论文部分内容阅读
摘要：针对高职院校电子信息专业《单片机应用技术》课程教学存在的问题，本文提出了引入机器人为载体的相关课程教学。结合专业特色、教学时数和高职教育的特点，就机器人教学平台选择和实施过程进行了探讨。
关键词：高职；单片机应用技术；机器人教学
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2013）04-0132-02
近年来，大多数职业院校都走上了基于工作过程的项目教学道路，课程教学注意与企业岗位相联系。在教学实施过程中，学生的自主空间增加，在任务驱动下，学生的学习积极性也增强了。然而，这些任务多是以验证性实验为主，学生照着实验指导书上的内容开展实验，完成效果良好，但是创新能力未能完全发挥。因此，课程的开展仍需要进一步研究。
引入机器人教学有助于《单片机应用技术》课程的开展，并能培养学生的创新意识。机器人技术涉及的面很广，是跨多个学科的综合性技术，涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多个学科。近年来，我国的机器人技术教育有了很大的发展，机器人课程逐步引入某些高校的综合性实践课程，能否有效地开展机器人教学，已经成为直接影响学生综合能力培养和综合素质提高的重要因素。
在高职院校电子信息专业开设如“机器人学”、“机器人概论”等理论性强的课程则没有必要，这违背了高职教育的目的。所以，不能仿效本科院校以及传统专科院校的经验，应该从高职教育的特点出发，将机器人教育与相关专业课程相结合，借助品牌生产厂商专门开发的机器人成品、套装或散件，布置与课程相关的、具有创新性的任务，让学生自己动手组装和调试电路并完成任务，以激发学生学习兴趣，培养学生的综合能力。
单片机教学存在的问题
传统的单片机教学，以单片机的结构为主线，先讲单片机的硬件结构，然后讲指令、软件编程，接着是单片机系统的扩展和各种外围器件的应用，最后再讲一些实例。这种先理论后实践，教与做分离的教学模式，使高职学生普遍感到难以吸收。如某些教师，在学生学完了《单片机原理和应用》课程的理论内容，且进行了相应的教学实验之后，专门安排1～2周时间让学生运用本课程所学知识，及先前学过的电子技术知识，结合所学专业设计出单片机对机电设备的某一部分控制的硬件电路和软件程序，在实验室进行电路的连接与调试。高职学生很难接受纯理论教学，理论课效果不理想，安排的教学实验难以很好地结合理论知识，更谈不上让学生运用课程知识完成任务。
某些院校购买相关的单片机实验模块供学生实验，学生实验结束觉得自己学会了单片机操作，但这还远远不够。运用实验模块的确可以快捷方便地进行操作，但最大的缺点是不能进行硬件设计，单片机硬件和软件不可分，所以，运用该类实验模块还是有一定缺陷的。
单片机教学改革
（一）实训平台的选取
如今许多企业针对高校相关课程研发了各类机器人，如深圳欧鹏科技有限公司的智能小车（如图1所示）。它结构简单，配置合理，包括C51 AVR教学板、两个连续旋转的舵机、开放的实验面包板。以教学板为核心，舵机的控制可作为其中一个简单任务让学生完成，实验面包板则是学生完成更复杂功能电路搭建任务的平台。
在第一次课上就要向学生说明，课程的内容围绕小车的控制任务来展开。可以预先编制一些简单的程序进行演示，让小车实现直走、后退、左转、右转等功能。这样很直观，必然能引起学生极大的兴趣，激发学生学习单片机的积极性。其目的则是让学生树立学好单片机的自信心。
（二）课程的开展
