结合机器人项目的嵌入式课程教学模式探索

同济大学浙江学院 机械与汽车工程系 浙江 嘉兴 314051

0 引言

嵌入式系统课程作为电气、电子、通信等专业的必修课程，涉及到模拟电子、数字电子、程序设计、电路理论等很多相关课程。但是该课程有自己的独特性，它与实际应用更为贴近，而且有更多的实践环节。因此，如果将嵌入式课程与实践结合，以提高学生的学习兴趣，同时挖掘一些优秀学生进入更深入的学习将变得更加重要[1-2]。

随着技术发展，机器人受到学生的青睐，在实际学习中，将机器人项目与嵌入式理论课程相结合，对开阔学生视野，提升学习动力有非常现实的效果。将机器人设计与应用的环节剖析为模块，与嵌入式系统课程对应，使学生在项目中掌握技术与知识点[3]。

1 当前嵌入式课程现状

嵌入式系统作为高年级的专业课，由于多学科交叉，同时又有很强的实践性，因此教学中难度较大。目前，嵌入式相关课程教学还存在诸多不足。

(1)教学方式落后。嵌入式系统涵盖了编程、电路、模电等各门课程，学生如果某方面知识欠缺，会导致嵌入式教学非常困难。而教师一般会穿插一些基础理论进行巩固，使得学生感觉该课程知识点混杂，多且繁琐，课程最终变成一门综述性课程，无法将嵌入式的实用性体现出来[4]。

(2)理论过多，实践偏少。高校教师具有高学历和较强的教学及科研能力，但是实际应用和开发能力缺乏，而嵌入式系统课程应用型较强，需要大量的实践操作，特别是贴合实际应用的例子。很多高校的嵌入式课程会从嵌入式历史开始，重点讲解汇编语言的语法和应用，甚至连C语言与嵌入式的结合都不涉及，这与学生的工作实际还有很大的差距。此外，学校的实验课程均采用简单的实验箱，连上几根线后编写一段代码，验证程序是否正确。这样的十元无法让学生掌握要领，更重要的是导致学习非常枯燥无味，与学生的就业需求有差距[5]。

(3)学习兴趣不浓。正是由于嵌入式系统教学中存在以上的各种问题，在课程绪论中，教师强调了课程的重要性和实用性，但是实际教学中，学生发现这些汇编程序跟红绿灯、跟机器人等实际产品有很大的落差，无法激发学生的学习兴趣。另一方面，由于嵌入式课程具有综合性，难度较大，导致部分学生望而却步。

2 结合机器人项目的嵌入式课程内容

相对于嵌入式系统的教学，机器人技术涉及的知识点和技术领域更加广泛，因此需要根据嵌入式系统的教学大纲，提取机器人项目中与教学相关的内容建立教学体系，再选取部分扩展内容作为优秀学生的拔高和兴趣学习。

图1 机器人技术与嵌入式系统知识关联图

机器人技术从硬件到软件，从理论到实践，有一套完整的理论与方法，嵌入式系统课程中无法面面俱到，按照嵌入式系统的教学大纲和学习要求，从中挑选适合该门课程的内容重点衔接，如图1所示。上半部分阴影区域是属于基础模块，要求所有学生都应该学习和掌握，下部分属于提高部分，对于有能力和竞赛选拔的学生进行自学和分组学习，使不同阶段的学生因材施教。首先从机器人的启动开始，启动指示灯、数字传感器信号指示灯等最简单的功能需要用到IO(input&output，输入输出口)功能；功能选择按键，模式配置等按键可以使用输入中断，搭配中断配置以及优先级设定等基本功能进行演示与学习。定时器和脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)在嵌入式系统教学属于重难点，在理论讲解时晦涩难懂，将其与机器人驱动结合，可以极大提高学生学习兴趣和动手能力。

3 机器人项目在课程中的实施

不同行业，不同类型的机器人设计方式和外形差异很大，应该重点选择一种机器人从功能需求出发，引导学生思考如何一步步实现所需要的功能，这不仅可以提高学生解决问题的能力，而且让学生有一种成功的自信和喜悦感。在实际教学中，本文选择了浙江省大学生机器人竞赛中的对抗机器人作为课程改革的目标。对抗机器人赛制由于两两对抗淘汰，比赛刺激，可创新性强，受到了众多学生的青睐[4]。

