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摘要：針對現有教學體系中大一學生缺少專業實踐環節這一問題，充分考慮到大一學生專業基礎薄弱的現狀，選用基于ArduinoUNO開源硬件平臺的車形機器人套件為實驗對象，以學生畢業要求為抓手，設計了面向大一學生的專業綜合性實驗。教學實踐表明，該實驗能有效增強學生專業認同感和學習興趣，對培養學生解決復雜工程問題的能力具有積極意義。
關鍵詞：機器人；綜合性實驗；實驗設計
大一是學生從高中階段到大學階段的轉折期，同時也是大學生發展最為關鍵的時期［1］。研究表明，大學生的成功與否在很大程度上取決于其在大一時期的經歷［2］。對于以實踐為根本特征的高等工程教育［3］，大一時期獲取的專業知識和早期工程體驗［4－5］，不僅可以加強學生對專業的認同感，而且可以有效地激發專業學習興趣，促使其完成從以追求好成績為目標的被動式學習［6］，向以探究科學知識、解決復雜工程問題為目標的主動式學習快速轉變。然而，現有工程教育體系基本沿用了科學教育模式，在教學活動的組織與安排上，過于強調知識的系統性和完備性［7］，所以大一階段的課程側重于培養學生數理基礎，從而導致大一學生被置于專業學習的大門之外。盡管面向大一學生開設的專業概論或者導論等類似課程或者講座，能夠提升學生對專業的認知度和學習興趣［8－14］，但這類課程通常是范圍廣、學時少，同時又沒有相應的實踐環節，無法給學生提供清晰的專業認知和切身的工程體驗。為了解決這一問題，結合電氣信息類專業大一下學期開設的智能機器人導論課，秉承“以學生為中心，以產出為導向”的教學理念，并針對大一學生專業知識薄弱、實驗技能欠缺的特點，以《工程教育認證標準》［15］所提出的“畢業要求”為抓手，設計了基于Ar－duinoUNO［16］的車形機器人綜合性實驗，以幫助學生盡早跨進專業大門、增強專業認同感，并促使大一學生向以解決復雜工程問題為目標的主動式學習轉變。
1設計思路
實驗設計遵照《工程教育認證標準》，以培養學生解決復雜工程問題能力為核心，主要從“工程知識”“問題分析”“設計／開發解決方案”“研究”“使用現代工具”“溝通”“終身學習”等8個方面的畢業要求出發，設計實驗的具體內容與要求。同時，考慮到大一學生幾乎沒有任何專業知識和工程經驗，所以在實驗教學目標的設定、教學內容的選取以及教學活動的組織上，又與面向高年級學生開設的綜合性實驗有著很大的差別。首先，實驗的教學目標不是側重于傳授某些專業知識或是培養某種專業技能，而是側重于給學生提供一種早期的工程體驗，通過這種專業上的切身經歷，使學生構建起專業基本框架，明確專業學習方向與方法，并在解決實驗問題過程中體驗精神滿足感、激發專業學習興趣。其次，在教學內容的選取上要充分考慮大一學生專業知識匱乏、實驗技能欠缺的現狀，實驗不能涉及過于繁雜的專業細節，同時又要兼顧實驗的綜合性與趣味性。所以，選擇基于ArduinoUNO的車形機器人作為實驗對象，其積木式的硬件和基于API的軟件開發，屏蔽了大部分硬件和軟件設計細節，極大地降低了對學生專業基礎的要求，進而使學生能夠更多地專注于機器人的控制、循跡與避障等功能的實現。最后，在教學活動的組織上，將整個實驗分成3個階段開展。第一階段為實驗準備階段，講授并指導學生使用文獻檢索工具獲取實驗相關工程原理與知識，指導學生以小組方式構建學習共同體，同時明確實驗要求及考核方式；第二階段為實驗操作階段，重點引導學生應用準備階段獲取的專業知識，去分析、討論、探究并嘗試解決車形機器人控制、循跡以及避障時所出現的問題；第三階段為實驗總結階段，采用小組答辯的方式，重點從專業知識獲取、團隊管理與運作、實驗問題探究與解決等方面闡述心得體會。同時強調，實驗報告要著重反映對實驗中遇到的各種故障、“異常”現象的探究與解決過程。
