以单片机智能机器人为载体的计算机系列课程实验教学改革探索

邓文莲，邵丽丽

(菏泽学院，山东 菏泽 274015)

0 引言

机器人是综合了机械、电子、计算机、传感器、控制技术、人工智能仿真技术等多种学科的复杂智能机械，目前已经成为世界各国的研究热点之一。机器人技术是多技术结合的产物，其生产通常对技术的要求非常高，通过有效运用自动化装备并融合了先进的制造技术，现如今的机器人技术可以说是一个国家科技实力发展的最前沿。机器人技术最早应用于工业领域，但随着机器人技术的发展和各行业需求的提升，现在已经出现了工业机器人、农业机器人、医疗康复机器人、清扫机器人、军用机器人、教育机器人、娱乐机器人和探测机器人等不同种类的机器人[1]。单片机技术在机器人控制系统的设计中起到了关键的作用，单片机技术的自动控制方面对于机器人制造时的核心驱动装置的研发有着不可或缺的作用。单片机技术能够在机器人的研发工作中很好的强化机器人的感控能力，所以对于单片机技术在机器人设计中的实际运用的研究是切合教学需求的。

1 在高校中实施计算机课程的必要性与可行性

1.1 在高校中实施计算机课程教学改革的必要性

现如今各大高校的计算机课程出现了统一化趋势，不同学校的计算机专业都有着相似的课程安排、相似的培养方案，课程内容老套，教学安排无法体现学校特色，学科创新难，学科内容与现如今最新型的科学技术脱轨，不能做到实时更新[2]。

在计算机教学过程中通过考试依旧是学生学习的最大目标，能够实现题目要求，显示出正确的结果就算是完成任务，甚至为了考试背下正确的代码以方便考试。创新能力在这种学习方式中没有分毫的体现，这也是现如今的计算机教学所存在的最大的弊病，学生独立编程的能力应远比完成考试、完成作业来的重要。

学校为本专业的学生设计的培养方案也不能很好地与企业需求进行对接，企业更加注重的是学生未来独立解决问题的能力、有自己的设计思路、有扎实的基本功，其中最为重要的就是学生用编程设计解决实际需求的能力，而这种能力就需要学生有足够的实践经验，这也是现在的学生最为缺乏的[3]。

1.2 基于单片机机器人实施计算机课程教学改革的可行性

1.2.1 理论上的可行

现如今教学过程中的弊病一一体现，课程改革势在必行，研究可行的课程改革方案也成了一线教育工作者所必须要探究与思考的问题。而改革的重点则集中实践二字上。

减少理论课时，增加实践。课程设计在没有标准答案的情况下，让学生通过自己所学的知识，通过查阅参考资料，独立完成项目。而将单片机机器人融入计算机课程设计中既可以满足没有标准答案，让学生真正独立的完成自主设计，也可以满足让课程设计不至于太过简单，从而无法激发学生在设计过程中的学习与思考，无法达到促进学生能力升级的目的[4]。一定难度的题目，也没有现成答案的参考，十分契合现如今大环境下科技未来的发展方向，也为学生未来的求职履历添上精彩的一笔，简言之，将单片机机器人融入计算机课程是十分可行的。

1.2.2 实践上的可行

单片机机器人设计技术主要组成部分：在机器人的设计过程中，需要单片机来把控整个系统，并对于不同功能的模块进行组装与衔接；在机器人的实际使用过程中，对各个单元反馈的信息做出处理，并自动生成不同的指令来调控各个单元进行相应的操作。

在实际操作中选用了AT89C51单片机作为整个机器人的控制核心，单片机单元的主要作用是负责扫描键盘输入的信号，处理传感器采集到的数据产生不同的脉冲控制电机，从而实现对机器人的控制，相关数据送至显示单元动态显示，产生实时的声光报警信号。使用红外线电传感器作为监测路况的探照单元，使用电光码盘测距，用光敏电阻判断车库位置，利用PWM技术动态控制电动机的转动方向和转速。通过计算机编写指令从而精准实现机器人的行走、后退、避让路障、精确停止等操作的完成，并将行程期间的监测数据进行逐一记录，反馈在显示屏上。在前述操作之后，找寻整体电路的最佳搭配，以达到51单片机的最优利用。

