基于單片機(jī)的項(xiàng)目式教學(xué)在傳感器技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

卿啟新　黃孝平

摘 要：本文把項(xiàng)目式教學(xué)方法應(yīng)用到傳感器實(shí)踐教學(xué)中。以單片機(jī)作操作平臺(tái)，與傳感器結(jié)合實(shí)踐教學(xué)，分項(xiàng)目模塊化電路操作。在該方法的指導(dǎo)下，學(xué)生分組獨(dú)立親自全程處理一個(gè)項(xiàng)目，把項(xiàng)目與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，從中發(fā)現(xiàn)問題，學(xué)習(xí)如何應(yīng)用技術(shù)來解決問題，如何處理新的想法和概念，鍛煉學(xué)生的思維創(chuàng)新能力。該方法在教學(xué)上的應(yīng)用獲得的效果比較好，真正使學(xué)生學(xué)有所成，學(xué)有所用。

關(guān)鍵詞：傳感器 單片機(jī) 項(xiàng)目式教學(xué) 模塊化

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.引言

傳感器技術(shù)課程是一門應(yīng)用性比較強(qiáng)的課程，綜合了電路，模擬電子，數(shù)字電子、電子工藝焊接、PCB制作、電路設(shè)計(jì)等知識(shí)，使用范圍廣，涉及的領(lǐng)域?qū)挘谴髮Ｔ盒Ｉ骐婎惤虒W(xué)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。當(dāng)今日新月異的電子技術(shù)發(fā)展，給傳感器教學(xué)提出了更新更高的要求。根據(jù)常規(guī)的傳感器教學(xué)條件，一般可分為以下幾類：一是純粹的理論教學(xué)——“教師講，學(xué)生聽”的“填鴨式”[6]教育模式，這在一般的高校里普遍存在，這樣的理論教學(xué)讓學(xué)生只能憑空想象，很多迷惑，到底應(yīng)該怎么應(yīng)用，有沒有實(shí)物應(yīng)用。二是傳統(tǒng)的教學(xué)方法——理論加實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣的教學(xué)模式較經(jīng)典，分析一下常用的電路圖，通過幾個(gè)實(shí)驗(yàn)演示，雖然學(xué)生既學(xué)習(xí)了理論，也動(dòng)手做了實(shí)驗(yàn)，但就這么簡(jiǎn)單的插線接線，屬于機(jī)械性的操作教學(xué)，而且是脫離實(shí)際應(yīng)用的，起不到實(shí)際的效果。這造成學(xué)生自學(xué)能力較弱，創(chuàng)造能力低，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，嚴(yán)重束縛了學(xué)生智力的發(fā)展和能力的提高，

針對(duì)傳感器技術(shù)的教學(xué)，應(yīng)該與社會(huì)聯(lián)系，與本學(xué)校的教學(xué)應(yīng)用相結(jié)合。盡管如此，造成這樣的現(xiàn)象或問題有多方面的原因。集成電路的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品更新周期快，相應(yīng)教材也時(shí)刻在更新替換，教學(xué)上傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新慢，這就造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后，跟不上社會(huì)的發(fā)展，而且維修困難，以致部分高職院校只把它當(dāng)一門理論課程開設(shè)。然而，社會(huì)希望培養(yǎng)的人才與社會(huì)實(shí)際接軌，對(duì)人才層次提出“更新更高更強(qiáng)”的復(fù)合型人才需求。針對(duì)這樣的教學(xué)模式培養(yǎng)的人才是無法滿足社會(huì)的需要。

為適應(yīng)社會(huì)的需求，改變當(dāng)前以及針對(duì)當(dāng)前傳感器教學(xué)的困難所在，本文提出把項(xiàng)目式教學(xué)的方法應(yīng)用到傳感器實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中。該方法在應(yīng)用中突出“以實(shí)踐項(xiàng)目為主線、教師為輔、學(xué)生為主”[1]，改變了以往“教師講，學(xué)生聽”被動(dòng)的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，主動(dòng)參與。該方法基于單片機(jī)操作平臺(tái)，分項(xiàng)目分步驟模塊化操作。把單片機(jī)與傳感器教學(xué)結(jié)合，這是本學(xué)院傳感器課程實(shí)踐教學(xué)的特色。在教師的指導(dǎo)下分組獨(dú)立親自全程處理一個(gè)項(xiàng)目，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)解決在處理項(xiàng)目中遇到的困難，使他們提高對(duì)學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的思想道德品質(zhì)和能力素質(zhì)。在制作過程中不斷吸納的新知識(shí)，又激發(fā)了他們的自學(xué)和創(chuàng)新能力，并使他們感覺到獲得一種成就——學(xué)有所成，學(xué)有所用的學(xué)習(xí)效果。

