基于机器人的硬件综合课程设计教学改革与实践

夏婷 万振武

【摘要】硬件综合课程设计是计算机、自动化等专业在主要专业课学习后一个重要的综合实践环节，如何有效地把实践动手能力的培养与基础理论知识及实际应用结合起来，是改革实践中需要急切解决的问题。本文将轮式智能机器人应用于硬件综合课程设计中，教学的效果表明，它不仅能使学生综合应用各种理论知识并转化为实践技能，而且大大激发了学生的学习兴趣。

【关键词】机器人 课程设计 实践技能

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）11-0250-01

一、硬件综合课程设计教学存在的问题

硬件综合课程设计是继数字逻辑、电子电工、计算机组成原理、C语言程序设计、汇编语言程序设计、微机原理与接口技术、单片机技术等课程教学后的一个重要的综合实践教学环节，要求每个学生都能自己动手独立设计完成一个典型的微机应用小系统，目的是综合应用这些课程的基础知识，就具体问题让学生做出软、硬件解决方案并付诸实施，以培养学生应用计算机硬件、软件进行开发的综合设计能力和解决实际问题的能力，启发创新思维。

可是经过对以往三届硬件综合课程设计的分析，此课程设计存在以下不足：传统的计算机硬件教学和实验与应用现状差距较远，学生所应用到的知识比较狭窄，偏向验证性实验，硬件综合课程设计仅仅是几个实验的组合，单调枯燥，不利于学生分析问题和解决问题能力的培养，更束缚了其思维能力和创新能力的发展，难以激发学生的学习热情。硬件综合课程设计的内容和方法必须更新和改进，使学生真正掌握实用的计算机硬、软件协同开发的知识并能熟练应用、实践，这不仅是为了符合高校转型形式下独立学院培养应用型、技术技能型人才的定位，更是为了能尽快适应新世纪计算机超微型化应用飞速发展的潮流[1]。

二、课程设计改革的实施

（一）设计并使用有趣的实验平台

不再使用封装好的实验箱，而是以轮式智能机器人为硬件综合实验平台，它能感知环境如距离、障碍、光、温度、颜色等，进而自主完成一系列的动作[2]。在课程设计中需要学生自己动手设计和组装机器人，主要模块包括：主控板、传感器和运动装置。主控板采用AVR单片机或51系列单片机；传感器主要有地面灰度、红外、蓝牙、超声波、颜色传感器等；运动装置主要用到直流电机、舵机等，进而控制车轮旋转。

（二）精选贴近实际应用的实例

从整合硬件系统知识，补充以基础硬件知识为背景的实际技术，强化学生自主设计构造的能力的角度出发[3]，设计5个实例，每个实例都需要综合应用单片机、电子电工、软件编程等知识：

1.循迹机器人。在地图上设置好起点和终点，轮式机器人根据4个QTI传感器采集到的数据自主沿着地图上的黑线行走，并原路返回。在交叉点能选择一条线路，在终点能旋转180度，在设置好的一些特殊点可旋转360度，并可调节速度，如前行时慢速行驶，返回时速度加快。

2.迷宫机器人。设置好迷宫的入口和出口，轮式机器人能在分叉口判断并选择一个方向，通过多个红外传感器实现方向判断和避障，自主从入口走到出口，整个行驶过程不碰到迷宫壁。

3.遥控机器人。通过按遥控器上的按键发出红外或蓝牙控制信号，不同的按键对应不同的编码，轮式机器人上布置的红外传感器或蓝牙传感器接收信号后，由单片机进行解码，轮式机器人根据编码采用相应的动作。

4.基于红外传感的擂台机器人。在机器人上布置若干个红外传感器，通过单片机的I/O口探测红外接收管是否接收到红外信号，从而实时搜寻对方机器人的具体方位，进而编程实现根据不同的方位采用不同的动作，同时用QTI传感器检测擂台边沿，在自己不出擂台的情况下将对方推出擂台。

5.基于超声波传感的擂台机器人。在机器人上布置若干个超声波传感器，超声波传感器收到单片机的触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，超声波传感器输出一回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定对方机器人的具体方位，进而编程实现根据不同的方位采用不同的动作，同时用QTI传感器检测擂台边沿，在自己不出擂台的情况下将对方推出擂台。

（三）与时俱进地更新开发环境

硬件综合课程设计采用数字化电路虚拟设计及功能仿真与实际电路设计相结合的方式，要求学生使用protues软件先绘制原理图并仿真运行代码，之后再把程序烧写到真正的硬件上运行。不再使用和实验箱配套的编程软件，因为这样的软件通用性不强，和现在公司里的开发环境脱节。因此，采用通用性强的Keil、progisp下载器、串口调试小助手等进行开发。用Keil编写程序，使用progisp下载器先擦除单片机中原有代码，再将新代码烧写到单片机中，使用串口调试小助手来测试QTI传感器等。并且学生可自由选择汇编语言或C语言进行软件开发。

（四）采用小組分工、协作的组织形式

模拟公司项目组的形式，教师给出多个题目，学生自主分成若干组，每组4～6人，共同完成一个题目，组之间的题目互不相同。每个组选出一位组长，负责管理和协调组员，每个组员又分配了一项具体的任务，比如硬件的组装、调试或某个软件模块的开发，每人设计并调试好后，小组成员一起进行软硬件系统联调。以小组为单位答辩、验收，先运行机器人系统，然后每个组员阐述自己的分工和完成情况，教师对每位同学问2-3个问题，当场作答。通过答辩判断实际系统与设计方案是否一致，是否实现了课题的需求功能与性能，系统设计有无特色、创新，程序思路是否合理、效率高，操作是否简单、方便等，依此给答辩分。最后每位同学均需撰写设计报告，学会规范文档的编写。

三、改革实践的效果分析

目前，我校计算机专业已有两届学生完成了此课程设计的训练，效果如下：

1.打破了传统模式，有效地培养了实践动手能力。历届学生都认为硬件课程抽象、难学，大多数同学因为畏难而放弃。通过硬件综合课程设计教学方式的改革，不再使用实验箱做硬件平台，而让学生自己动手组装零件搭成一个小设备，再在此设备上进行设计开发，使学生不仅要完成软件的编程、调试，还要完成元器件布局设计、零件组装、接线等。这样学生看得见、摸得着，而且还是自己组装的，学生表示不再觉得抽象，不仅对硬件知识能有更直观、深刻的理解，而且设计完成后更有成就感，实践动手能力真正得到提高。

2.激发了学习兴趣。很多学生不喜欢硬件课程，是因为不知道这些知识跟自己有什么关系，有什么应用。通过硬件综合课程设计教学内容的更新，使设计有直接的应用，而且有趣，比如机器人循迹、走迷宫、打擂等，学生表示这些应用激发了学习兴趣。

3.培养了团队协作能力，学生表示在课程设计中小组成员之间能互相监督、促进、帮助，体会到团队的力量。

4.本课程设计的教学成果也在各种科技竞赛中得以体现。在2012和2013中国教育机器人大赛中，我校老师带领计算机专业的学生参赛，分别获得了特等奖和一等奖的好成绩。

参考文献：

[1]刘叔军，毛丽民.基于机器人创新训练的工程实践模式研究[J].课程教育研究，2012，10.

[2]祝龙记，郑晓亮.基于机器人制作平台的大学生创新能力的培养[J].安徽理工大学学报（社会科学版），2010，（01）.

[3]吴献钢.智能机器人创新实验的实践与改革[J].实验科学与技术，2008，10.

作者简介：

夏婷（1983-），女，湖北广水人，汉族，硕士，讲师，研究方向：嵌入式系统及智能机器人。