“电脑鼠”项目实践教学改革研究

董 莉，江沸菠

(湖南涉外经济学院 信息科学与工程学部，长沙 410205)

·创新型人才培养·

“电脑鼠”项目实践教学改革研究

董 莉，江沸菠

(湖南涉外经济学院 信息科学与工程学部，长沙 410205)

为了适应新形势下培养高素质创新性人才的需要，电子信息类专业的实践教学改革势在必行。介绍了“电脑鼠”技术的发展历史和特点，分析了将“电脑鼠”实践项目引入实践教学的基本思路，探讨了“电脑鼠”实践项目体系中三个层次的实践教学内容和改革思路。在内容上更加注重应用性和研究性，在方法上提高了趣味性和主动性，取得了较好的教学效果。

电脑鼠；实践教学改革；电子信息类专业；迷宫搜索算法

近年来，随着我国高等教育的不断发展，社会对深化本科教学改革，提高本科教学质量提出了更高的要求[1]。对于电子信息类专业，要深化教学改革就必须实现从注重知识传授向重视能力和素质培养转变，高度重视实践环节，提高学生的工程实践能力，着重培养学生的创新精神和创新能力。虽然通过几年的教学改革，电子信息类专业的课程设置和理论教学的内容与方法已趋于合理，但是实践教学环节教学形式单一、内容单调、资源缺乏，难以达到培养学生科学研究能力、工程实践能力和系统设计能力的要求。

电子信息类专业本科生的实践能力主要包括两个方面：(1)对电子电路的设计与仿真、电子产品的制作与调试等偏向硬件的实践能力。它们的理论基础来源于电子电路理论，既需要在实验室做大量的电路设计与故障检测实验，又需要了解企业生产中的电子产品制造工艺。(2)对电子产品进行系统级规划，并进行系统软件设计与调试等偏向软件的实践能力。它们的理论基础来源于系统设计理论，即利用软件对硬件芯片(ARM、FPGA、DSP等)进行更加科学和智能的控制，为设计功能更加全面、结构更加复杂的电子产品打下基础。因此，培养学生实践能力的教学改革，必须将电子信息类专业实践教学的任务与电路设计和系统设计紧密结合、融为一体，引入新的实践教学内容，扩展现有实践教学体系。

“电脑鼠”(micromouse)是使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置(微型机器人)，可以在不同“迷宫”中自动记忆和选择路径，采用相应的算法，快速地达到设定的目的地。“电脑鼠”可看作是一个集多项工程学科知识于一体的小型系统，必须考虑电子、电气、机械以及计算机各方面的问题，同时针对其所举办的“电脑鼠走迷宫竞赛”在国内外有着广泛的影响，吸引了大量电子信息类专业学子的积极参与。因此，“电脑鼠”非常适合作为一种新的实践教学项目引入到电子信息类专业的实践教学中来。本文介绍了“电脑鼠”技术的发展历史和特点，分析了将“电脑鼠”实践项目引入到实践教学中的基本思路，介绍了“电脑鼠”实践项目体系中三个层次的实践教学内容和改革思路。

1 基于“电脑鼠”项目的实践教学改革

1.1 “电脑鼠”简介

1977年，《IEEE Spectrum》杂志首次提出了“电脑鼠”的概念。同年5月，美国在纽约举办了第一场“电脑鼠”走迷宫比赛；1980年，首届欧洲“电脑鼠”比赛在英国伦敦举行；1985年8月，在日本Tsukuba举行了首场世界“电脑鼠”大赛；1986年，中国台湾举办了第一场“电脑鼠”大赛，“电脑鼠”开始受到国人的关注。自1991年以来，世界级的“电脑鼠”比赛数目显著增加，每年高达100场次以上。2007年，在上海市科学技术委员会、上海市教育委员会和上海市科学技术协会的指导下，上海市计算机学会将“电脑鼠”技术引入中国，并在上海师范大学举办了长江三角洲地区IEEE标准“电脑鼠”走迷宫邀请赛，有30多所院校参加，反响强烈。2009年7月，由中国计算机学会举办的第三届IEEE标准“电脑鼠”走迷宫邀请赛在全国7个赛区展开，多所高校组队参赛。目前，每年都有各种级别的“电脑鼠”走迷宫竞赛在全国开展[2]。