2.傳感器項(xiàng)目式教學(xué)方法應(yīng)用

傳感器項(xiàng)目式教學(xué)方法注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。要完成一個(gè)項(xiàng)目，必然涉及如何做的問題。這就要求學(xué)生從原理入手，結(jié)合原理分析項(xiàng)目并制定詳細(xì)方案。在整過教學(xué)的進(jìn)程中，制定一個(gè)教學(xué)計(jì)劃：把傳感器課程分為十個(gè)典型的項(xiàng)目來實(shí)踐教學(xué)，這些項(xiàng)目是與生活實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系的，如紅外線探測(cè)在自動(dòng)門上的應(yīng)用，在銀行取款等場(chǎng)所門上裝有應(yīng)用，并進(jìn)行具體的模型演示；二氧化碳濃度檢測(cè)傳感器，在大棚溫室種植等農(nóng)業(yè)、一些工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用，還可拓展到其他環(huán)境氣體檢測(cè)，家庭煤氣檢測(cè)報(bào)警等設(shè)計(jì)應(yīng)用；溫度檢測(cè)傳感器，這比以往的溫度傳感器檢測(cè)有所不同，根據(jù)檢測(cè)的溫度，可以自動(dòng)的進(jìn)行調(diào)節(jié)，跟蹤，信息連續(xù)的輸入到電腦上進(jìn)行顯示；光電傳感器在家居生活中的普遍應(yīng)用，如照明燈的自動(dòng)開關(guān)控制，聲控?zé)舻仍O(shè)計(jì)；超聲波傳感器探測(cè)，電子稱重計(jì)的設(shè)計(jì)。這樣，每個(gè)項(xiàng)目都是獨(dú)立出來的，根據(jù)基本原理來實(shí)施。整個(gè)項(xiàng)目從建立到實(shí)施完成，學(xué)生的收獲比較豐富，積累了經(jīng)驗(yàn)，各知識(shí)間跨越性使用以及相互融合。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生可以重復(fù)的進(jìn)行操作，而且能起到舉一反三的教學(xué)效果。因?yàn)槭且詥纹瑱C(jī)為操作平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)是固定不變的，所以硬件電路的基本組成學(xué)生能很快熟悉，電路的設(shè)計(jì)模式學(xué)生經(jīng)過兩三次后，都能夠熟練進(jìn)行處理并設(shè)計(jì)。項(xiàng)目實(shí)施步驟包括：硬件電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)兩部分。

2.1電路模塊化

傳感器項(xiàng)目的電路設(shè)計(jì)模塊化，即插即用，通過單片機(jī)微處理器作為控制平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。

（1）單片機(jī)控制操作平臺(tái)

單片機(jī)作為一個(gè)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)的功能為把傳感器探測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后，通過A/D轉(zhuǎn)換，輸入到單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部下載的程序運(yùn)行處理，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過LED或LCD顯示屏輸出，并輸出控制信號(hào)進(jìn)行過程控制處理如報(bào)警，啟動(dòng)下一步調(diào)節(jié)等操作。因此，單片機(jī)控制操作平臺(tái)基本的組成應(yīng)有電源電路、單片機(jī)芯片、A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示、通信端口和信號(hào)控制輸出口等連接。最小單片機(jī)系統(tǒng)如圖1所示。

[TP5月-3.TIF，BP#][TS（][JZ]圖1 最小單片機(jī)系統(tǒng)[TS）]單片機(jī)作操作平臺(tái)存在的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)：1.通用性比較廣，高職院校都有開設(shè)這門課，學(xué)生具有一定的基礎(chǔ)，使用較容易；2.重復(fù)性使用，開設(shè)單片機(jī)課程一般都具有實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，可節(jié)約實(shí)驗(yàn)耗材，降低固有成本，且維護(hù)方便；3.增強(qiáng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)和編程語言的進(jìn)一步掌握和鞏固，學(xué)以致用，獨(dú)立開發(fā)或制作自己感興趣的小作品；4.各科知識(shí)交叉融會(huì)貫通，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，如制作電路板，電路設(shè)計(jì)能力等，加強(qiáng)各方面的學(xué)習(xí)。

2.2傳感器電路模塊化

傳感器是把非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的關(guān)鍵器件。傳感器模塊包含以下三部分：1.傳感器探測(cè)器件；2.信號(hào)處理放大電路；3.補(bǔ)償電路。電路設(shè)計(jì)制作步驟分為：繪制電路原理圖、測(cè)量元器件封裝尺寸、制作PCB板、焊接元器件、電路測(cè)試；這一環(huán)節(jié)需要學(xué)生提供設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)預(yù)期實(shí)現(xiàn)目的，以及搜集整理信息和資料，同時(shí)要做一個(gè)預(yù)測(cè)，就是在設(shè)計(jì)制作過程中會(huì)出現(xiàn)的問題，如何采取應(yīng)對(duì)的方式。這是關(guān)鍵，因?yàn)樵O(shè)計(jì)電路制作出來，要能達(dá)到預(yù)期效果，否則就不成功。

