郭亮 刘敏豪 朱样敏
(1.南昌航空大学信息工程学院 江西南昌 330031;2.深圳前海英飞扬科技发展有限公司 广东深圳 518000)
目前，我国高等工程教育虽然规模巨大，但仍然存在很多不足，主要体现在综合知识能力、工程实践能力以及技术创新能力的不足，现有的教育模式不能够满足专业建设的发展需求[1]。
通过研究发现，单片机课程“教赛创”教学模式展现出了其优越性，通过该类教学模式，能够提高学生对课堂知识的学习兴趣，让学生学有所用、学以致用。目前，高校各类学科竞赛和课堂教学、产业发展、创新设计未能实现有效融合[2]。该文立足工程教育认证背景，以江西省智能机器人大赛为契机，建立一种“教赛创”融合的新的单片机课程教学模式，实现工科人才培养体系与学科竞赛无缝链接，极大地提高了工科人才工程实践创新能力，同时也促进了合作公司产业发展进程。
1.1 理论与实践联系不够
单片机课程是自动化专业的核心课程，尽管单片机教学至关重要[3]，但许多教师在实际教学的过程中却不能对教学方式进行改进和优化，没有将课堂学到的理论知识和实践联系起来，应用专业知识解决工程领域的复杂问题，导致学生不能全面得到培养和锻炼，学生的创新意识和创新能力没有得到进一步激发[4]。
1.2 缺乏专业的实训项目
目前教学中，很多学校过分依赖仿真软件Keil 和Proteus，虽然这种做法可以解决教学资源不足的问题，保证学生能够得到充分训练，但离开了具体的实践和应用就无法对课程知识实现真正的消化和吸收，也就无法理解单片机系统的真正研发和应用过程[5]。况且软件仿真和实际电路有一定差距，比如：在数码管动态扫描中延时环节仿真时总看到数码管在闪烁，而实际调试并不会出现，这会给学生软件调试带来误导。
1.3 无法将相关专业课程进行有机融合
教学过程中，如果没有具体应用背景和项目导向就无法将相关专业课程有机融合[6]。任何一个复杂工程问题的解决，不可能光靠一门课程或一项技能，需要多个部门或多个领域人员的协作，比如单片机、传感器、计算机控制系统，甚至图像处理都有可能同时应用在一个项目中，在提升专业技术能力的同时也提升了学生的团队合作精神。
2.1 理论教学环节设计
在单片机的理论教学过程中，当讲述完了最小系统后，就可以让学生着手设计适用于实验环节的平台，帮助学生加深理解最小系统等理论知识，同时掌握系统原理图和PCB图的画法，熟悉PCB打板过程。以51/STM32 单片机为核心，设计一款适用于实践环节的平台，该平台分为底板和核心板两部分，图1为基于51单片机的底板实物图，其主要元件定义如下。
图1 底板实物图
（1）稳压芯片；
（2）功率选择跳线：当VDD 连接VOUT 时，VDD=5.0V；
选择VDD 连接VIN 时，VDD=VIN；
（3）伺服电机插头（P4、P5、P6、P7）；
（4）拨码开关；
（5）核心板接插口；
（6）USB转串口芯片。
核心板直接通过接插口插在底板上，单片机可以采用51 系列或者STM32 系列，直接采用接插口连接。图2 是基于AT89S52 单片机的核心板实物图，其主要元件定义如下：（1）AT89S52 单片机；
（2）串口转换芯片；
（3）稳压芯片；
（4）存储芯片。
图2 核心板实物图
2.2 实践环节设计
有了理论教学环节掌握的知识后，就可以动手进行打板，对各元件进行贴片焊接，完成后就可以在平台上进行各类实验。通过面包板搭建一些外围电路，可以实现单片机实践环节中典型的实验，如流水灯实验、电机控制实验、串口实验、数字钟、计数器实验等，掌握编程技巧以及程序下载过程，同时也可进行单片机课程设计训练。
2.3 学科竞赛环节设计
课堂理论教学和实践教学环节都是为了后续的解决复杂工程问题为准备的，学生可以通过各类学科竞赛来检验自己对单片机课程知识的掌握情况，加强单片机与传感器、电子电路、计算机控制等课程知识的综合运用和团队合作精神。
江西省智能机器人大赛采用以上设计的控制平台，增加外围电路和相应传感器结合算法实现常规擂台赛、超级弯道竞速赛，创意擂台赛、快速搬运码垛赛等项目的比赛。以大赛促进人才培养模式的改革，探索“以赛促教、以赛促学、赛学结合”的人才培养新模式，提高高等教育教学质量。
图3 为常规擂台赛竞赛场地，黑色正四边形边长为800 mm，中心圆形区域直径240 mm，为机器人起始位置，颜色为黄色。环形区域是起始区域与对战区域的分界区，颜色为绿色，帮助机器人了解自身位置情况。双方机器人对抗持续时间为2 min。比赛过程中，机器人需自主运行。一方机器人让对方机器人滞留在黑色擂台区域外超过10 s，则为获胜。一方失误滞留黑色擂台区域外超过10 s，则对方获胜。
图3 常规擂台赛场地
利用以上设计的51单片机平台为控制器，加装小车本体，小车采用后两轮差速驱动，前置万向球的方式。图4 是加装传感器后用于常规擂台赛的机器人。从图4 中可以看出，小车前方采用超声波传感器用于检测对方小车，在小车下方加装多个颜色传感器用于检测场地颜色，增强可靠性，最大限度地防止自己失误超出擂台区域。
图4 常规擂台赛智能小车
2.4 创新设计环节
针对不同竞赛项目，根据需要可以选择不同的控制平台，比如：快速搬运项目需要的控制策略和传感器更多，可能需要选择STM32的平台，电机可以根据需要选择直流或步进电机。搜索对方机器人方面，可以采用反射式红外传感器或超声波传感器。也可以自制传感器用于搜索对方机器人，比如：采用一排发光二极管发出来的光经对方机器人反射后，通过透镜聚焦再用光敏二极管接收，根据接收的信号确定对方机器人的距离和位置。确定机器人本体当前位置，也可以不采用颜色传感器而采用多个光电传感器。车子速度反馈可以采用陀螺仪或者光码盘。图5为参加常规擂台项目的基于STM32平台的智能机器人。
图5 STM32平台智能小车
针对当前单片机课程教学现状存在的不足进行分析并提出改进方法，探索性地将“教、赛、创”三位一体教学改革模式应用在单片机课程教学中，将学校理论和实践教学、学科竞赛和创新时间深度融合，形成一套“教、赛、创”互动的工科人才培养模式的运行机制。研究结果证明，实践教学的改革激发了学生的学习积极性，提高了学生的自信心，培养了学生的综合能力，提高了企业的产能。
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