將Arduino技術(shù)引進傳感器與自動檢測技術(shù)的課程改革

程瑩

[摘? ? ? ? ? ?要]? 傳感器與自動檢測技術(shù)這門課程是工科學(xué)生的必修之課，特別對電氣自動化專業(yè)、機械制造及其自動化專業(yè)、電子技術(shù)專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)、工業(yè)機器人專業(yè)等，是非常重要的課程。但目前廣東省粵東高級技工學(xué)校這門課程主要是以理論課的形式上課，在教學(xué)效果上出現(xiàn)理論與實踐脫節(jié)，學(xué)生上課興趣持續(xù)下降，不能滿足現(xiàn)代企業(yè)對這類人才的需求。根據(jù)幾年來的課程探索與改進，將Arduino技術(shù)引進傳感器與檢測技術(shù)的課程，變理論課為一體化課程，以項目實施的方法進行課程改革。讓學(xué)生真正了解各類傳感器，并能通過編程調(diào)試、監(jiān)測傳感器將非電量轉(zhuǎn)換為電量并對其進行處理控制的過程。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? Arduino技術(shù);自動檢測;模塊化編程;一體化教學(xué)

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）33-0112-02

一、研究背景

自工業(yè)4.0概念的提出及5G通訊的新時代到來，我們能深刻地感受到現(xiàn)代新技術(shù)對人類生活和工作環(huán)境的影響和改變。如無人飛機、無人駕駛技術(shù)、智能交通系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、無人車間等，徹底改變了人類的生活方式，傳統(tǒng)的流水線工作、駕駛員、快遞員等都面臨著下崗危機，取而代之，出現(xiàn)了自動檢測安裝與調(diào)試、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)機器人等系列工種出現(xiàn)缺口。這些新工種的主要技術(shù)就是對傳感器的學(xué)習(xí)、安裝與檢測調(diào)試。傳感器作為自動檢測和現(xiàn)代智能設(shè)備的前端探測機構(gòu)，之所以在各類專業(yè)中占有重要位置，與其專業(yè)研究、學(xué)習(xí)內(nèi)容及工程實施和社會發(fā)展有不可或缺的關(guān)系。時代對自動檢測技術(shù)工種的技術(shù)要求，不再是簡單地了解其作用和掌握工作原理了，它需要真正會安裝、使用、檢測、調(diào)試傳感器的專業(yè)人員。

這就要求作為培養(yǎng)技術(shù)工人的職業(yè)技術(shù)院校、中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，在實施這類課程教學(xué)的時候，就必須結(jié)合實際、結(jié)合生產(chǎn)生活現(xiàn)狀、結(jié)合各類新型工作環(huán)境的變化，實施課堂改革，將一體化教學(xué)模式真正引入課堂，讓學(xué)生不僅能學(xué)到傳感器的理論知識，更能結(jié)合工作情景動手檢測和調(diào)試各類傳感器，從而達(dá)到拉近學(xué)校與工作崗位的距離，減少學(xué)生上崗適應(yīng)時間，落實能力本位的教育理念。

二、遇到的困難

目前，技工院校工科類專業(yè)開展傳感器與自動檢測技術(shù)這門課程，大部分專業(yè)都是作為專業(yè)理論課設(shè)定，課堂組織形式也是以教師一言堂的上課方式為主。筆者曾以理論課+實訓(xùn)課的形式分別在機械自動化專業(yè)和電氣自動化專業(yè)上過這門課程，課程是以教師講解理論知識為主，結(jié)合多媒體技術(shù)和實驗課程實施教學(xué)。多媒體技術(shù)即從課程自帶的教材和網(wǎng)上搜集各類傳感器的應(yīng)用情景，以增加課堂趣味性和真實性。實驗課程即將傳感器分為常用的幾類傳感器，分別在實驗箱進行試驗和觀察數(shù)據(jù)和結(jié)果。但是，課堂效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性仍然未見成效。經(jīng)過調(diào)查，學(xué)生反映的問題主要如下：