2.3程序設(shè)計(jì)

用程序來代替硬件電路信息轉(zhuǎn)換部分，數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)等，既節(jié)省硬件資源，節(jié)約成本。在單片機(jī)內(nèi)裝載有完成相應(yīng)功能的程序，可重復(fù)性操作。從A/D轉(zhuǎn)換輸入數(shù)字信號(hào)與單片機(jī)程序進(jìn)行對(duì)比轉(zhuǎn)換得到所需要的結(jié)果并輸出顯示。以二氧化碳濃度檢測(cè)為例，主程序中，首先是對(duì)所要應(yīng)用到的各部分寄存器，以及引腳的一些功能進(jìn)行初始化設(shè)定。接著就是一個(gè)關(guān)于顯示、等待按鍵、調(diào)節(jié)輸出的大循環(huán)。系統(tǒng)主程序的程序流程圖如圖3所示。其他子程序，如數(shù)據(jù)的采集、處理與存儲(chǔ)程序的設(shè)計(jì)，使模擬的二氧化碳濃度信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，在等待轉(zhuǎn)化完畢后，調(diào)用儲(chǔ)存程序。儲(chǔ)存子程序主要是把之前所存儲(chǔ)的濃度值存入后一位寄存器中，以便按鍵調(diào)用顯示。最后，把讀取的數(shù)字信號(hào)經(jīng)行處理，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的十進(jìn)制二氧化碳濃度值，存入對(duì)應(yīng)寄存器中。具體流程如圖4所示。

[TP5月-5.TIF；X+2mm，BP][JZ]圖3 系統(tǒng)主程序流程框圖

[LL][TP5月-6.TIF；X+2mm，BP][JZ]圖4 數(shù)據(jù)的采集、處理與儲(chǔ)存程序框圖

3.教學(xué)反饋

在實(shí)踐教學(xué)中，總體來說，效果是良好的，學(xué)生積極學(xué)習(xí)，主動(dòng)詢問和查找資料。同時(shí)，使教師和學(xué)生間發(fā)生角色換位，這對(duì)教師是一個(gè)激勵(lì)作用，激發(fā)教師的創(chuàng)造欲望。在實(shí)施這一教學(xué)方法中，教師應(yīng)該注意的一些事項(xiàng)：1.準(zhǔn)備工作，教師在進(jìn)行實(shí)踐前，必須要做好充分的工作準(zhǔn)備，選取合適的項(xiàng)目，制作考核評(píng)價(jià)表等；2.管理制度，教師必須管理好實(shí)踐教學(xué)中的教學(xué)秩序，不能讓教學(xué)形成一個(gè)混亂的場(chǎng)面，建議采用雙師教學(xué)，進(jìn)行有效管理；3.安全制度，教師必須嚴(yán)格執(zhí)行實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度，在實(shí)踐前，必須對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全培訓(xùn)和了解實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，尤其在制作電路板的過程中，必須確保學(xué)生實(shí)踐過程中的安全；4.注意合理的評(píng)價(jià)方式，讓學(xué)生體會(huì)到成功效應(yīng)，目的是讓學(xué)生更好的加強(qiáng)學(xué)習(xí)，強(qiáng)化能力，激發(fā)學(xué)生的主體能動(dòng)作用。

因此，在此教學(xué)方法實(shí)行過程中，教師承擔(dān)的工作責(zé)任會(huì)增大，但學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)態(tài)度跟以前上課大有改觀。教學(xué)的一個(gè)目的是學(xué)生能學(xué)到知識(shí)，學(xué)有所用，項(xiàng)目式教學(xué)直觀的展示，帶動(dòng)學(xué)生，吸引學(xué)生去做，并獲得成功，這讓學(xué)生有一種喜悅感，參與的存在感和成就感。

4.總結(jié)

基于單片機(jī)的項(xiàng)目式教學(xué)法使學(xué)生在學(xué)習(xí)傳感器技術(shù)應(yīng)用上有很大的幫助，獲得教學(xué)效果好。在教師有目的地引導(dǎo)下，通過兩到三個(gè)項(xiàng)目的操作，學(xué)生掌握其步驟，熟練其工作流程，有利于培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、創(chuàng)造能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)四種能力（接受能力，理解能力，應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力）的展示和應(yīng)用到實(shí)際中，培養(yǎng)了學(xué)生合作、解決問題等綜合能力。項(xiàng)目教學(xué)來源于實(shí)踐，又發(fā)展于實(shí)踐，只要敢于創(chuàng)新、善于用心，充分發(fā)揮教師的輔導(dǎo)作用和學(xué)生的主體性，不斷推進(jìn)項(xiàng)目教學(xué)方法，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用能力，必然能夠?qū)崿F(xiàn)培養(yǎng)更多、更好的技能型應(yīng)用人才的目標(biāo)[7]。

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