握了智能小車的基本結構和原理，并在實踐中可以獨立完成小車的硬件配置和軟件設計，對于學有余力的學生來講，可以對小車原有的功能進行加強和性能的優化，原來覺得高高在上的智能小車競賽不再神秘，學生參加智能小車競賽的積極性也非常高。

4 結束語

智能小車是一個具有高度模塊化的單片機應用系統，它的軟硬件結合特性使其非常適合在單片機教學中采用。在單片機課程的教學中，將一個智能小車的開發過程貫穿到教學環節中，各個模塊之間既有其獨立性，又相互關聯，在課程的最后，將這些模塊集成在一起，構成一個完整的智能小車系統。教學的過程，實現了從部分到整體，從抽象到具體、從知識到技能，從技術到產品的演變。教學的實施效果也表明，這種教學方式可以很好地激發學生學習單片機的興趣，增強學習的主動性，提高單片機技術的綜合應用能力以及科研創新意識。并對后續課程的學習、學科競賽的開展起到良好的推動作用。

參考文獻：

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【通聯編輯：王力】