韩 媞，周国顺，图 雅，鞠尔男
（大连东软信息学院电子工程系，辽宁大连116023）
摘要：针对智能科学与技术专业学生特点，分析当前教学存在的问题。结合程序设计语言和单片机等理论知识，提出基于单片机的模块化机器人平台实践项目，从项目的完成目标、硬件平台选择、教学内容安排、教学组织形式和项目考核形式介绍项目的完成过程。
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关键词 ：单片机；项目实践；机器人
基金项目：2012年度辽宁省普通高等学校本科工程人才培养模式改革试点专业一电子信息工程(G2201249)。
第一作者简介：韩媞，女，讲师，研究方向为智能信息处理，hanti@neusoft．edu．cn。
0 引言
智能科学与技术作为一门新兴前沿的学科，在国际和国内均获得飞速发展，在人才培养方面，近年来各高校都做了大量工作。我们秉承“教育创造学生价值”的办学理念，围绕智能信息处理系统开发和智能控制系统开发的专业核心应用能力做好课程的系统规划与建设，形成培养智能信息系统和控制系统开发能力同时培养电子电路设计能力的专业特色。以课程建设为基础，以设计为中心，以项目为导引，系统构建实践知识体系和实践能力培养体系，全面培养学生的综合素质。
学生综合实践能力的培养离不开实践类课程的开设，通过实践课程的开设，使学生能够综合运用理论知识，掌握智能系统行业前沿的技术与能力，在就业市场上处于较有利的位置。基于单片机的智能系统项目实践是以强化技能训练、提高工程能力为目标，依托单片机模块机器人平台支撑的实践类课程，培养学生具备智能系统硬件到软件的设计能力和开发能力。
1 教学现状分析
传统高校理论课程偏多，实践课程偏少，甚至没有，仅仅在理论课中设置部分实验课，远远不能满足培养学生实践能力的需求。智能科学与技术专业的传统的课程设置存在以下几方面的问题：①课程内容多，但学时少，公式多，应用少，缺乏实践性，因此，学生在课后不能很好地掌握理论内容，也不知道如何去寻找合适的实践项目，缺乏主观能动性；②课程内容陈旧，教学资料没有及时更新，难以满足现阶段学生的思维的活跃程度，使学生产生厌倦情绪；③课程之间缺乏关联性，课程的连续性和衔接性不好，教学资料难于整合；④课程考核方式陈旧，不能体现学生的学习能力的区分。在这种情况下，需要整合现有理论课程，合理设置实践项目类的课程，实现专业能力的人才培养目标。
2 项目培养目标
由于智能科学与技术专业是较新的本科专业，学生对该专业的特点、研究方向、就业方向认识不足，大学一年级和二年级的课程大多是基础课，内容不深入，容易导致学生对专业前景认识不清楚，降低学习兴趣，引发厌学情绪，因此需要安排具有智能专业特色的实践类课程，让学生得到理论和实践知识的综合运用。通过基于单片机的智能系统项目的实施，使学生不但熟练地掌握所学的理论知识，而且能够将所学的知识熟练地应用于单片机系统设计等实际的工程当中，来提高学生动手能力和知识应用能力，同时通过项目文档的撰写培养学生的技术文档写作能力。
本项目是针对智能科学与技术专业的二年级全体学生开设的技能实习。本实践学期将学生之前所学的数字电路、模拟电路、电路分析、微控制器原理与应用等课程的知识，与实际工程结合起来，通过项目实践强化一个单片机系统项目的软硬件开发过程，了解单片机系统项目开发的流程，为专业课学习打下一个坚实的基础。使学生不但熟练地掌握所学的理论知识，而且能够将所学的知识熟练地应用于单片机系统设计等实际的工程当中，进而提高其实际动手能力和应用知识解决问题的能力。
3 硬件平台选择
实践教学的开展是一个系统工程，需要具备理论知识和工程实践能力的双师型人才的教师队伍；购置合适的实验设备，需要投入大量的实验室建设经费。大规模地开展智能专业的实践教学活动，单靠课堂上的仿真软件和编程软件难以达到预期效果，因此硬件平台的选择是教学关键的一步[3-4]。首先要结构紧凑，结实耐用，最好同时具有图形化和代码编程的程序设计界面。其次要配有大容量的充电电池，能USB连接电脑进行自动充电。最后，要选择价格合理、扩展性强、服务方便、信誉好的产品，并且教学资源要丰富。
本实践项目采用的是博创科技出品的“创意之星”模块化机器人套件，可以配置多种传感器、执行器，进行小型机器人的搭建。核心控制器是MultiFLEX rM 2-AVR控制器，它是一款小型机器人通用控制器，集成开关量传感器、模拟量传感器、R\C舵机、机器人总线舵机控制接口，具有RS422总线接口和RS232接口，具有丰富的扩展能力。具体特点如下：
(1)控制接口丰富。可以控制R/C舵机、机器人总线舵机，直流电机伺服驱动器等。
(2)数据接口丰富。12路双向IO接口，8路10位精度的AD接口；RS-422总线、RS-232接口。
