李松涛

摘要：为了切实提高学生的单片机应用能力和创新能力，对以智能小车为应用平台的单片机教学模式进行了探索。将教学内容融入智能小车的各个功能模块，按照整体到部分，再到整体的认知过程，首先让学生了解智能小车的整体功能，激发学生的学习兴趣和探索精神，在后续的教学中将理论教学与智能小车各个功能模块的实现结合起来，最终整合成一个完整的应用系统。这种教学模式既丰富了教学内容，也对后续课程的开展及学科竞赛的参与起到引导作用。

关键词：单片机;教学模式;智能小车;课程改革

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）16-0133-03

单片机课程是电子类及计算机类相关专业的主干专业基础课，具有很强的实践性、综合性和应用性，它强调软、硬件技术的结合，是一门涉及电子技术、控制算法编程、传感器技术、驱动执行机构等多门课程的综合性应用技术课程[1-2]。

在单片机课程的教学中，通常采用这样的教学过程：以单片机的硬件结构为主线，对单片机的内部结构、编程模型、中断系统、定时器/计数器等理论知识进行讲解[3]。知识点以模块的形式给出，学生学习后，虽然掌握了单个模块的相关知识，但是对具体的应用场景了解不多，无法做到学以致用[4]。课程的实验环节大部分是验证性实验，实验软硬件环境都是固定的，学生只需要按照实验指导书步骤完成即可，各个实验项目相互独立，无法将它们融合成一个整体。由于实验条件的限制，通常无法对实验项目进行扩展，这也限制了学生创造性的发挥[5]。

学科竞赛是实践教学和创新活动的重要载体[6-7[。在众多的大学生学科竞赛中与单片机等微控器相关的有全国大学生电子设计竞赛和全国大学生智能汽车竞赛。其中全国大学生智能汽车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动，也是教育部倡导的科技竞赛之一[8]。智能小车作为一个系统化集成的产品，以其趣味性。知识性和实用性，引起了学生的浓厚兴趣，激发学生对知识的探索要求。智能小车的控制核心是单片机，为实现智能小车的功能，需要使用各类外围模块对单片机进行扩展，同时，智能小车初始状态都是一些元器件和独立模块，需要学生根据电路图和装配图进行焊接、组装，在硬件平台上再进行编程、调试，最终实现一个完整的系统。在单片机课程教学中引入智能小车不仅锻炼了学生的实践能力，也为学生提供一个学习和探索单片机应用系统，参与学科竞赛的平台。

1 智能小车基本构成与模块

1.1 智能小车基本结构

为更好地提高教学效果，要对智能小车的硬件结构和模块进行合理设计，以满足课程教学的需要。智能小车采用模块化的设计方法，采用开放式设计思路，在单片机最小系统的基础上、添加基础模块和扩展模块。智能小车采用 4 轮小车，小车由后侧两轮驱动.使用以STM32F103單片机为控制核心的主控制板，红外避障模块、超声波测距模块、电机驱动模块和无线模块等设计了智能小车系统，智能小车结构框图如图1所示。

1.2 智能小车功能模块

1）主控制板

主控制板由控制基板和微控制器板组成。微控制器板以STM32F103单片机为核心，与外围的晶振电路、复位电路构成了一个最小系统。最小系统以模块的形式插接在控制基板上构成了智能小车的主控制板。

2）电源模块

两节锂电池输出电压经7805稳压芯片稳压后为主控制板及外围功能模块供电。

3）LED与蜂鸣器

LED用于显示电源及系统的工作状态，与蜂鸣器结合可以实现声光报警。为提高系统的可靠性，将LED与蜂鸣器集成到控制基板上。

4）电机驱动模块

电机驱动模块采用 L298N 驱动两路直流电机，单片机GPIO引脚输出不同占空比的PWM方波改变两路直流电机的转速和转向实现小车的前进、后退、刹车、转向以及速度控制等动作。

