煤礦智能化與機(jī)器人工程專業(yè)培養(yǎng)的融合與探索
——以《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程為例

王蘇彧，薛光輝，李慶玲

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等科技的發(fā)展，越來越多的高校開設(shè)了機(jī)器人工程專業(yè)。機(jī)器人工程（Robot Engineering）是包括機(jī)械工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及其他工程和科學(xué)在內(nèi)的交叉學(xué)科，涉及機(jī)器人的設(shè)計(jì)、構(gòu)造、操作和使用，以及用于機(jī)器人控制、傳感反饋和信息處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1-2]。

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)器人工程專業(yè)2018年設(shè)立，2019年按機(jī)械工程大類招收第一屆本科生。《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》是機(jī)器人工程、電氣工程及其自動化等專業(yè)的一門專業(yè)核心必修課，屬于工程型和應(yīng)用開發(fā)型課程，傳統(tǒng)的教學(xué)過程已經(jīng)無法滿足實(shí)際應(yīng)用、就業(yè)以及社會發(fā)展的需求。由于學(xué)校特色的不同，各高校、各專業(yè)對本課程的教學(xué)提出了不同的要求。本文結(jié)合新工科建設(shè)大力推動學(xué)科融合和跨界整合的新模式、新體系工科人才培養(yǎng)理念[3-4]，以《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程為例，將學(xué)校煤礦特色與優(yōu)勢融入專業(yè)及課程中，提出該課程及其課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革方案，豐富教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能夠在有限學(xué)時內(nèi)最大限度地掌握單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的能力。

1 煤礦智能化與機(jī)器人工程專業(yè)培養(yǎng)的融合

機(jī)器人與人工智能在我國煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級方面起到重要作用。2019年初，國家煤礦安監(jiān)局研究制定公布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》，重點(diǎn)研發(fā)應(yīng)用掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、安控和救援5 類、38 種煤礦機(jī)器人，對每種機(jī)器人的功能提出了具體要求，以推動工業(yè)機(jī)器人、智能裝備在危險(xiǎn)工序的廣泛應(yīng)用[5-6]。

煤礦災(zāi)難頻發(fā)、職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、下井人員多、危險(xiǎn)崗位多，研發(fā)應(yīng)用煤礦機(jī)器人有利于減少井下作業(yè)人數(shù)、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、提高生產(chǎn)效率、減輕礦工勞動強(qiáng)度，有利于解決煤礦招工難等問題，對推動煤炭開采技術(shù)革命、實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、保障國家能源安全供應(yīng)具有重要意義。

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院在礦山機(jī)器人方向進(jìn)行了長期深入的研究，并獲得了多項(xiàng)科研和教學(xué)成果。借助于首批新工科項(xiàng)目“礦山機(jī)器人與人工智能多方協(xié)同育人模式改革與實(shí)踐”，探索了具有礦業(yè)特色的機(jī)器人與人工智能新工科專業(yè)培養(yǎng)方案和課程體系，開設(shè)了機(jī)器人工程專業(yè)，以實(shí)踐新工科形勢下多方協(xié)同育人的人才培養(yǎng)新模式。該項(xiàng)目的實(shí)施將為我校乃至全國礦業(yè)機(jī)器人與人工智能新工科專業(yè)的建設(shè)提供建設(shè)性的指導(dǎo)意見。

2019年，學(xué)校還成立了“全國煤炭行業(yè)新工科教育創(chuàng)新中心”。該中心的成立，將整合中國煤炭教育協(xié)會平臺和中國礦業(yè)大學(xué)（北京）人才優(yōu)勢，致力于探索煤炭行業(yè)新工科教育的新理念、新標(biāo)準(zhǔn)、新模式、新方法、新技術(shù)、新文化，深化校企合作，積極研究探索，努力引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，為國家建設(shè)和行業(yè)發(fā)展打造煤炭教育創(chuàng)新中心和人才高地。