(3)多种开发环境。配套NorthSTAR图形化集成开发环境，无需编写C语言即可完成机器人控制程序编写。此外，也支持AVRStudio、Eclipse等IDE开发环境。
(4)接口开放彻底。MultiFLEX TM 2-AVR开放所有底层源码，用户可以参照这些源码开发自己的程序，也可以调用已封装的函数接口。
4 教学内容安排
在本项目实践中，学生在教师的指导下，按照项目开发的基本流程，完成系统的需求分析，硬件设计，项目编码、调试。在项目结束后学生需要完成整个项目的总结报告，在总结报告中需要对项目设计的概况、项目涉及的关键技术、项目的系统分析、项目的系统设计和实现等进行说明。最后，以小组为单位制作整个实践学期项目设计的简要介绍PPT，进行答辩。并利用课外时间，完成资料查找、部分的系统设计和代码编写工作。
本项目最终完成用机械足行走的四足机器人。与传统的轮式机器人比较起来，足式机器人在外形上更接近于生物，具有适应各种地形的可能性，并在此过程中掌握机器人步态控制和单片机编程的知识。课内学时的安排以学生实践为主，教师讲授为辅的方式。课内教学内容安排详见表1。
在项目完成过程中，学生可以在完成规定的四足机器人的基础上，利用博创的机器人模块，根据自己的喜好及掌握程度自主选择完成其他的机器人项目，如蛇形机器人等。这样大大加强了学生的学习自主性，增加了学生的兴趣。
5 教学组织形式
项目以小组的形式完成。由于机械四足机器人具有人性化特征，需要学生通过编程来赋予它丰富的智慧和功能，使它接近仿生学的机器人。首先在项目选题和需要分析阶段，利用课堂提出问题的方式引导学生，加强学生参与性，使用启发式和探究式的教学方法，给学生自主选题的空间，进行需求分析和项目设计，并在之后的实现阶段不断完善。然后，在组装机器人阶段，以小组为单位分工合作，统筹安排，发挥每位学生的主观能动性来实现分工协作，培养学生的自主学习能力。最后，在机器人功能设计编程阶段，采用任务驱动式的教学方法，按照自己设定的目标，完成每阶段的任务，并发挥想象力和创造力，教师需要鼓励新的构思和创意。在整体的项目教学中，以学生为主体，教师为引导，共同完成实践项目。
6 项目考核形式
项目教学效果的验证要依靠项目考核来实现，所以项目考核形式的多样化非常重要。项目考核采用了多种考核相结合的方式，改变传统的“一卷定终身”的形式，考核贯穿在教学过程的各个环节，从学生的出勤、日常表现、项目过程、项目报告、作品完成情况及完成质量等方面对学生进行全方位的考核，具体包括两部分内容。
项目的过程考核包括系统设计是否合理、步态仿真情况、代码编写是否正确、电路板运行是否正常、机器人行驶是否正确等，每一部分考核都有详细的具体要求及方法，因此使评分体系具备科学性、公平性、合理性、严谨性。
项目的终结考核包括项目报告、项目答辩。答辩过程包括自述、现场操作、教师提问、解答几个环节，通过答辩，教师可以直观评价学生对相关理论的掌握程度，综合评价学生的实际应用能力及应变能力，对设计不完善的地方给予指导建议，给学生提供创新的空间。在答辩过程中设置了答辩试题库，学生在答辩试题库中采用抽签软件进行随机抽选试题，教师根据项目的几个进行阶段进行题目设置，题目根据不同阶段的特点，对问题进行差异化设置。并且与相关理论课科目结合，也同时巩固了理论知识。题目的设置要兼顾基础题目、中等题目及创新题目3个方面。
项目的过程考核和终结考核相结合的方式能够全面考核学生的日常学习情况及动手实践能力，激发学生持久的学习兴趣。
7 结语
在智能科学与技术专业中开设的基于单片机的智能系统项目教学，依托现有的机器人平台，结合数字电路、单片机及程序设计类课程的知识，达到培养学生应用实践能力的目的。教学中，学生真正成为主体，发挥了学生在学习中的主观能动性，激发了学生的学习热情，发挥了学生的创新意识和能力，提高了学生对具体工程问题的分析和解决能力，符合现代高等教学培养学生综合能力的要求。
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参考文献：
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[2]黄冬梅，探析面向实践项目的“单片机原理及应用”课程设计改革[J]，当代教育实践与教学研究，2015(2)：151-152.
[3]严绍华．工程教育实践教学改革与发展[M].北京：清华大学出版社，2012: 180-181．
[4] The Lego Mindstorms Nxt[EB/OL].[2015-07-Ol].http://mindstorms.lego.com.
（编辑：赵廓）