完整的“电脑鼠”系统包含机械结构、电源、传感器、驱动装置、微处理器等五个方面[3]。“电脑鼠”要在指定的迷宫中，靠正确探查周边环境、自主判断选择及敏捷动作来实现预期的功能。这对于电子信息、控制理论、人工智能的研究具有重要意义。依照比赛规则，将“电脑鼠”放入起点按下启动键后，“电脑鼠”按照设定的搜寻法则在迷宫中前进、转弯、记忆迷宫墙壁资料、计算最短路径、搜寻终点，对路径进行规划，找出最优路径，并运行到终点。

综合所述，“电脑鼠”技术有明确的设计和考核目标，能够同时培养学生的软硬件设计能力以及系统规划能力，将学生从传统的验证性实践项目中解放出来，充分调动学生在实践教学中的积极性和创造性。将“电脑鼠”引入到实践教学改革中来，有利于提升电子信息类专业本科实践教学的质量和水平。

1.2 “电脑鼠”实践教学项目的总体框架

“电脑鼠”是一种智能自主移动机器人，结合了机械、电机、电子、控制、光学、程序设计和人工智能等多方面的科技知识，具有多学科知识融合的特点，能够充分将学生课内外的学习活动有机结合，是对传统电子信息类专业实践教学的有力补充。湖南涉外经济学院自2012年以来开始关注“电脑鼠”大赛，通过创新实验的形式引导学生自发地组织兴趣小组开展“电脑鼠”技术研究，并且将“电脑鼠”项目引入到电子信息工程专业的实践教学改革中来。针对“电脑鼠”技术的特点，将整个“电脑鼠”实践教学项目分为硬件实践、软件实践和创新性实践三个部分[4]，其教学体系结构如图1所示。

图1 “电脑鼠”实践教学项目体系结构图

1.3 硬件实践部分的主要内容

硬件实践部分主要侧重对“电脑鼠”硬件部分的学习和设计，主要实验模块包括：机身架构模块、电源供电模块、直流与步进电机模块、测速电路模块、传感器检测模块和主控制器模块等六个部分。实验目的是培养学生分析电路和设计电路的能力，进而加深学生对电路分析、模拟电子线路、数字电子线路、高频电子线路等理论课程的理解，从而实现电路类课程的实践教学改革。硬件实践部分各个实验的相互关系如图2所示。

图2 硬件实践结构

1.4 软件实践部分的主要内容

软件实践部分主要侧重对“电脑鼠”软件部分的规划和设计，主要实验模块包括：驱动模块、转弯模块、方向修正模块、冲刺模块、迷宫搜索模块和主程序模块六个部分。实验目的是培养学生系统规划、嵌入式软件设计、驱动设计等相关能力，进而加深学生对单片机原理、嵌入式系统设计、EDA、微机原理与接口等理论课程的理解，从而实现嵌入式系统类课程的实践教学改革。软件实践部分各个实验的相互关系如图3所示。

1.5 创新实践部分

创新实践部分具体围绕着智能“电脑鼠”的设计和应用展开，由学生自行设计各种改进型“电脑鼠”，以电子信息类专业高年级本科生为主要对象，以课程设计、毕业设计为主要形式，着重培养学生系统设计的工程实践能力与创新能力。

图3 软件实践结构

创新实验部分在传统“电脑鼠”的结构上进行改进，要求学生在“电脑鼠”上添加各种无线通信模块(如蓝牙、Wi-Fi等)，并编写上位机智能控制中心软件，使运行中的“电脑鼠”能够与上位机的智能控制中心进行通信。“电脑鼠”在搜索迷宫的过程中，不断将迷宫信息发送给上位机，上位机通过迷宫信息重绘迷宫，并通过自主编写的智能迷宫搜索算法为“电脑鼠”选择合适的运行路径，从而提高其运行效率。创新实验部分改进的智能“电脑鼠”结构如图4所示。