為培養(yǎng)全面發(fā)展的機(jī)器人工程專業(yè)高素質(zhì)人才，在理論教學(xué)方面，進(jìn)行優(yōu)秀課程、特色教材建設(shè)，并不斷改進(jìn)教學(xué)方法；在實(shí)踐教學(xué)方面，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)習(xí)教學(xué)方面不斷進(jìn)行改革；在創(chuàng)新教學(xué)方面，重點(diǎn)從大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、專業(yè)學(xué)科競賽，以及科技創(chuàng)新與發(fā)明方面培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，配合第二課堂，通過暑期社會實(shí)踐、學(xué)生社團(tuán)活動、參加公益活動等，加強(qiáng)素質(zhì)培養(yǎng)，創(chuàng)立了機(jī)器人工程專業(yè)產(chǎn)、教、學(xué)、研四位一體的培養(yǎng)體系。

2 煤礦特色融入《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程的教學(xué)改革方案

單片機(jī)(single chip microcomputer)，直譯為單片微型計(jì)算機(jī)，它將CPU、RAM、ROM、定時器/計(jì)數(shù)器、輸出/輸入接口電路、中斷、串行通信接口等主要計(jì)算機(jī)部件集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，組成單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程為機(jī)器人工程專業(yè)的核心必修課，也是一門包括軟硬件知識的綜合型實(shí)踐類課程。本文以該課程為例，從理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)以及創(chuàng)新教學(xué)三個方面，深入探討煤礦特色融入專業(yè)課程的教學(xué)改革，并進(jìn)行總結(jié)，具體方案如下。

2.1 理論教學(xué)改革

（1）從實(shí)際應(yīng)用場景出發(fā)，采用倒推模式，引入知識點(diǎn)。

學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課時，往往容易陷入理論與實(shí)際脫節(jié)的困境；或理論知識掌握較透徹、應(yīng)用系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)時想不到具體知識點(diǎn)；或想法較好，但理論不足。

單片機(jī)課程不僅要求掌握微型計(jì)算機(jī)的工作原理，而且要求具有一定的實(shí)踐能力。搭建一個完整的單片機(jī)系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)與軟件編程缺一不可，軟硬件高度配合，才能最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能[2]。

為此，若逆向思維，從實(shí)際應(yīng)用場景出發(fā)，根據(jù)應(yīng)用需求，采用倒推模式，逐步分析所需理論方法，引入知識點(diǎn)，可加深對理論內(nèi)容的掌握程度。

（2）最大限度利用網(wǎng)絡(luò)資源，利用有限的課堂教學(xué)時間重點(diǎn)解決難點(diǎn)問題。

結(jié)合前期的課程網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)成果，將課前預(yù)習(xí)、書中例程講解、課后習(xí)題講解等內(nèi)容視頻提供給學(xué)生，使學(xué)生有豐富的資料可學(xué)習(xí)和參考。并在授課期間將實(shí)驗(yàn)箱下發(fā)給學(xué)生，學(xué)生參考實(shí)驗(yàn)箱的操作方法、單片機(jī)程序下載方法，以及部分簡單驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)操作視頻，邊學(xué)邊動手操作，及時有效鞏固理論知識。

為此，最大限度利用網(wǎng)絡(luò)資源，課堂的時間就可以將重點(diǎn)放到知識難點(diǎn)問題上，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的同時，也提高了課堂效率。

（3）引入煤礦特色案例，從專業(yè)角度啟發(fā)學(xué)生主動思考。

結(jié)合煤礦機(jī)器人的發(fā)展與理念，引入典型工程應(yīng)用案例的講解，使學(xué)生對單片機(jī)的應(yīng)用有更廣泛了解的同時，也對今后的就業(yè)起到引導(dǎo)過渡的作用。

綜合以上思路，制定理論教學(xué)改革方案，如圖1所示，合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，形成以預(yù)習(xí)、知識點(diǎn)講解、作業(yè)及實(shí)驗(yàn)鞏固為三角的知識體系，并在課堂教學(xué)中增加煤礦特色典型案例知識點(diǎn)的講解，強(qiáng)化產(chǎn)、教、學(xué)的一體化。