1.課程理論性太強，理論與實踐脫節(jié)，學(xué)生上課一開始是很感興趣的，但是隨著課程開始分類講解各類傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路原理，部分學(xué)生感覺到學(xué)習(xí)難度，也很難與實際生活和工作環(huán)境相結(jié)合，從而喪失學(xué)習(xí)興趣，故出現(xiàn)課堂睡覺、玩手機等分散注意力的現(xiàn)象。

2.雖然有實驗課程，實驗箱的每個項目的接線電路都已經(jīng)固定在安裝處，學(xué)生接觸不到，實用性受到限制，實驗課程未真正系統(tǒng)地讓學(xué)生了解傳感器應(yīng)用環(huán)境中的安裝和數(shù)據(jù)處理及調(diào)試。

3.從傳感器本質(zhì)出發(fā)，探索新的教學(xué)模式，尋找或者發(fā)明新的教學(xué)儀器，讓學(xué)生真正動手參與到課堂活動制作中，變教師一言堂為學(xué)生的自主參與的角色轉(zhuǎn)變。真正模擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)傳感器檢測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理。這樣，前面兩個問題也就迎刃而解了。

三、探索與實踐

針對課程遇到的困難，筆者進行了細(xì)致的分析和探索。

學(xué)習(xí)動機是學(xué)生最好的老師，如何培養(yǎng)學(xué)生對這門課程的興趣主要源于四個方面的因素：

1.斟酌學(xué)習(xí)內(nèi)容的通俗易懂性，應(yīng)針對不同學(xué)生群體，按照職業(yè)教育學(xué)生專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)目標(biāo)，制訂學(xué)科針對性的掌握內(nèi)容，摒棄生澀且在工作崗位上應(yīng)用不到的疑難知識點，將重要知識點和重要操作技能充分在實踐中體現(xiàn)出來。

2.提煉學(xué)習(xí)技能的實用性和適用性，教師應(yīng)在企業(yè)實踐中深入各行各業(yè)了解傳感器的主要用途和需要的操作技能，將其融合到課程中，讓學(xué)生覺得學(xué)有所用。

3.改變課堂的組織形式，變教師一言堂為以學(xué)生能力本位為目的的學(xué)生主導(dǎo)作用的課堂組織形式，融合發(fā)現(xiàn)探索模式和動作技能訓(xùn)練模式、項目教學(xué)模式，讓課堂活起來，將知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀有機結(jié)合。

4.深入研究一體化試驗項目的實施方法，變封閉式教學(xué)為開放式教學(xué)，深入企業(yè)展開研究討論，理論結(jié)合實踐，設(shè)定工作情景，將生產(chǎn)服務(wù)和科技研發(fā)等內(nèi)容有效結(jié)合。

四、新方法的研討

根據(jù)以上分析和研究，結(jié)合“一體化”教學(xué)理念及連續(xù)兩個學(xué)期對《傳感器與自動檢測技術(shù)》的實際改革經(jīng)驗，我通過以下方法對這門課程進行改革。

（一）對學(xué)生素質(zhì)的要求

1.根據(jù)課程技能實踐環(huán)節(jié)的技術(shù)需要，要求學(xué)生在上這門課之前，必須具備基礎(chǔ)電路的基本知識儲備，即有電子電路知識和電工基本功技能。

2.傳感器作為現(xiàn)代檢測技術(shù)的前端探測機構(gòu)，它的作用就是檢測特定待測量，將非電量轉(zhuǎn)換成電量，通過電路處理，傳給核心控制器（單片機或者PLC）處理后控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。故學(xué)生要有單片機基本知識或者PLC基本編程思維。

3.具有計算機基本操作技術(shù)、團隊合作意識及“6S”管理意識等。

（二）對課堂環(huán)境的準(zhǔn)備

1.本課程實施一體化教學(xué)，在基礎(chǔ)教學(xué)環(huán)境之外，需要每組一臺電腦，一套電工工具（萬用表，斜口鉗，導(dǎo)線，電烙鐵，電子元器件等）等。