5）红外避障模块

红外避障模块实现对周边障碍物的检测，当在探测范围时发现障碍物后，小车会根据预先设定的避障算法做出相应的响应，完成刹车、后退、转向等动作。

6）超声波测距模块

超声波测距模块集成了超声波发射器、接收器与控制电路，当智能小车接近障碍物时，模块输出电平值会发生变化，控制器接收到信号后通过控制电机使小车产生相应的动作。

7）无线模块

智能小车使用蓝牙模块、WiFi模块、ZigBee模块、LoRa模块、NB-IoT模块实现无线数据的收发，这些模块与主控制板之间一般是通过串口连接，只需要根据要求设置波特率和数据格式就可以实现通信。

2 智能小车模块与单片机知识体系的对应关系

从应用的角度来看，要实现一个完整的单片机应用系统，不仅需要单片机原理方面的知识，还要具备电路分析与设计、传感器技术、控制原理和控制策略、电路板焊接等方面的知识和技能，因此可将单片机课程的知识结构划分为三个模块：前导模块、核心模块和扩展模块。这些模块所需要的知识和技能在智能小车的开发过程中都有所体现。在具体的教学组织过程中，将各部分教学内容分解成一个个知识点，这些知识点与智能小车的某个模块相对应，按照由易到难、由基础功能到扩展功能的原则进行教学推进。模块之间既有联系，也具有一定的独立性，可以根据不同专业的要求，在核心模块的基础上增加扩展模块。

从知识构成的角度来讲，智能小车模块与单片机的知识点相互对应，它们之间的对应关系如表1所示。

2.1 前导课程知识

在智能小车焊接和组装中用到的知识和技能来自于前导课程，如数字电路和模拟电路、通过该环节，可以对这些课程起到复习和巩固的作用。

2.2 课程核心模块

单片机核心模块的知识点包括单片机的基本工作原理和内部结构、I/O口、定时器/计数器、串口通信、中断等。在进行知识讲解后，要通过实验加深对知识的理解。这些实验建立在具体小车核心模块的基础上。实验的内容来自应用，也服务于应用。如使用红外避障模块时，要让学生了解红外发射及接收的实现过程、模拟信号转换为数字信号的过程、GPIO引脚的电平变化的检测等知识。在实验过程中，这些知识点不再抽象，而是实实在在地可以转化为应用的技术。

2.3 扩展模块

为满足学期末的课程设计及学科竞赛的要求，智能小车包含了一些扩展模块，这些模块涉及的知识点可能并没有在课程中讲述，但学生依然可以在现有知识的基础上，通过参阅相关资料掌握这些模块的使用方法，设计出具有个性和创造性的功能更为强大的智能小车。

3 融合教学模式的实施效果

3.1以兴趣为导向引发学习动力

以看得见的应用效果引发学生的学习兴趣，在教学之初，将一台完整的智能小车展示给学生，现场演示智能小车的各项功能，并明确告诉学生，通过本门课程的学习，每一位同学都具有独立焊接、装配、编写及调试控制程序的技能。学生看到了学习的成果，从而对学习过程充满了期待，激发了学习兴趣。

以智能小车为应用平台，硬件课程的学习不再是电路图和抽象的代码，而是一个触手可及并能将自己的构思变成一个具体产品的探索过程。在知其然的基础上探索其所以然，在团队协作中体验集体的力量。这对学生来讲是一种从未有过的体验，在成就感的驱使下去学习更多的知识以求自己的小车功能更为丰富完善。

在随后的课程设计中，要求学生在智能小车前期基本功能的基础上扩展新的功能，并对小车的性能进行优化，以智能小车的可靠性和功能作为成绩评判的依据，进一步激发了学生的竞争意识和学习新知识的动力。

3.2 进一步强化了模块化的设计思想

在系统设计中采用了自顶向下、逐步细化的模块化设计思想。各功能模块独立设计，使用灵活，学生可根据项目的具体要求及自身兴趣，选择不同功能模块搭建系统。这里的模块化，不仅是软件设计的模块化，也包含硬件设计的模块化。每一个硬件模块实现某种特定的功能，这些模块使用GPIO或标准的有线或无线协议与控制板连接。为实现每一个模块的具体功能，还需要有与之相对应的软件模块，这种软硬件一体化的设计方法贯穿整个系统的设计过程。而对于某一个具体的功能，都有多种不同的模块和方案供学生选择，通过比较各种不同实现方案的差异，进一步深化了对知识的理解。