现在许多企业对学生的系统方案解决能力要求越来越高，要求他们能够迅速地拿出硬件初步方案，并用尽可能短的时间构建出一个软件原型。同时，由于系统硬件价格的降低，对软件的要求也从节省内存、高效向可读性强、结构好转变。现在社会上的单片机系统普遍采用了基于C51高级语言的软件系统。因为C51高级语言具有程序结构清晰、可读性好、易于维护的优点，一条C语言相当于几条汇编指令，完成同样功能程序的行数也大大缩小，更便于复杂算法的实现和调试。这也要求我们在课程及实验中要对学生进行相应的训练。
因此，可选取以下几项实训任务进行教学活动。
实训一：系统认识 向学生讲解智能小车核心板的结构（如图2所示）。学生能够了解核心板上有单片机、电源电路、程序下载口、复位电路、单片机的I/O端口接口电路和可供扩展的面板包及其相应的使用就足够了。还要让学生认识单片机基本系统的硬件设备，熟悉C51仿真软件的使用。在实训难度安排上，力求做到由浅入深，循序渐进。布置LED灯单灯闪烁任务，让学生动手在面包板上搭建LED灯电路，并提供示例程序，指导学生使用集成开发环境、编写程序、仿真调试、观察输出。通过这个实训，学生可以对整个系统有初步的认识，对编程语言有初步的了解，为今后的系统设计及编程打下好的基础。
实训二：单片机输出接口与机器人巡航控制 该实训目的是要求学生理解和掌握用单片机输出接口控制伺服电机方向、速度和运行时间的相关原理和编程技术，达到控制机器人运动的目的。可分成几个小任务来进行，通过分任务一“单灯闪烁控制”使学生懂得编写延时程序控制LED灯闪烁的频率。然后，讲解伺服电机的控制原理与改变LED灯闪烁频率的相似性，从而通过分任务二“机器人伺服电机的控制信号”引导学生自主思考如何让机器人的两个轮子全速、减速运转，最终实现机器人前进、后退、左转、右转和原地旋转的动作。这样，学生对输出接口就有了总体认识。
实训三：单片机输入接口与机器人触觉导航 通过该实训，使学生了解任何一个自动化系统（不仅仅是机器人），都是通过传感器获取外界信息的，再通过接口传入单片机，由单片机根据反馈信息进行计算和决策，生成控制命令，然后通过输出接口去控制系统相应的执行机构，完成系统所需任务。学生自主搭建“触须电路”，使机器人有触觉导航功能。最终学生就掌握了单片机输入接口的作用及其编程技术。 实训四：单片机输入/输出接口与红外线导航 该实训与前三个实训内容相关，主要是让学生了解红外传感器的基本使用方法。首先，给学生讲解该实训是在前面掌握了单片机输入/输出接口的基础上进行的，并让学生了解智能机器人要更多地接收外界的各类信息，传感器的使用必不可少，而红外传感器就是这类器件的典型。可让学生通过完成IR发射及探测器电路的搭建，并编写简单程序，最终实现机器人无线避障功能，也为下一个实训打下基础。
实训五：机器人的距离检测 距离检测通常由声呐完成。然而，还有另一种方法：可采用上一与实训中相同的红外传感器电路。这一实训的任务是要求学生实现使机器人检测到前方物体的距离，跟随物体行走而不会碰上它。该项目涉及的内容还包括定时/计数器的运用。先让学生了解定时器的基本使用方法，再进一步利用单片机中的定时器和红外探测器测试扫描频率。学生对基本使用方法了解以后，就该提出更高的要求。最后，要求学生完成尾随小车的功能。
实训六：机器人中UART的应用 在这一实训中，学生要完成单片机串口与计算机串口的连接，在机器人运行的同时向上位机传送运行数据的任务。主要涉及单片机串行口的硬件电路连接和串行口驱动程序编写，以及单片机中断系统的应用。
实训七：机器人综合任务 本实训要求学生完成智能机器人搬运任务。该任务的要求是，学生随机抽取搬运任务，充分利用智能小车的实验面包板搭建硬件资源，利用所学的汇编及C51程序知识，自行设计一个搬运方案，在一个规定的画有黑线轨道的白色背景图上完成搬运任务。该实训可以通过分组比赛的形式进行，以最准确无误地把所有物块推到目标位置为依据，给每个小组打分，作为学生期末成绩的一部分。