圖1 理論教學(xué)改革方案

以煤礦智能掘進(jìn)為例，首先放映掘進(jìn)工況現(xiàn)狀及機(jī)器人化需求的短片，如圖2所示。因煤礦井下環(huán)境特殊，作為機(jī)器人化智能控制的核心，單片機(jī)往往作為集控倉內(nèi)的監(jiān)測系統(tǒng)控制器，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通常是PLC、PCC 等。

圖2 煤礦掘進(jìn)裝備工作狀況

通過短片配合講解，可以先讓學(xué)生大膽設(shè)想掘進(jìn)機(jī)器人應(yīng)具備哪些功能、需要哪些技術(shù)、涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題以及技術(shù)難點(diǎn)或障礙有哪些；其次，專門從控制角度，詳細(xì)闡述單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用，并且啟發(fā)學(xué)生思考單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備及其動作的監(jiān)控、涉及哪些接口的使用。

這一實(shí)例涉及兩個知識點(diǎn)：①如何實(shí)現(xiàn)通信？接口是什么？②數(shù)據(jù)如何采集及傳送？第一個知識點(diǎn)為串口通信。第二個知識點(diǎn)即為定時/計(jì)數(shù)功能。將定時采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后通過串口或者其他通信協(xié)議傳輸給單片機(jī)，進(jìn)行監(jiān)測及顯示。上述兩個知識點(diǎn)是單片機(jī)學(xué)習(xí)內(nèi)容中兩個重要的知識點(diǎn)，學(xué)生需要不斷鞏固理解。

可以看出，源于一線生產(chǎn)案例式教學(xué)，不僅激發(fā)學(xué)生的興趣，而且可以使學(xué)生深入理解理論與實(shí)際密不可分的關(guān)系，應(yīng)用需求促進(jìn)理論發(fā)展，理論的學(xué)習(xí)可以更好地解決實(shí)際困難。同時，可以穩(wěn)固三角知識體系結(jié)構(gòu)，配合網(wǎng)絡(luò)資源的應(yīng)用，豐富課堂教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生主動思考，提高課堂教學(xué)的質(zhì)量。

2.2 實(shí)踐教學(xué)改革

（1）從工程實(shí)踐角度整體設(shè)計(jì)各實(shí)驗(yàn)，逐步遞進(jìn)，增強(qiáng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。

原有各實(shí)驗(yàn)之間基本獨(dú)立，或驗(yàn)證基本功能，或進(jìn)行跑馬燈、數(shù)碼管顯示等常規(guī)綜合性實(shí)驗(yàn)，雖然強(qiáng)化了原理性驗(yàn)證，鞏固了知識點(diǎn)，但是實(shí)驗(yàn)的效果僅停留在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)踐環(huán)節(jié)很難自成體系，最終對掌握單片機(jī)的系統(tǒng)及應(yīng)用效果不佳，距離新工科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

為此，應(yīng)將實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)展成為自主的實(shí)踐應(yīng)用體系，重新對所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，強(qiáng)化難點(diǎn)、實(shí)際需求環(huán)節(jié)的實(shí)踐，從易到難，最終形成一套完整的應(yīng)用系統(tǒng)，從應(yīng)用的角度實(shí)現(xiàn)知識儲備的完整性[7-9]。

對于原有的驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)，仍需要配合理論教學(xué)按時完成，有效利用已經(jīng)建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)資源，作為知識點(diǎn)的鞏固和復(fù)習(xí)，線下同步完成實(shí)驗(yàn)。

（2）增強(qiáng)交互式環(huán)節(jié)。

可以幾個學(xué)生組成一個小組，進(jìn)行交互式實(shí)踐訓(xùn)練。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可自主提出交互式實(shí)踐方案，并進(jìn)行驗(yàn)證，增強(qiáng)學(xué)生自主思考和實(shí)踐的能力。

（3）增加創(chuàng)新性設(shè)計(jì)及驗(yàn)證環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)足夠開放的接口，學(xué)生可自主創(chuàng)新，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一些功能，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，增強(qiáng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及應(yīng)用能力。