2.教師提前制訂一體化工作頁和項目資料。

3.傳感器的準(zhǔn)備：按照教學(xué)目標(biāo)和項目要求，準(zhǔn)備幾種常用的傳感器（電阻傳感器、電感傳感器、渦流傳感器、電容傳感器、壓電傳感器、超聲波傳感器、霍爾傳感器、熱電偶傳感器、光電傳感器等）。實驗項目可根據(jù)不同專業(yè)和學(xué)時量進行適當(dāng)增減。

（三）實施方法

以單片機（51或Arduino）作為控制核心，學(xué)生通過前端探測機構(gòu)（傳感器）獲取到檢測量（模擬信號或數(shù)字信號），通過單片機獲取傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，進行處理、校隊、比較，然后單片機對后端執(zhí)行結(jié)構(gòu)進行控制。

具體流程見圖1：

下面，我分別摘取項目課程中的兩個章節(jié)進行具體演示。

例程1.工程項目一：電阻傳感器

電阻傳感器分類：電位傳感器、電阻應(yīng)變傳感器、氣敏電阻傳感器、光敏電阻傳感器、濕敏電阻傳感器。

學(xué)習(xí)內(nèi)容：1.了解電阻傳感器的分類。

2.掌握電阻傳感器的基本原理。

3.學(xué)習(xí)利用電阻傳感器進行測量。

4.掌握誤差分析及數(shù)據(jù)收集和處理。

課堂組織：1.以小組為單位，項目實施法。

2.教師布置任務(wù)并進行現(xiàn)場指導(dǎo)與考察。

3.學(xué)生分配任務(wù)：按工作頁要求，查找相應(yīng)傳感器工作原理、應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)檢測等。

4.接線、編程、調(diào)試、記錄數(shù)據(jù)。

5.完成項目總結(jié)。

任務(wù)布置：利用光敏傳感器檢測環(huán)境光線強度，從而控制蜂鳴器或LED燈顯示，并記錄光線數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)收集和處理。

例程2.工程項目七：超聲波傳感器

學(xué)習(xí)內(nèi)容：1.了解超聲波傳感器的基本知識。

2.掌握超聲波換能技術(shù)及耦合技術(shù)。

3.學(xué)習(xí)利用超聲波傳感器進行測量。

4.掌握誤差分析及數(shù)據(jù)收集和處理。

課堂組織：1.以小組為單位，項目實施法。

2.教師布置任務(wù)并進行現(xiàn)場指導(dǎo)與考察。

3.學(xué)生分配任務(wù)：按工作頁要求，查找相應(yīng)傳感器工作原理、應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)檢測等。

4.接線、編程、調(diào)試、記錄數(shù)據(jù)。

5.完成項目總結(jié)。

任務(wù)布置：利用超聲波傳感器檢測障礙物距離，編程實現(xiàn)檢測功能，并在計算機串口顯示，并記錄障礙物數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)收集和處理。

五、總結(jié)

經(jīng)過課程改革前后對比，學(xué)生的參與度提高了，學(xué)習(xí)效率也提高很多。學(xué)生由原來的被動填鴨式變成項目的實施者和參與者，主動對知識進行搜集和探索;而教師的角色由原來的主導(dǎo)型滿堂灌的上課風(fēng)格變成項目總監(jiān)，只需要對整個課堂進行管控和總結(jié)及疑難解答。

從本課程的改革中，我體會到一體化教學(xué)對課堂帶來的改變、對學(xué)生和教師角色的改變、對教學(xué)效果的改進都是值得反思和推崇的。當(dāng)然，本人力量薄弱，在教學(xué)探索改革中還有一些經(jīng)驗的缺失和不足，希望與大家共同分享和改進！

參考文獻：

[1]唐普霞，張海生，桑峻.基于Arduino平臺的高職電子類課程改革探索與實踐[J].電子世界，2018（2）：95.

[2]李華洲.基于Arduino的高職物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程改革設(shè)計[J].大眾科技，2015，15（1）：164-165.

編輯 鄭曉燕