以上七个综合性实训，并不是以语言或者指令系统、硬件结构的学习为中心，而是以任务为中心，学生在完成任务的同时学习，在学习中巩固知识。七个实训达到了既重视基本技巧训练，又给学生提供自由发展的机会。紧凑的实训内容迫使学生在课下花费更多的时间来学习和研究，从而达到对系统的熟练掌握和学会程序编写，语言系统的掌握也就水到渠成了。
（三）考核方式
考试是教学评价的一个重要手段，但不能把考试当作目的。采用科学合理的考试形式来准确地评价学生是教学改革的基础。应通过考试检查教学效果、教学目标实现的程度，以便于改进教学工作，提高教学质量，鞭策学生积极努力地学习。因此，考核可采用以下形式：实践考试和理论考试相结合；实践考试采用五级制，理论考试采用百分制，只有同时满足实践考试达到及格和理论考试达到60分，本课程才能获得学分。这样做，可以引导学生强化实践动手能力。实践考试就是学生平时进行的七个实训的完成情况。理论考试难度不宜太大，实训任务涉及的程序包含在内即可。
通过以上教学改革，我们期望能达到以下目标：（1）适应不同层次学生的需要；（2）提高实训效率；（3）创新性、启发性实验内容增大，激发学生的学习兴趣；（4）基本达到社会对单片机培训人才的需要。
参考文献：
[1]林丽君，等.《单片机技术应用》课程“教、学、做”一体化探讨[J].科技信息，2010（31）.
[2]罗庚合，贡雪梅.“单片机原理及应用”课程设计探讨[J].西安航空技术高等专科学校学报，2004（1）.
[3]张宏彬.高职院校开展智能机器人教学的探索[J].职业教育研究，2009（1）.
[4]王建鹏，刘云潺.高职院校智能机器人教学的探索[J].科教文汇，2009（11）.
作者简介：
林嘉（1981—），男，广东云浮人，硕士，珠海城市职业技术学院讲师，研究方向为嵌入式系统开发。
关键词：高职；单片机应用技术；机器人教学
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2013）04-0132-02
近年来，大多数职业院校都走上了基于工作过程的项目教学道路，课程教学注意与企业岗位相联系。在教学实施过程中，学生的自主空间增加，在任务驱动下，学生的学习积极性也增强了。然而，这些任务多是以验证性实验为主，学生照着实验指导书上的内容开展实验，完成效果良好，但是创新能力未能完全发挥。因此，课程的开展仍需要进一步研究。
引入机器人教学有助于《单片机应用技术》课程的开展，并能培养学生的创新意识。机器人技术涉及的面很广，是跨多个学科的综合性技术，涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多个学科。近年来，我国的机器人技术教育有了很大的发展，机器人课程逐步引入某些高校的综合性实践课程，能否有效地开展机器人教学，已经成为直接影响学生综合能力培养和综合素质提高的重要因素。
在高职院校电子信息专业开设如“机器人学”、“机器人概论”等理论性强的课程则没有必要，这违背了高职教育的目的。所以，不能仿效本科院校以及传统专科院校的经验，应该从高职教育的特点出发，将机器人教育与相关专业课程相结合，借助品牌生产厂商专门开发的机器人成品、套装或散件，布置与课程相关的、具有创新性的任务，让学生自己动手组装和调试电路并完成任务，以激发学生学习兴趣，培养学生的综合能力。
单片机教学存在的问题