綜合以上思路，制定實(shí)踐教學(xué)改革方案，如圖3所示，以應(yīng)用系統(tǒng)為核心，綜合設(shè)計(jì)各實(shí)驗(yàn)，并最終完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，將理論知識完整地實(shí)踐到應(yīng)用場景中，形成完整的知識鏈路。

圖3 實(shí)踐教學(xué)改革方案

2.3 創(chuàng)新教學(xué)改革

《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》除了理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)外，還有相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)，加之后續(xù)生產(chǎn)實(shí)習(xí)階段會去專門的煤礦井下設(shè)備機(jī)械生產(chǎn)廠家，因此課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可根據(jù)煤礦機(jī)器人化需求，設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，對于設(shè)計(jì)成果，學(xué)生還可自己在實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢驗(yàn)。

大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計(jì)等創(chuàng)新教學(xué)環(huán)節(jié)，可結(jié)合教師優(yōu)秀的煤礦科研項(xiàng)目，對地下開采裝備精確定位和導(dǎo)航、地下復(fù)雜極端環(huán)境信息感知及穩(wěn)定可靠傳輸、大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、復(fù)雜煤層自動割煤智能決策與控制等科研問題進(jìn)行初步探究[10-11]；同時，還可依托機(jī)器人感知及傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，基于輪式機(jī)器人運(yùn)動平臺，開展機(jī)器人運(yùn)動控制的實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)運(yùn)動控制、路徑規(guī)劃等內(nèi)容，配有視覺、激光、IMU 等感知設(shè)備，搭載國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)操作系統(tǒng)，支持機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控系統(tǒng)、軟件平臺的二次創(chuàng)新開發(fā)與實(shí)踐[13]。此外，結(jié)合新型傳感器進(jìn)行智能硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、無線智能小車行車控制、機(jī)器人視覺圖像識別等，都可加深對單片機(jī)或其他控制器的理解及應(yīng)用[14-15]。

在競賽方面，也延續(xù)專業(yè)知識架構(gòu)，除繼續(xù)參加原有涉足的“華北五省（市、自治區(qū)）大學(xué)生機(jī)器人大賽”“北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽”等競賽外，開始向煤礦機(jī)器人方向涉足，在“2019年世界機(jī)器人大賽—煤炭行業(yè)選拔賽”“2019年世界機(jī)器人大賽冠軍賽—機(jī)器人工業(yè)設(shè)計(jì)大賽”中均取得了優(yōu)異的成績。

上述創(chuàng)新教學(xué)環(huán)節(jié)的逐步改革，可使學(xué)生從產(chǎn)、教、學(xué)過渡到研，使學(xué)生初步具備解決科研問題的能力，具有科研素養(yǎng)，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)及研究奠定重要基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

以新工科建設(shè)為培養(yǎng)模式，以大力推動學(xué)科融合和跨界整合的新體系工科人才為培養(yǎng)理念，以煤礦機(jī)器人發(fā)展和優(yōu)勢為培養(yǎng)特色，提出了《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程的教學(xué)改革方案。在理論教學(xué)中，將煤礦特色典型案例融入以預(yù)習(xí)、知識點(diǎn)講解、作業(yè)及實(shí)驗(yàn)鞏固為三角的知識體系中，并合理利用已初步建成的網(wǎng)絡(luò)資源，強(qiáng)化從產(chǎn)到教、學(xué)的一體化；在實(shí)踐教學(xué)中，以應(yīng)用系統(tǒng)為核心，自主一體化設(shè)計(jì)各實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)交互創(chuàng)新式實(shí)踐與應(yīng)用能力，將理論知識完整地實(shí)踐到應(yīng)用場景中，形成完整的知識鏈路；在創(chuàng)新教學(xué)中，通過優(yōu)秀科研項(xiàng)目、機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室、其他創(chuàng)新項(xiàng)目、競賽等，培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)。

上述方案已經(jīng)逐步有序?qū)嵤⒊醪饺〉昧诵Ч瑸榕囵B(yǎng)新體系工科人才跨出必要的一步，并為最終建立產(chǎn)、教、學(xué)、研四位一體化可持續(xù)發(fā)展改革體系奠定了重要基礎(chǔ)。