(一)设计需求

但要实现能够对抗的机器人，首要目标实现能够运动的最基本的机器人。因此，课程里初步设计需求如下：

(1)四轮机器人小车；左右两侧的前后电机接在一起，形成双电机驱动结构；

(2)前置循迹传感器采用8通道模拟传感器；8路反射式光电传感器通过模拟数字转换送到CPU；

(3)电机两侧车轮中心位置加装2个数字激光传感器，用于检测十字路口检测和转弯；

(4)使用0.96寸OLED屏幕显示AD转换结果值，以及其他重要信息，方便调试和观察；

(5)若干按键和LED指示灯，用于速度、方向、状态等的设置与显示。

(二)课程实施

如何实现机器人的各种复杂功能，从上而下的系统模块设计法是一个不错的选择。大部分的嵌入式系统就是通过任务划分的方式进行设计，最终形成一个完整的系统。在课程教学中，需要根据教学难度和目标平衡内容。具体安排如表1所示。

表1 结合机器人的嵌入式系统教学安排

整个课程设计围绕机器人技术，因为机器人本身就是一个复杂的嵌入式系统。将抽象的嵌入式系统概念落实到具体的机器人系统中，有利于学生更好的接受和吸收知识，同时在实验中避免单纯的闪烁灯、显示灯毫无关联的实验项目，通过一步步的学习与实验，最终设计出可以按照学生的想法进行动作的机器人，比死板的传统的实验箱实验更加的有趣和生动。

在课程初期，为了加深学生对嵌入式概念的理解，以及提升学生兴趣，防止学生害怕这门综合性课程，通过年轻人喜爱的对抗类机器人竞赛视频抓住学生的心。传达这门课的目标是设计出类似的作品，实验证明该方法可以极大的提升学生的学期兴趣。但同时注意，不宜选用过于复杂的机器人(如Robot Master)作为设计目标，难度过大会导致学生失去信心。

正式开始后，按照兴趣以及擅长的知识进行半自由分组。实行半自由的目的是为了避免所有优秀的学生全部集中在一组，部分组别无法完成任务而放弃学习。由于该课程教学中有大量的实践需要教师指导和帮助，因此课程适合小班化教学，甚至圆桌会议形式进行，方便组内学生讨论和实验。

接着是任务的细化。一个完整的机器人包括众多模块和组件。教师应该引导学生进行细化和组装。先从最基本的功能开始，从车轮、电源、底盘、核心板的组装开始。当这些部分搭建后，虽然不涉及到机器人的难点：编程部分。但是学生已经拥有了机器人的雏形：这对学生的兴趣和后续学习的动力起到非常重要的作用。在实际教学中发现，学生对这个什么也做不了的机器人非常的珍惜和保护，贴上心爱的标签，会取一个符合他们年龄的个性化名字，与其他组的同学放在一起对比，谁的机器人更加的完美。

具体功能的实现。先从最简单的机器人指示灯开始。告知它的主人“我正在工作，而且没有偷懒”，这可以通过一个闪烁的LED灯来实现，这样一步步引导学生如何实现灯的亮灭和延时。可以适当进行知识点顺序的调整。学生最感兴趣的是机器人的动作，所以机器人能够跑起来无疑是检验一个机器人优秀与否最重要的标志。所以可以将定时器的内容提前。

当学生看到机器人在教室地上乱跑，教室的气氛无疑是热烈的。

4 结语

通过将机器人技术与嵌入式系统课程相结合，有利于培养学生主动解决问题的能力，有利于提高学生的学习兴趣，有利于增强学生的团队凝聚力。学生通过在具体项目的完整设计中，体验到设计的乐趣，同时比传统的实验箱更加的生动。通过该项目的实际实施与考核结果，首先是学生的期末考试成绩有稍微的提高，但是解决问题的能力有明显的提高，参加学科竞赛和大学生创新项目的意愿更强烈，自信心明显提升。