基于机器人工程对象的单片机教学改革

刘志远

摘要：《单片机技术》是电子通信专业的重要课程，但学生在学习《单片机技术》课程的过程中，普遍反映学习起来很难理解、比较枯燥，从而打消了学生的学习积极性。本文针对目前单片机课程的特点与教学上存在的问题进行分析提出了以机器人工程的项目式的教学改革，提高了学生的学习积极性，在帮助学生掌握单片机技术上起到了很好的作用。

关键词：单片机教学改革；机器人；项目式教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）29-0051-02

一、引言

《单片机技术》是高等学校电子通信专业的一门重要的专业课。单片机具有结构简单、抗干扰能力强、功耗低等特点，被广泛应用于数字控制、智能传感器、遥感技术等领域，是现代科技不可缺少的关键技术。在家电、通信行业中，尤其需要单片机方面的人才，调查表明，掌握单片机技术的高等学校学生在毕业后，不管是在就业率方面还是满意度方面都是相当高的。

然而，要学习好单片机这一技术需要较好的模电与数电的基础，还需要一定的编程能力，传统的教学模式在组织内容上让学生感觉到非常难学，学生通常是一开始抱着极高的兴趣，但觉得无从入手，到后来渐渐地失去兴趣这样的恶性循环。因此，单片机课程的改革成为各个高校重点改革的课程之一。

二、单片机技术教学存在的问题

目前几乎每个工科院校都设有《单片机技术》课程，按照用传统的教学模式是：先基础后应用。从单片机硬件结构开始到汇编指令系统，接着是系统扩展与接口技术，还有的高校会增加课程设计。学生一开始接触单片机就从最抽象、最枯燥的硬件结构与汇编语言，如果学生的基础与理解能力不够的话，学习起来就会非常吃力，这也是很多学生对《单片机技术》这门课程不感兴趣的原因之一。

另外，在传统的教学中，理论教学部分远远多于实践教学，而实践部分往往也是教材规定的几个实验项目，学生照着接线输入程序就完成了，学生完成的更多是一种验证性的工作，导致学生缺少主观能动性，在学习的积极性与自主创新上大打折扣。

以上单片机课程在教学过程中存在的问题必须得以改革才能更好地让我们的学生学习和掌握单片机技术。

三、基于机器人工程对象的单片机教学改革

1.利用轮式机器人平台项目式教学。机器人的控制核心是单片机，控制对象直观，也极具趣味性，因此很适合作为单片机的学习载体。在各种机器人中，轮式机器人结构简单清晰，控制难度不高，可搭载多种传感器实现多种智能控制，扩展性很强，充满了趣味性，非常适合单片机初学者学习使用。

轮式机器人可根据控制轮子的数量分为四轮、六轮等轮式机器人，轮子数量直接关系到机器人的复杂程度，比如六轮的玉兔月球探测车相当复杂。作为学生学习的轮式机器人，力求结构简单、容易理解，因此底盘可采用三轮结构，其中两轮作为驱动轮和一个随动轮作为支撑。驱动电机采用舵机控制，控制方式是脉冲宽度控制正转、反转与静止，主控制板采用PCBA形式组装好单片机、通信模块烧录接口等，扩展使用排针与面包板外接传感器或扩展模块。

轮式机器人的硬件上，除了底盘舵机的接线已经固定外，各种类型的传感器需要学生使用面包板，自己进行设计安装，也可以通过扩展模块进行传感器的拓展。扩展内容包括有简单的开关信号、光电管的使用到复杂的颜色传感器等，改变了传统教学的纯理论学习+实验的模式，学生在动手调试程序与硬件的过程中，即做即得，这样不仅加强了学生的动手能力，也大大提高了学生的学习积极性。

2.C语言代替汇编语言。传统的单片机教学通常以汇编语言进行讲解，使用汇编语言的优点是结合硬件，使得学习者能彻底地掌握单片机的运行原理，打好良好的基础。正因为汇编语言有这样的显著优点，现在仍有不少高校以汇编语言进行单片机教学，但是汇编语言抽象难懂，要求学习者有较强的硬件基础与逻辑思维，不少初学者在接触单片机就遇到如此难懂的汇编语言使得他们的学习积极性大打折扣，从而影响后续的学习。

C语言是高级编程语言，是最普遍的编程语言之一，它具有良好的移植性，可以在不同平台上实现移植，例如51单片机可以使用Keil C进行单片机的程序编写，C语言的程序易读易懂，极具结构化，在程序的编写上比汇编语言要简易很多。目前，绝大部分的电子工程师在使用单片机时都采用C语言编程，而且单片机厂家也提倡工程师使用C语言编程，也提供了大量的源代码，使得开发速度大大地提高。正因为如此，不少高校开始采用C语言进行单片机教学。

由于C语言移植性非常强，即平台的依赖性不高，使得程序员不需要十分熟悉单片机的硬件结构就能进行程序的编写，但作为学生的单片机学习，对硬件结构的掌握是十分必要的，因此，通过轮式机器人平台的使用，加强了对单片机结构的认识，可以弥补学生在硬件结构学习上的不足。

在轮式机器人的使用过程中，除了与汇编语言相近的I/O使用、延时、条件判断、循环、中断等内容，还有C语言的函数、数组、指针等内容，通过机器人的控制结合单片机CPU的结构特点进行学习与设计。例如：使用数组对轮式机器人的行走进行控制，在数组数据类型的选择、数组成员的多少等，都与单片机的RAM结构有直接的关系，学生通过修改这些参数查看程序状态来认识单片机的内部结构。

相比汇编语言，C语言在编程效率上有明显的优势，可以快速的完成程序的编写，在教学实践中，不少学生积极发挥主观能动性，自己编写函数、修改例程、完成不同的任务，而在以往的汇编语言的教学中，只有少部分学生能完成类似的任务，由此可见单片机C语言是现代单片机教学改革的一个重要部分。

3.过程考核。在传统的单片机教学上基本都采用试卷考核的方式，或者采用课程设计的方式，在考核方式上比较单一、片面，也很难对学生阶段性的学习进行总结评价，考核方式务必进行改革。

在轮式机器人的单片机教学中采用过程考核与期末考核相结合的方式，过程考核中以具体项目的完成情况进行考核。考核过程包括：（1）学生自评，根据设计的项目，学生对自己的表现做一个总结；（2）小组互评，学生以评委的角度对其他学生评分，可以使得学生培养团队合作精神并且可以取长补短；（3）教师评价，教师进行总结评价，对个别表现突出，有创新性设计的同学进行点评，带动其他同学的积极性。

期末考核从课程中的项目选取具有代表性的任务作为考核内容，采用抽签的方式，学生抽到随机的任务后，选取相应的传感器在面包板搭建电路，编写程序，最终实现任务的要求，完成工程文件（画电路图、元件清单、程序流程图）。教师对学生考核的过程打分，实现考核。

在教学过程中采用过程考核与期末考核结合的方式，使得学生的积极性大大地提高了，无论从学生的理论和实践上都能取得良好的效果。

四、总结

传统的单片机教学模式存在不少缺点，本文使用轮式机器人与C语言作为单片机的学习平台，采用项目式教学，考核上采取过程考核与期末考核相结合的方式对单片机课程进行改革，在进行了一年的单片机教学改革后，明显发现了学生在学习积极性上得以明显的改善，学生的创新能力与实践动手能力都得以提高。实践证明，基于机器人工程对象的单片机教学模式是单片机教学改革的一种尝试，而且有一定的效果。

参考文献：

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