3.3 智能小车技术的发展丰富了课程内容

由于新的技术和标准的不断出现，每年的智能小车竞赛内容和要求都在不断发生变化，这就要求单片机课程的教学内容不能是一成不变的，在实施过程中需对教学项目进行不断的改造、提炼、补充和完善。如在无线通信方面，除了广泛使用的WiFi、蓝牙技术外，ZigBee和LoRa在智能家居、远程抄表等领域开始得到应用，由于应用系统采用的是模块化的设计框架，可以根据应用的需要很容易将这些新的扩展模块加入系统中，构建出难度更高的智能小车应用项目。

3.4 對后续课程的导入提供了契机

在单片机课程教学中，一般不涉及嵌入式操作系统，通常是对硬件直接编程。在后续课程如嵌入式系统及应用课程将会引入嵌入式操作系统，由于具备了单片机的开发经验，可以使学生更快掌握基于RTOS的嵌入式系统开发技能，在硬件平台不变的情况下，通过在应用程序设计中增加操作系统来提高应用系统的开发效率和可靠性。

在演示过程中，增加使用手机App控制智能小车的环节，手机App开发的知识需要在移动应用开发课程中学习。这样，单片机课程就将其他后续相关课程串接在一起。

3.5 提高了学生参加科技竞赛的积极性

通过课程学习，学生掌握了智能小车的基本结构和原理，并在实践中可以独立完成小车的硬件配置和软件设计，对于学有余力的学生来讲，可以对小车原有的功能进行加强和性能的优化，原来觉得高高在上的智能小车竞赛不再神秘，学生参加智能小车竞赛的积极性也非常高。

4 结束语

智能小车是一个具有高度模块化的单片机应用系统，它的软硬件结合特性使其非常适合在单片机教学中采用。在单片机课程的教学中，将一个智能小车的开发过程贯穿到教学环节中，各个模块之间既有其独立性，又相互关联，在课程的最后，将这些模块集成在一起，构成一个完整的智能小车系统。教学的过程，实现了从部分到整体，从抽象到具体、从知识到技能，从技术到产品的演变。教学的实施效果也表明，这种教学方式可以很好地激发学生学习单片机的兴趣，增强学习的主动性，提高单片机技术的综合应用能力以及科研创新意识。并对后续课程的学习、学科竞赛的开展起到良好的推动作用。

参考文献：

[1] 赵仁涛，李颖宏，关丛荣，等.单片机原理及应用课堂与实践教学改革与探讨[J].教育教学论坛，2020（42）：156-158.

[2] 王春荣，夏尔冬，熊昌炯，等.应用型本科办学的单片机原理课程改革探索[J].实验室研究与探索，2017，36（12）：237-240.

[3] 滕召胜，温和，高云鹏，等.“教-学-做-研”一体化的单片机教学模式研究[J].实验室科学，2018，21（3）：221-224.

[4] 沈旭东，朱立妙.单片机教学改革与实践创新研究——以智能小车单片机教学实践平台为例[J].工业和信息化教育，2019（5）：90-94.

[5] 许亮.基于技能竞赛的单片机教学改革研究[J].教育现代化，2019，6（38）：28-29.

[6] 郭宏，胡威.基于学生创新能力培养的单片机课程改革探讨[J].教育教学论坛，2019（6）：119-121.

[7] 肖建，张胜，郝学元，等.面向电子信息类学科竞赛的综合训练平台建设[J].实验室研究与探索，2019，38（10）：242-245，249.

[8] 毕福昆，陈婧，蔡希昌.基于STM32平台的电子竞赛培训教学方法研究[J].信息通信，2016，29（12）：274-275.

【通联编辑：王力】