2實驗原理
車形機器人主要由底盤、支架、車輪、電機和運動控制電路等部分組成。車形機器人運動控制電路結構如圖1所示。其中紅外循跡單元用于檢測車形機器人相對于軌跡線的位置；超聲測距單元用于檢測同前方障礙物的距離；電機驅動單元用于驅動車輪直流電機；電源部分采用7．4V鋰電池組為整個系統供電；Ar－duinoUNO是系統的運算與控制核心，通過檢測紅外循跡和超聲測距輸出信號，判斷機器人當前位置狀態，并據此控制電機轉向和轉速，從而實現循跡與避障。
2．1ArduinoUNO
車形機器人采用ArduinoUNO作為傳感與控制平臺。ArduinoUNO是以ATmega328P微處理器為核心的開源硬件平臺，具有14個數字量輸入輸出接口（其中6個接口可以輸出PWM信號）、6個模擬量輸入接口、32KB的FlashMemory、2KB的SRAM以及1KB的EEPROM。ArduinoUNO通過應用程序編程接口（applicationprogramminginterface，簡稱API）封裝了對ATmega328P寄存器級的操作，通過這些API可以直接完成功能級的編程。編譯后的程序代碼可以通過ArduinoUNO自帶的USB接口，直接下載到ATmega328P，不需單獨的編程器，在不需要下載時，該USB接口還可以用于同計算機進行串行通信。車形機器人超聲避障傳感器通過PIN8、PIN9與Ar－duinoUNO相連，其中PIN8設為輸出模式，用于控制超聲波信號的發射，PIN9設為輸入模式用于接收超聲波回波信號。車形機器人共有2個紅外循跡傳感器，分別與管腳PIN2、PIN6相連，這2個管腳均設為輸入模式；驅動部分共占用6個管腳，其中PIN14—PIN17設定為輸出，用于控制電機轉向，PIN5和PIN3用于控制電機轉速。
2．2超聲避障
避障單元采用了超聲測距傳感器，該傳感器主要由超聲波發射、接收以及控制電路組成。ArduinoUNO通過PIN8向傳感器的TRIG管腳發出一個觸發信號，超聲發射部分即發出40kHz的超聲波信號，超聲波信號遇到前方障礙物將被反射回來，接收部分收到回波信號后產生一個高電平，并通過ECHO腳反饋至PIN9。設超聲波在空氣中的傳播速度v，Ardui－noUNO記錄的超聲波傳播時間t，則車形機器人與前方障礙物之間的距離S＝（v•t）／2。需要說明的是，超聲波在空氣中的傳播速度并不是固定不變的，在需要精確測量到障礙物的距離時，需要考慮溫度對超聲傳播速度的影響，并進行修正。
2．3紅外循跡
紅外循跡傳感器主要由紅外發射管、紅外接收管和電壓比較器構成，傳感器根據預鋪軌跡線和地板對紅外光具有不同的反射率來實現循跡。實驗中采用黑色電工膠帶在實驗室淺色瓷磚地面鋪設行駛路線。當發射管和接收管在瓷磚上方時，紅外光被地面反射回來的光強就高，接收管輸出的電壓就高；當發射管和接收管在預鋪的軌跡線上方時，紅外光大部分被黑色膠帶吸收，導致接收管輸出的電壓降低。接收管輸出的電壓進入比較器和預設參考電壓比較，輸出與光強對應的電平信號。實驗所用紅外循跡傳感器輸出高電平表示反光弱，而低電平則表示反光強。傳感的靈敏度，可以通過旋轉可調電位器改變比較器的輸入參考電壓來實現。車形機器人共有一左一右2個紅外傳感器，通常采用跨線行駛方式，即傳感器位于軌跡線兩側，當某一側循跡傳感器輸出低電平時，即說明車形機器人偏向該側。根據兩側傳感器輸出的信號即可判斷出機器人是否偏離行駛軌跡。