基于51单片机的机器人设计可行性已经被实践验证过是完全可行的，关于机器人的组成单元也有完整的介绍，学生在设计中的难点主要体现在编写正确的程序指令，选择正确的传感器并正确使用它们，十分熟悉自己所选的单片机的型号及其功能，最后就是将他们统一组装起来并装上动力装置[5]。在此过程中学生可以按照自己的想法，增删机器人的功能，有什么想法就大胆实践出来，这就是创新精神萌芽的第一步。

2 关于在计算机课程中单片机智能机器人的课程设计细则

要进行单片机智能机器人设计并不是能够简单上手的任务，而是要在完成单片机、模拟电路与数字电路以及计算机编程之后才能进行的一项课程设计。在此基础上，单片机智能机器人的设计可以分为三大模块：单片机运用，电路的组装，以及C51程序的编写，每一步都需要学生具有扎实的基础知识。教师在教授完成单片机课程后，可以安排同学们进行更加深入的学习。在进行整体方案设计时，让同学们在计算机上进行单片机机器人控制系统的设计，运用计算机强大的模拟计算技术，用单片机模拟软件在电脑上自行设计有关电路，学生要思考关于每个单元的功能实现，以及如何将各个单元连接起来。

完成模拟设计图之后，实际操作起来就能更加明确，接下来的工作就是解决线路的连接问题。实际的操作与理想情况下的设计一般来说都不会完全相同，学生依旧要在此阶段进行摸索，选择正确的零件以及正确的连接方式。

机器人的智能取决于命令语言的编写，这也是整个课程设计难点的集中之处。整个系统的软件设计，用C51语言编写软件程序，主要包括初始化程序、偏离轨道调整程序、偏离光源调整程序、声光指示程序子程序、读取、显示传感器状态程序、定时器中断服务程序、停车处理模块等。

单片机机器人设计需要十分扎实的单片机知识以及编程技巧，学生在完成教学任务的同时也是对自己编程技术以及单片机应用技能的一次锻炼。但学生独自完成十分有难度，教师在安排授课的时候也应该注意进行小组学习的安排，引导学生学会查阅资料，鼓励学生与教师、学生与学生进行问题的讨论。对于水平高的学生，教师可以着重引导他们进行深入创新研究，比如在完成设计的基础上探讨研究选用那种型号的单片机最符合要求，如何能实现整个电路更加低耗等。

教学实践课程的主要目的是为给学生提供一个能够发挥学习自主性、培养独立学习能力的机会，但这并不意味着教师在这个过程中就可有可无，相反教师依旧扮演着非常重要的角色。此课程设计中学生的完成难度必然很大，这就需要教师时刻给予学生专业上的指导。

在课程设计开始之前，教师应该按照自己的教学目标并结合学生的学习能力，对课程进行不同程度的解读。比如对于基础知识并不完善的学生，教师在发布设计任务的同时就为同学们解析整个机器人的结构，并对较难的地方比如将部分代码设置为已知条件，从而降低课程设计难度。面对较高水平的学生，或者教师想要提高课程设计的难度，则可以适当减少已知条件的设立。

在课程设计的过程中，学生有了阶段性的进步之后，教师应该就学生对于阶段性设计的自我总结给予评析，以便帮助学生把握设计方向，防止学生耗时耗力却无法得到令人满意的结果，从而对他们的学习积极性产生巨大的打击，这是得不偿失的。课程改革的重点就是帮助学生提高自主学习能力，提高他们的创新探索精神，而并非用有难度的课题打消学生的学习兴趣。

在课程设计的结尾，学生基本上都完成了设计，教师可以在此时听取学生们在设计过程中所发现的问题，为他们一一解答，并对学生能力进行评估。对完成度好的同学，教师可以引导他们思考能否对机器人的零件进行优化替换，又或者能否为机器人添加其他的功能，比如添加太阳能板等问题。根据不同层次的学生进行不同的教学指导，将因材施教贯彻到教学过程中，帮助学生寻找到最适合自己的学习方向。

3 结语

计算机专业的学科创新是一个持续的、不断深化的过程，对于学生的培养方案一定要向着社会的需求与科技的前沿方向发展。注重对于学生创新能力、自主学习能力、解决问题能力的培养。激发学生对于未知领域的探索欲，鼓励他们进行创新创业。在实践教学过程中不断地改进、探索和完善，真正达到实践课程的教学目的。