面向測控技術與儀器專業課程融合的教學研究

王巖巖 鄒麗新 蔣曉慧 錢敏

摘? 要：針對測控技術與儀器專業的兩門課程——傳感器和單片機——的教學現狀，圍繞適用于應用型本科人才的課程融合改革，提出了教學內容、教學方式、實驗內容和考核方式的優化措施，為提升學生的專業綜合素質奠定基礎。

關鍵詞：傳感器;單片機;課程融合;測控技術與儀器

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）03-0122-03

Abstract： In view of the teaching current status of two major courses of Sensor Technology and Micro-controller in the major of Measurement and Control Technology and Instrument， we proposed several optimization measures on teaching content， methods， experimental content and test methods， which mainly focus on the curriculum integration reform for applied undergraduate talents， and lay a good foundation for the improvement of students' comprehensive professional quality.

Keywords： Sensor; Micro-controllers; curriculum integration; Measurement and Control Technology and Instrument

一、概述

單片機與傳感器課程是測控技術與儀器（測控）專業開設的兩門核心專業課。其中，傳感器如同人的皮膚和五官來感知外部信息，而單片機則似人的大腦來處理傳感器所感知的信息并對之做出相應的反饋，兩者知識的融合與運用促進了工業過程測量與控制的飛速發展。然而，在實際的專業教學過程中，這兩門課程存在教學內容相對獨立、理論化教學過重、基礎性實驗占據主導地位、實踐應用性欠缺等問題[1-2]。因此，二者的課程融合研究對于提升測控專業學生的綜合素質以及培養應用型本科學生的實踐能力具有重要意義[3-4]。

二、課程現狀分析

測控技術與儀器專業主要培養具備測量與控制方面的基礎知識與應用能力，能在國民經濟各部門的測量與控制領域內從事有關技術、科技開發等方面的工程技術人才。然而，目前高校在該專業課程設置中存在諸多問題，不利于上述能力的培養，主要包括：

（一）理論化教學過重，課程內容相對獨立

首先，傳感器作為測量控制系統的前端設備，主要對待測信息進行感知。在課程教學過程中，教師主要講述各類基礎傳感器如電阻式、電容式、電感式、熱電式、光電式、壓電式等傳感器的工作原理、測量電路以及部分簡單案例。其次，單片機作為測量控制系統的大腦，主要對已感知的信息進行處理并輸出相應控制信號去控制對應的執行機構作出反應。在實際教學過程中，教師主要講述單片機的組成、指令系統、中斷、串口以及A/D轉換等內容。最后，兩門課程在學時安排上均存在“理論課時居主，實驗課時居輔”的問題，不利于學生綜合實踐能力的培養。此外，在教學過程中，教師只專注于所授課程的內容，未充分考慮兩課程的相關性，從而使兩門課程內容相互割裂，學生亦只學到模塊化的知識，并不能將二者進行有機結合并投入實踐運用。

（二）基礎性實驗占據主導地位

首先，在傳感器課程的實驗內容設置上，其側重于鞏固所授內容的基礎知識點，包括應變片、差動式電容傳感器、差動螺管式電感傳感器、熱電偶、熱電阻、光敏電阻等。實驗所用儀器是浙大科儀的一體式設備，學生在實驗過程中僅能通過設置不同的實驗參數來獲取實驗結果進而分析實驗數據，并不了解所用傳感器的具體參數、適用范圍以及對應電路等信息，從而難以具備根據實際問題選擇合適傳感器的能力。其次，在單片機課程的實驗內容設置上，其主要通過仿真的手段實現部分功能，例如跑馬燈、按鍵控制燈的亮滅、數據段的移動、數據的排序等。通過基礎性實驗課程的培訓，學生僅僅增強了對指令系統以及部分接口的了解，并不能真正提升實際應用能力。此外，兩門課程的實驗內容相互獨立，即便該課程設置在同一學期，學生亦很難通過上述基礎性實驗將兩門課程的內容進行有機整合。

綜上所述，為實現兩門課程的有效融合，需從教學內容、教學方式、實驗內容以及考核方式等方面進行優化改革。

三、基于課程融合的教學改革

（一）教學內容優化

推陳出新，結合應用，豐富原有內容。首先，傳感器課程在授課內容上需進行細化和補充，即在原來基礎上引入工業中常用傳感器知識，分析具體傳感器類型及其適用場合和對應電路，如針對不同的測溫場合選擇合適的測溫傳感器。其次，單片機課程在授課過程中可引入具體案例來豐富抽象的理論知識。此外，在講授單片機基本功能的基礎上補充對傳感器所測數據的處理部分，如對溫度傳感器DS18B20輸出數據的處理。可結合具體案例，讓兩門課程內容互通融合，從而加深學生對知識的理解和掌握。

