煤矿智能化与机器人工程专业培养的融合与探索——以《单片机原理与接口技术》课程为例

王苏彧，薛光辉，李庆玲

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

近年来，随着人工智能、大数据、物联网等科技的发展，越来越多的高校开设了机器人工程专业。机器人工程（Robot Engineering）是包括机械工程、电气工程、计算机科学以及其他工程和科学在内的交叉学科，涉及机器人的设计、构造、操作和使用，以及用于机器人控制、传感反馈和信息处理的计算机系统[1-2]。

中国矿业大学（北京）机器人工程专业2018年设立，2019年按机械工程大类招收第一届本科生。《单片机原理与接口技术》是机器人工程、电气工程及其自动化等专业的一门专业核心必修课，属于工程型和应用开发型课程，传统的教学过程已经无法满足实际应用、就业以及社会发展的需求。由于学校特色的不同，各高校、各专业对本课程的教学提出了不同的要求。本文结合新工科建设大力推动学科融合和跨界整合的新模式、新体系工科人才培养理念[3-4]，以《单片机原理与接口技术》课程为例，将学校煤矿特色与优势融入专业及课程中，提出该课程及其课程设计的教学改革方案，丰富教学内容，使学生能够在有限学时内最大限度地掌握单片机系统开发的能力。

1 煤矿智能化与机器人工程专业培养的融合

机器人与人工智能在我国煤炭工业转型升级方面起到重要作用。2019年初，国家煤矿安监局研究制定公布了《煤矿机器人重点研发目录》，重点研发应用掘进、采煤、运输、安控和救援5 类、38 种煤矿机器人，对每种机器人的功能提出了具体要求，以推动工业机器人、智能装备在危险工序的广泛应用[5-6]。

煤矿灾难频发、职业风险大、下井人员多、危险岗位多，研发应用煤矿机器人有利于减少井下作业人数、降低安全风险、提高生产效率、减轻矿工劳动强度，有利于解决煤矿招工难等问题，对推动煤炭开采技术革命、实现煤炭工业高质量发展、保障国家能源安全供应具有重要意义。

中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院在矿山机器人方向进行了长期深入的研究，并获得了多项科研和教学成果。借助于首批新工科项目“矿山机器人与人工智能多方协同育人模式改革与实践”，探索了具有矿业特色的机器人与人工智能新工科专业培养方案和课程体系，开设了机器人工程专业，以实践新工科形势下多方协同育人的人才培养新模式。该项目的实施将为我校乃至全国矿业机器人与人工智能新工科专业的建设提供建设性的指导意见。

2019年，学校还成立了“全国煤炭行业新工科教育创新中心”。该中心的成立，将整合中国煤炭教育协会平台和中国矿业大学（北京）人才优势，致力于探索煤炭行业新工科教育的新理念、新标准、新模式、新方法、新技术、新文化，深化校企合作，积极研究探索，努力引领行业发展，为国家建设和行业发展打造煤炭教育创新中心和人才高地。

为培养全面发展的机器人工程专业高素质人才，在理论教学方面，进行优秀课程、特色教材建设，并不断改进教学方法；在实践教学方面，从实验教学、实习教学方面不断进行改革；在创新教学方面，重点从大学生创新训练、专业学科竞赛，以及科技创新与发明方面培养学生创新意识，配合第二课堂，通过暑期社会实践、学生社团活动、参加公益活动等，加强素质培养，创立了机器人工程专业产、教、学、研四位一体的培养体系。

2 煤矿特色融入《单片机原理与接口技术》课程的教学改革方案

单片机(single chip microcomputer)，直译为单片微型计算机，它将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、输出/输入接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块大规模集成电路芯片上，组成单片微型计算机，简称单片机。《单片机原理与接口技术》课程为机器人工程专业的核心必修课，也是一门包括软硬件知识的综合型实践类课程。本文以该课程为例，从理论教学、实践教学以及创新教学三个方面，深入探讨煤矿特色融入专业课程的教学改革，并进行总结，具体方案如下。

2.1 理论教学改革

（1）从实际应用场景出发，采用倒推模式，引入知识点。

学生在学习专业课时，往往容易陷入理论与实际脱节的困境；或理论知识掌握较透彻、应用系统整体设计时想不到具体知识点；或想法较好，但理论不足。

单片机课程不仅要求掌握微型计算机的工作原理，而且要求具有一定的实践能力。搭建一个完整的单片机系统，硬件设计与软件编程缺一不可，软硬件高度配合，才能最终实现设计的功能[2]。

为此，若逆向思维，从实际应用场景出发，根据应用需求，采用倒推模式，逐步分析所需理论方法，引入知识点，可加深对理论内容的掌握程度。

（2）最大限度利用网络资源，利用有限的课堂教学时间重点解决难点问题。

结合前期的课程网络资源建设成果，将课前预习、书中例程讲解、课后习题讲解等内容视频提供给学生，使学生有丰富的资料可学习和参考。并在授课期间将实验箱下发给学生，学生参考实验箱的操作方法、单片机程序下载方法，以及部分简单验证性实验操作视频，边学边动手操作，及时有效巩固理论知识。

为此，最大限度利用网络资源，课堂的时间就可以将重点放到知识难点问题上，培养学生自主学习能力的同时，也提高了课堂效率。

（3）引入煤矿特色案例，从专业角度启发学生主动思考。

结合煤矿机器人的发展与理念，引入典型工程应用案例的讲解，使学生对单片机的应用有更广泛了解的同时，也对今后的就业起到引导过渡的作用。

综合以上思路，制定理论教学改革方案，如图1所示，合理利用网络资源，形成以预习、知识点讲解、作业及实验巩固为三角的知识体系，并在课堂教学中增加煤矿特色典型案例知识点的讲解，强化产、教、学的一体化。

