電子設計競賽引導下的傳感器與單片機課程融合方法研究

米曾真+陳鴻雁+邢德周

【摘要】文章以傳感器課程為研究實例，結合電子設計競賽的經驗與體會，分析了《傳感器與測試技術》與《單片機技術》課程教學中存在的主要問題，探索了將單片機技術的基本知識，以項目教學法的方式融入傳感器課程的新方法，整合學生的知識結構，提高學生的創新能力和實踐能力。

【關鍵詞】《傳感器與測試技術》；《單片機技術》；雙課程融合；電子設計競賽

一、引言

全國大學生電子設計競賽是教育部、工業和信息化部共同發起的大學生學科競賽之一，在信息學科中有著很強的影響力。傳感器檢測在應用過程中，急需解決傳感器的靈敏度、線性度、穩定性等問題。而單片機技術的微控制芯片及邏輯電路使其具有很強的運算和控制能力。如將單片機技術與傳感技術結合起來，通過終端的數字芯片和邏輯電路來處理這些問題，則以上問題就可迎刃而解。通過分析歷屆電子設計競賽題目可以看出，很多控制類、數據采集類和信號類的題目在設計制作時，除了涉及單片機、ARM等嵌入式知識之外，系統的設計還需要傳感器檢測環節。如2016年給定的元器件清單光電傳感器、三維角度傳感器、彩色攝像機、無線收發模塊等都是常用的傳感器；儀器清單單片機開發系統、PLD開發系統等也都用到了單片機技術。

因此，本文結合本校測控技術與儀器專業學生的參賽經驗，探索電子設計競賽對兩門課程的融合教學改革的啟示和影響。

二、存在的問題

《傳感器與測試技術》課程屬于信息科學范疇，許多專業都開設有這門課程。特別是該課程屬于本校測控專業市級“核心課程建設項目”，是5門主干核心課程之一，總共40個學時。經過10多年來的建設，在教學方式建設、試題庫建設、實驗項目建設等方面取得了長足進步。但是課堂中主要講述傳感器原理及組成、典型電路等知識點，學生缺乏主觀能動性，不利于學生能力的提高；同時實驗環節利用浙江高聯教儀CSY2000 Sensor系統，主要是驗證性、演示性的實驗，比如電子秤的單臂橋、半橋、全橋性能實驗，計算不同橋路的靈敏度和線性度，以觀察驗證為主，這類驗證性的實驗缺少開放新創新型環節，很難調動學生的積極性。

而《單片機技術》課程教學主要面向學生，側重基礎。傳統教學中主要講述控制器內部結構及接口、最小系統、C＼T、模擬多路轉換器、A/D轉換器、編譯環境等內容。表面上看，與學生學習知識的順序一致，但教學效果不甚理想，學生對每個模塊的學習相互孤立，在代碼編寫和硬件設計時就變得毫無頭緒。尤其是如今各個競賽項目不僅考驗學生的編程能力、電路設計能力，更注重對學生檢測、處理、分析信息的能力進行考查，更注重學生整合知識、創新能力的培養。

感興趣的物理量采集離不開傳感器知識，電信號的處理基本可以由微控制器實現。因此，研究傳感技術與單片機技術的融會貫通式教學，是信息類人才綜合實踐能力培養所面臨的共性問題。本文擬討論將電子設計競賽項目引入傳感器課堂，讓學生能夠通過項目教學法，將抽象的傳感器原理實例化為具體的系統設計。

三、“雙課程融合”教學方法實施

（一）理論教學——優化內容，整合學時

兩門課程的孤立式教學使學生不能形成系統的專業知識技能。需要完成傳感器理論教學和實驗教學、傳感器課程與單片機課教學的融會貫通，重構教學內容，將理論內容適當壓縮調整，增加實訓項目，激發學生的學習興趣。常用的光敏、紅外、壓力、超聲、無線收發、溫濕度等類型的傳感器，側重于如何將被測量轉換成模擬電信號或標準的IO數字信號，涉及單片機課程里的運放補償、采樣保持、A/D轉換、C51微處理器及數字芯片選型等知識。測控專業學生對傳感器課程的掌握，不單純是熟悉傳感器的基本原理，更是體現在檢測系統的應用與設計。因此，教師在優化課程內容方面，考慮將Proteus仿真軟件融入傳感器的教學中來，讓教師在講授理論的同時，可以利用設計好的電路圖來進行效果演示，針對系統的各功能模塊細化單獨講解，增強教學的直觀性；在整合課程學時方面，考慮到傳統類型的傳感器原理知識結構類似，原理性強，綜合將其合并成18學時的課堂教學模塊，增加的學時主要分析電子秤、光控電路、測溫電路等典型傳感器電路設計，并讓學生參與其中，達到學以致用的目的。

（二）實踐教學——引案例，促創新

引入電子設計競賽項目，形成實驗課堂大眾化教學、創新基地精英化培養的實踐教學模式。一方面可開設電容傳感器及光纖傳感器的位移特性、電阻應變片橋式電路、轉速測量、溫度檢測等實驗強化學生對基礎知識的理解，另一方面注重與電子競賽的聯系，深入分析近年來的電子設計競賽內容中的理論知識和實際制作，使學生可以對電子設計大賽項目中的基本模塊進行針對性的練習，另外也可以通過電子設計競賽項目促進創新創業教育。結合教學內容，同時定期組織學生參加各種規模的電子設計比賽，比如全國大學生電子設計競賽、重慶市“合泰杯”單片機應用設計競賽、飛思卡爾智能車大賽等。教師依據往屆的典型競賽題目訓練學生，促進學生的創新創業教育，拓展學校在行業內的知名度。

四、結語

研究“雙課程融合”教學方法使全體學生熟練地運用了傳感器和單片機課程知識，部分優秀學生進入了學校的，電子設計競賽實踐基地。依據電子設計大賽的模式，按3人一組的方式自由組合，通過傳感器與單片機之間的深度融合，使更多有興趣的、潛在的學生加入進來。近5年來，本專業學生在各類學術、學科競賽上獲得國家級一等獎8項、二等獎23項，省部級一等獎34項、二等獎53項。由此可見，以電子設計競賽為導向的課程改革，在教學方法、實踐條件等方面都取得了長足的發展。也正因為此，電子設計競賽得到了越來越多教師和學生的認可，對于培養學生創新精神和工程實踐能力具有重要的現實意義。

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