（二）教學方式優化

采用多樣化教學手段，綜合提升教學質量。除了傳統的板書和PPT教學，可在授課過程中引入案例教學，例如：針對復雜或體積較大的傳感控制系統如滾柱直徑分揀系統等，可以引入視頻實物教學;而針對簡單易攜的傳感控制系統如尋軌小車等，則可將實物帶入課堂進行講解。值得注意的是，案例式教學內容囊括了整個測量控制系統，其既包含了傳感器的選擇和使用，也涉及到單片機對信號的處理以及對執行機構的反饋。該方式有助于整合學生所學知識，同時激發學生的學習興趣。

（三）實驗內容優化

更新實驗內容，增設綜合性實驗部分。基礎性實驗固不可缺，其有助于學生鞏固已有課程知識，但綜合性實驗則更有利于兩門課程知識的整合和運用。綜合性實驗主要包括傳感器的選擇和應用、單片機的應用、軟硬件設計和分析以及對測量數據的處理和測量參數的校準等，旨在提升學生的知識運用能力和創新能力。表1為筆者列舉的部分參考性綜合實驗的設置內容[5]。

綜合性實驗的引入可以采用兩種方式：（1）在原有學

時基礎上增加額外學時，即加大實驗學時數;（2）教師在課堂上對實驗內容及要求進行簡單闡述，學生利用課余時間結合所學知識獨立或分組完成，課堂上再利用部分時間討論課下出現的問題并共同研討解決的方法。

（四）考核方式優化

完善考核制度，避免期末獨大。現有考核方式主要以期末考試為主，平時成績為輔，導致很多學生平時不學習，期末考試突擊過關，與學院的培養初衷相背離。因此，對于部分知識模塊較獨立的課程如傳感器，可以引入過程化考核方式，從而督促學生養成日常學習的好習慣。對于知識模塊間聯系緊密且應用性較強的課程如單片機，可以適當擴大實驗成績占比即增加綜合性實驗部分，通過學生實驗過程中對元器件的選擇、電路板焊接、軟硬件測試等各方面的表現來綜合給分。

四、教學反饋

首先，在教學內容融合方面，本院將傳感器和單片機課程引入測控專業大三上學期。教學過程中，教師通過基礎知識講解結合實際案例引入的互補型授課模式，提升了課程的趣味性和實用性。同時，授課過程中配合基礎性實驗的展開，加深了學生對所學知識的理解。其次，在上述教學模式的基礎上，該專業于大三下學期引入了綜合性實驗。該綜合性實驗采用分組模式，由教師給出實驗題目或學生根據興趣自行命題。接著，學生根據題目要求選擇所需傳感器以及其它電子元器件，設計相關電路，最終以作品的形式予以呈現。圖1所示為由學生自主設計的基于DS18B20溫度傳感器以及STC89C52單片機的溫度監測系統，該系統可對所設范圍內的環境溫度進行監測，一旦超出設定閾值則報警燈亮。如圖所示，此時溫度設定范圍為19～24℃，而實際環境溫度為26.06℃，故下方報警燈點亮。

綜上可以看出，綜合性實驗的引入可以有效鞏固學生對兩門課程基礎知識的掌握，同時培養學生查閱文獻資料和產品手冊、系統軟硬件設計以及調試的能力，進而提升學生的綜合素質。

五、結束語

測控技術與儀器專業的兩門專業課程——單片機和傳感器對于學生綜合實踐能力的提升非常重要，將兩門課程有機融合，不僅可以鞏固學生對所學知識的掌握，還能鍛煉學生的思維方式和動手能力。本文從兩門主干課程的教學內容、教學方式、實驗內容以及考核方式分別提出了合理化的建議，可有效提高學生的綜合實踐能力，符合用人單位對該專業學生知識和能力水平的要求。

參考文獻：

[1]謝春利，劉俊杰.應用型本科傳感器技術課程的教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2018，13：123-124.

[2]陳曉.基于項目的單片機與傳感器課程融合教學研究[J].教育現代化，2018，32：275-277.

[3]洪海濤.面向應用型創新人才培養的測試技術教學改革研究[J].大學教育，2018，4：155-157.

[4]李東升，李文軍，等.地方高校特色專業培育方法研究——以測控技術與儀器專業為例[J].中國大學教學，2010，10：80-82.

[5]鄒麗新，陳蕾，等.單片微型計算機實驗與實踐[M].蘇州：蘇州大學出版社，2017：120-123.