图4 智能“电脑鼠”创新实验结构

迷宫搜索算法是创新实践部分的核心内容，既可以是传统的穷举式搜索算法(如左手法则、右手法则和中心法则等)，也可以是新型的启发式搜索算法(如遗传算法、粒子群优化算法、差分进化算法等)。不同的算法在不同规模的迷宫中各有优势，学生应该根据迷宫的实际情况熟练地使用不同的迷宫搜索算法。

2 “电脑鼠”实践教学项目的特点与评价

对“电脑鼠”实践教学质量的评价直接反映了实践教学改革的成功与否[5]。通过一年多的教学实践，我们体会到将“电脑鼠”技术引入电子信息类的实践教学中，可以极大地提高学生在电子线路设计、嵌入式软件编程和调试等方面的综合能力，同时也能培养学生的工程实践意识。该项目具有以下特点[6]：

1)建立了开放性、综合性的教学改革体系

“电脑鼠”实践教学项目有着深厚的理论教学背景，是电子信息类专业多门理论课程在实践教学领域的延伸。同时它也具有“全国电脑鼠走迷宫竞赛”的全国性学科竞赛背景，能够鼓励广大学生参与课外科技活动，将课堂中所学的理论知识转化实践动手能力。

2)多学科结合的综合性实践教学

“电脑鼠”实践教学项目不是一个孤立学科的实验平台，它能够将多个学科的知识综合在一起，引导学生由浅入深地完成各种综合性的实践教学。

3)多层次结合的创新型实践教学

“电脑鼠”实践教学项目集合了电路设计、软件设计和系统设计等多个层次的实验教学内容，让学生经历仿真设计、电路加工、调试、软件编程、系统测试等全过程，并设计一个属于自己的“电脑鼠”系统，培养了学生的工程设计能力。

3 结束语

本文根据学校相关专业实践教学改革的实际情况，研究了将“电脑鼠”实践教学项目应用于电子信息类专业本科生实践教学的方法。经过一年多的教学改革实践，取得了良好的教学效果。实践教学改革是“质量工程”的重要组成部分。基于“电脑鼠”的实践教学项目改革是一个长期的、需要不断探索与逐步完善的过程，在今后的教学过程中，我们将继续进行实践教学改革的研究，不断完善教学过程，提高教学效果和质量。

[1]王凤华. 电工电子实践的全面开放式教学模式[J]. 电气电子教学学报, 2006, 27(5)：78-81.

[2]周建玉. 基于粒子群算法的迷宫电脑鼠应用研究[D]. 赣州：江西理工大学, 2010.

[3]张新谊. 一种电脑鼠走迷宫的算法[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2007(5): 84-85.

[4]江沸菠, 王玲. 基于局用通信设备的实践教学研究[J]. 实验科学与技术, 2008, 9(3):96-98.

[5] 倪振文, 王俊年, 刘昆山. 电子信息类专业实践教学体系改革的研究[J]. 实验室研究与探索, 2004, 23(2): 52-55.

[6]董莉, 龙婷. 基于“电脑鼠”机器人的实践能力培养研究[J]. 湖南中学物理, 2015, 30(4)：96-98.

Reformation of Practice Teaching for Micromouse Project

DONG Li, JIANG Feibo

(Department of Information Science and Engineering, Hu’nan International Economics University, Changsha 410205, China)

The reformation of practice teaching for the majors relevant to electronic information is imperative to meet the requirements of cultivating high quality and creative talents under new circumstance. The development history and feature of the “micromouse” technology is introduced in this paper. The basic method of applying the practical project on “micromouse” to the reformation of the practice teaching is analyzed. In addition, the experimental content and interrelation of the reformation for practice teaching in three levels are introduced in the system of “micromouse” practice project. The applicability and research quality of the practice teaching contents are attached much more importance. In addition, the teaching methods become more interesting and initiative, which leads to ideal teaching effect.

micromouse; practical teaching reformation; electronic information majors; maze search algorithm

2014-06-17；修改日期: 2015-07-08

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划基金资助项目；湖南省教育厅科学研究基金资助项目(11C0 783)。

董 莉(1982-)，女，博士研究生，讲师，研究方向：信息处理，图像处理。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.047