图1 理论教学改革方案

以煤矿智能掘进为例，首先放映掘进工况现状及机器人化需求的短片，如图2所示。因煤矿井下环境特殊，作为机器人化智能控制的核心，单片机往往作为集控仓内的监测系统控制器，工业控制计算机通常是PLC、PCC 等。

图2 煤矿掘进装备工作状况

通过短片配合讲解，可以先让学生大胆设想掘进机器人应具备哪些功能、需要哪些技术、涉及的关键科学问题以及技术难点或障碍有哪些；其次，专门从控制角度，详细阐述单片机系统的应用，并且启发学生思考单片机如何实现设备及其动作的监控、涉及哪些接口的使用。

这一实例涉及两个知识点：①如何实现通信？接口是什么？②数据如何采集及传送？第一个知识点为串口通信。第二个知识点即为定时/计数功能。将定时采集的数据，经过处理后通过串口或者其他通信协议传输给单片机，进行监测及显示。上述两个知识点是单片机学习内容中两个重要的知识点，学生需要不断巩固理解。

可以看出，源于一线生产案例式教学，不仅激发学生的兴趣，而且可以使学生深入理解理论与实际密不可分的关系，应用需求促进理论发展，理论的学习可以更好地解决实际困难。同时，可以稳固三角知识体系结构，配合网络资源的应用，丰富课堂教学，启发学生主动思考，提高课堂教学的质量。

2.2 实践教学改革

（1）从工程实践角度整体设计各实验，逐步递进，增强单片机应用系统实战经验。

原有各实验之间基本独立，或验证基本功能，或进行跑马灯、数码管显示等常规综合性实验，虽然强化了原理性验证，巩固了知识点，但是实验的效果仅停留在观察实验现象，实践环节很难自成体系，最终对掌握单片机的系统及应用效果不佳，距离新工科应用型人才的培养标准还远远不够。

为此，应将实践教学环节发展成为自主的实践应用体系，重新对所有实验进行统一设计，强化难点、实际需求环节的实践，从易到难，最终形成一套完整的应用系统，从应用的角度实现知识储备的完整性[7-9]。

对于原有的验证类实验，仍需要配合理论教学按时完成，有效利用已经建设的网络资源，作为知识点的巩固和复习，线下同步完成实验。

（2）增强交互式环节。

可以几个学生组成一个小组，进行交互式实践训练。根据实验内容，可自主提出交互式实践方案，并进行验证，增强学生自主思考和实践的能力。

（3）增加创新性设计及验证环节。

设计足够开放的接口，学生可自主创新，设计系统的一些功能，并实验验证，增强系统的整体设计及应用能力。

综合以上思路，制定实践教学改革方案，如图3所示，以应用系统为核心，综合设计各实验，并最终完成系统的设计与验证，将理论知识完整地实践到应用场景中，形成完整的知识链路。

图3 实践教学改革方案

2.3 创新教学改革

《单片机原理与接口技术》除了理论教学、实践教学环节外，还有相应的课程设计，加之后续生产实习阶段会去专门的煤矿井下设备机械生产厂家，因此课程设计环节，可根据煤矿机器人化需求，设计单片机应用系统，对于设计成果，学生还可自己在实习环节进行检验。

大学生创新训练、毕业设计等创新教学环节，可结合教师优秀的煤矿科研项目，对地下开采装备精确定位和导航、地下复杂极端环境信息感知及稳定可靠传输、大规模复杂系统数据分析、复杂煤层自动割煤智能决策与控制等科研问题进行初步探究[10-11]；同时，还可依托机器人感知及传感技术实验室，基于轮式机器人运动平台，开展机器人运动控制的实验、学习运动控制、路径规划等内容，配有视觉、激光、IMU 等感知设备，搭载国产自主知识产权操作系统，支持机械结构、电控系统、软件平台的二次创新开发与实践[13]。此外，结合新型传感器进行智能硬件系统的设计、无线智能小车行车控制、机器人视觉图像识别等，都可加深对单片机或其他控制器的理解及应用[14-15]。

在竞赛方面，也延续专业知识架构，除继续参加原有涉足的“华北五省（市、自治区）大学生机器人大赛”“北京市大学生工程训练综合能力竞赛”等竞赛外，开始向煤矿机器人方向涉足，在“2019年世界机器人大赛—煤炭行业选拔赛”“2019年世界机器人大赛冠军赛—机器人工业设计大赛”中均取得了优异的成绩。

上述创新教学环节的逐步改革，可使学生从产、教、学过渡到研，使学生初步具备解决科研问题的能力，具有科研素养，为后续深入学习及研究奠定重要基础。

3 结语

以新工科建设为培养模式，以大力推动学科融合和跨界整合的新体系工科人才为培养理念，以煤矿机器人发展和优势为培养特色，提出了《单片机原理与接口技术》课程的教学改革方案。在理论教学中，将煤矿特色典型案例融入以预习、知识点讲解、作业及实验巩固为三角的知识体系中，并合理利用已初步建成的网络资源，强化从产到教、学的一体化；在实践教学中，以应用系统为核心，自主一体化设计各实验，培养交互创新式实践与应用能力，将理论知识完整地实践到应用场景中，形成完整的知识链路；在创新教学中，通过优秀科研项目、机器人实验室、其他创新项目、竞赛等，培养学生科研素养。

上述方案已经逐步有序实施，并初步取得了效果，为培养新体系工科人才跨出必要的一步，并为最终建立产、教、学、研四位一体化可持续发展改革体系奠定了重要基础。