传统的单片机教学，以单片机的结构为主线，先讲单片机的硬件结构，然后讲指令、软件编程，接着是单片机系统的扩展和各种外围器件的应用，最后再讲一些实例。这种先理论后实践，教与做分离的教学模式，使高职学生普遍感到难以吸收。如某些教师，在学生学完了《单片机原理和应用》课程的理论内容，且进行了相应的教学实验之后，专门安排1～2周时间让学生运用本课程所学知识，及先前学过的电子技术知识，结合所学专业设计出单片机对机电设备的某一部分控制的硬件电路和软件程序，在实验室进行电路的连接与调试。高职学生很难接受纯理论教学，理论课效果不理想，安排的教学实验难以很好地结合理论知识，更谈不上让学生运用课程知识完成任务。
某些院校购买相关的单片机实验模块供学生实验，学生实验结束觉得自己学会了单片机操作，但这还远远不够。运用实验模块的确可以快捷方便地进行操作，但最大的缺点是不能进行硬件设计，单片机硬件和软件不可分，所以，运用该类实验模块还是有一定缺陷的。
单片机教学改革
（一）实训平台的选取
如今许多企业针对高校相关课程研发了各类机器人，如深圳欧鹏科技有限公司的智能小车（如图1所示）。它结构简单，配置合理，包括C51 AVR教学板、两个连续旋转的舵机、开放的实验面包板。以教学板为核心，舵机的控制可作为其中一个简单任务让学生完成，实验面包板则是学生完成更复杂功能电路搭建任务的平台。
在第一次课上就要向学生说明，课程的内容围绕小车的控制任务来展开。可以预先编制一些简单的程序进行演示，让小车实现直走、后退、左转、右转等功能。这样很直观，必然能引起学生极大的兴趣，激发学生学习单片机的积极性。其目的则是让学生树立学好单片机的自信心。
（二）课程的开展
现在许多企业对学生的系统方案解决能力要求越来越高，要求他们能够迅速地拿出硬件初步方案，并用尽可能短的时间构建出一个软件原型。同时，由于系统硬件价格的降低，对软件的要求也从节省内存、高效向可读性强、结构好转变。现在社会上的单片机系统普遍采用了基于C51高级语言的软件系统。因为C51高级语言具有程序结构清晰、可读性好、易于维护的优点，一条C语言相当于几条汇编指令，完成同样功能程序的行数也大大缩小，更便于复杂算法的实现和调试。这也要求我们在课程及实验中要对学生进行相应的训练。
因此，可选取以下几项实训任务进行教学活动。
实训一：系统认识 向学生讲解智能小车核心板的结构（如图2所示）。学生能够了解核心板上有单片机、电源电路、程序下载口、复位电路、单片机的I/O端口接口电路和可供扩展的面板包及其相应的使用就足够了。还要让学生认识单片机基本系统的硬件设备，熟悉C51仿真软件的使用。在实训难度安排上，力求做到由浅入深，循序渐进。布置LED灯单灯闪烁任务，让学生动手在面包板上搭建LED灯电路，并提供示例程序，指导学生使用集成开发环境、编写程序、仿真调试、观察输出。通过这个实训，学生可以对整个系统有初步的认识，对编程语言有初步的了解，为今后的系统设计及编程打下好的基础。
实训二：单片机输出接口与机器人巡航控制 该实训目的是要求学生理解和掌握用单片机输出接口控制伺服电机方向、速度和运行时间的相关原理和编程技术，达到控制机器人运动的目的。可分成几个小任务来进行，通过分任务一“单灯闪烁控制”使学生懂得编写延时程序控制LED灯闪烁的频率。然后，讲解伺服电机的控制原理与改变LED灯闪烁频率的相似性，从而通过分任务二“机器人伺服电机的控制信号”引导学生自主思考如何让机器人的两个轮子全速、减速运转，最终实现机器人前进、后退、左转、右转和原地旋转的动作。这样，学生对输出接口就有了总体认识。