2．4電機驅動
車形機器人采用四輪驅動方式，為簡化系統設計，同側車輪的直流電機采取并聯方式，這樣使用一塊雙H橋的L293D驅動板即可實現直流電機驅動。車形機器人的前進、后退、轉彎，以及調速都是通過Ardui－noUNO向L293D驅動板發出控制信號實現的。圖2為L293D芯片H橋驅動原理。L293D的使能管腳ENA和控制管腳IN2為“1”、IN1為“0”時，三極管T2和T3導通，電流從電源“＋VS”端經T3流向電機“＋”極，然后再從電機“－”極經T2流回電源GND端，此時電機正轉；同理，T1和T4導通時，電機反轉。轉彎時，一側電機停轉，另一側電機轉動即可以實現向停轉電機一側轉向。電機調速采用PWM方式，即ArduinoUNO按固定周期向ENA管腳輸出“1”或“0”，使電機接通或斷開電源，通過改變一個周期內“1”的持續時間改變電機接通電源的時長。只要周期選擇合適，電機即可以在這種周期性脈沖作用下連續運轉，電機的轉速取決于一個周期內的通電時間。需要說明的是，同側直流電機采用相向安裝方式，所以兩個電機必須異號并聯，即一個電機的“＋”和另一個電機的“－”并聯，否則同側車輪相向或者背向旋轉將導致機器人無法運動。
3實驗設計
實驗采用3～4人的團隊形式，圍繞《工程教育認證標準》提出的具體畢業要求，按照實驗準備、實驗操作和實驗總結3個階段展開。實驗主要內容及考核方式見表1。（1）實驗準備階段。該階段主要從“工程知識”“設計／開發解決方案”和“終身學習”等3個方面的畢業要求出發，引導學生分解實驗任務，通過查閱文獻、小組討論等方式，自學車形機器人驅動、循跡和避障等方面的理論知識，并進一步設計出循跡和避障程序流程圖及代碼，同時給出具體的實驗方法和步驟。最后將相關理論知識、程序流程圖和實驗步驟等整理至實驗預習報告。指導教師審核實驗預習報告并給出預習成績，對于不合格的小組，指出其存在問題并進行有針對性的指導，待其修改并通過審核后方可進入操作階段。（2）實驗操作階段。該階段主要從“使用現代工具”“問題分析”“研究”和“溝通”等4個方面的畢業要求出發，指導學生完成車形機器人組裝、循跡以及避障等實驗要求。同時考慮到學生能力的差異性，操作階段的實驗內容和要求，按難易程度劃分為基礎、拓展和提高3個部分。指導教師按表1中的考核內容與分值，根據學生的實際操作情況和實驗結果評定操作成（3）實驗總結階段。該階段側重于“問題分析”“研究”和“溝通”3方面的畢業要求。各小組采用答辯方式匯報實驗中所遇到的問題及其分析與解決過程，以及實驗心得體會等，指導教師針對答辯情況并予以現場點評并核定答辯成績，1周后以小組為單位提交實驗報告（附小組分工、源代碼及討論紀要等）。
4結語
面向大一的機器人綜合性實驗，選用了適于大一學生開發使用的車形機器人套件作為實驗平臺，遵照《工程教育認證標準》要求，以學生為中心，以產出為導向，以畢業要求為抓手，針對大一學生專業基礎薄弱的特點設計了具體的綜合性實驗方案。近3年的教學實踐表明，實驗不僅提高了大一學生對專業的認知度、認同感和學習興趣，而且給學生提供了一種早期工程體驗，明確了專業學習方向和學習方法，為畢業要求的達成和培養目標的實現奠定了良好的基礎。在2017年全國電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽中，該實驗榮獲電子綜合設計類二等獎。
作者:陳世海 王軍 代偉 牛小玲 毛會瓊 李明 單位:中國礦業大學信息與控制工程學院