实训三：单片机输入接口与机器人触觉导航 通过该实训，使学生了解任何一个自动化系统（不仅仅是机器人），都是通过传感器获取外界信息的，再通过接口传入单片机，由单片机根据反馈信息进行计算和决策，生成控制命令，然后通过输出接口去控制系统相应的执行机构，完成系统所需任务。学生自主搭建“触须电路”，使机器人有触觉导航功能。最终学生就掌握了单片机输入接口的作用及其编程技术。 实训四：单片机输入/输出接口与红外线导航 该实训与前三个实训内容相关，主要是让学生了解红外传感器的基本使用方法。首先，给学生讲解该实训是在前面掌握了单片机输入/输出接口的基础上进行的，并让学生了解智能机器人要更多地接收外界的各类信息，传感器的使用必不可少，而红外传感器就是这类器件的典型。可让学生通过完成IR发射及探测器电路的搭建，并编写简单程序，最终实现机器人无线避障功能，也为下一个实训打下基础。
实训五：机器人的距离检测 距离检测通常由声呐完成。然而，还有另一种方法：可采用上一与实训中相同的红外传感器电路。这一实训的任务是要求学生实现使机器人检测到前方物体的距离，跟随物体行走而不会碰上它。该项目涉及的内容还包括定时/计数器的运用。先让学生了解定时器的基本使用方法，再进一步利用单片机中的定时器和红外探测器测试扫描频率。学生对基本使用方法了解以后，就该提出更高的要求。最后，要求学生完成尾随小车的功能。
实训六：机器人中UART的应用 在这一实训中，学生要完成单片机串口与计算机串口的连接，在机器人运行的同时向上位机传送运行数据的任务。主要涉及单片机串行口的硬件电路连接和串行口驱动程序编写，以及单片机中断系统的应用。
实训七：机器人综合任务 本实训要求学生完成智能机器人搬运任务。该任务的要求是，学生随机抽取搬运任务，充分利用智能小车的实验面包板搭建硬件资源，利用所学的汇编及C51程序知识，自行设计一个搬运方案，在一个规定的画有黑线轨道的白色背景图上完成搬运任务。该实训可以通过分组比赛的形式进行，以最准确无误地把所有物块推到目标位置为依据，给每个小组打分，作为学生期末成绩的一部分。
以上七个综合性实训，并不是以语言或者指令系统、硬件结构的学习为中心，而是以任务为中心，学生在完成任务的同时学习，在学习中巩固知识。七个实训达到了既重视基本技巧训练，又给学生提供自由发展的机会。紧凑的实训内容迫使学生在课下花费更多的时间来学习和研究，从而达到对系统的熟练掌握和学会程序编写，语言系统的掌握也就水到渠成了。
（三）考核方式
考试是教学评价的一个重要手段，但不能把考试当作目的。采用科学合理的考试形式来准确地评价学生是教学改革的基础。应通过考试检查教学效果、教学目标实现的程度，以便于改进教学工作，提高教学质量，鞭策学生积极努力地学习。因此，考核可采用以下形式：实践考试和理论考试相结合；实践考试采用五级制，理论考试采用百分制，只有同时满足实践考试达到及格和理论考试达到60分，本课程才能获得学分。这样做，可以引导学生强化实践动手能力。实践考试就是学生平时进行的七个实训的完成情况。理论考试难度不宜太大，实训任务涉及的程序包含在内即可。
通过以上教学改革，我们期望能达到以下目标：（1）适应不同层次学生的需要；（2）提高实训效率；（3）创新性、启发性实验内容增大，激发学生的学习兴趣；（4）基本达到社会对单片机培训人才的需要。
参考文献：
[1]林丽君，等.《单片机技术应用》课程“教、学、做”一体化探讨[J].科技信息，2010（31）.
[2]罗庚合，贡雪梅.“单片机原理及应用”课程设计探讨[J].西安航空技术高等专科学校学报，2004（1）.
[3]张宏彬.高职院校开展智能机器人教学的探索[J].职业教育研究，2009（1）.
[4]王建鹏，刘云潺.高职院校智能机器人教学的探索[J].科教文汇，2009（11）.
作者简介：
林嘉（1981—），男，广东云浮人，硕士，珠海城市职业技术学院讲师，研究方向为嵌入式系统开发。