高職院校基于Arduino的傳感技術(shù)課程教學(xué)研究

摘? 要：針對(duì)高職院校電子類專業(yè)課程體系中傳感技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容綜合性強(qiáng)、對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)要求高、缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)效果不理想的現(xiàn)狀，該文分析了將Arduino開(kāi)源硬件平臺(tái)引入傳感技術(shù)課程的可行性。以Arduino開(kāi)源平臺(tái)為載體，探討了如何在傳感技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、拓展方案和考核方式等方面進(jìn)行改革和實(shí)踐，最后達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：Arduino開(kāi)源硬件? 傳感技術(shù)課程? 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G71 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）04（c）-0023-02

高職電子類專業(yè)課程體系中都有傳感器應(yīng)用技術(shù)這門(mén)課程，傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，對(duì)學(xué)生電子線路、單片機(jī)原理等基礎(chǔ)課程的要求很高，同時(shí)由于很多學(xué)校沒(méi)有建設(shè)相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)室，導(dǎo)致學(xué)生普遍學(xué)習(xí)效果不理想。為了能解決目前這些問(wèn)題，該文首先討論了Arduino開(kāi)源平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，然后探索了將Arduino開(kāi)源平臺(tái)應(yīng)用于傳感技術(shù)教學(xué)改革的具體措施，最后分析了傳感技術(shù)課程教學(xué)的改進(jìn)方向。

1? 傳感技術(shù)相關(guān)課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前的傳感技術(shù)教學(xué)一般按照“模塊—課題—任務(wù)”的方式進(jìn)行，雖然這種教學(xué)模式改進(jìn)了傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容陳舊的缺點(diǎn)，突出了傳感器在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，但是通常任務(wù)中會(huì)涉及很多電子線路和單片機(jī)的知識(shí)，而高職院校的學(xué)生理論基礎(chǔ)普遍較差，過(guò)多的電路分析和程序設(shè)計(jì)內(nèi)容會(huì)讓他們望而卻步，只有少部分學(xué)生能夠達(dá)到理解、分析、完成任務(wù)的要求，所以這種模式不能激發(fā)大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

怎樣融合傳感技術(shù)相關(guān)課程教學(xué)中的“教、學(xué)、做”一體化，提高動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)培養(yǎng)大學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力是課程教學(xué)中亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，有的高校通過(guò)引入新型設(shè)備、建設(shè)一體化實(shí)驗(yàn)室等措施為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但是傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，受限于設(shè)備價(jià)格和更換維護(hù)成本，很多實(shí)驗(yàn)室后續(xù)運(yùn)行效果并不理想。

2? 使用Arduino進(jìn)行傳感技術(shù)課程教學(xué)的策略

Arduino作為最典型的開(kāi)源硬件[1]，其集成硬件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單易用，通過(guò)使用Arduino開(kāi)源平臺(tái)可以大大降低基礎(chǔ)知識(shí)薄弱的電子類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，在提供學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維的同時(shí)，也能夠降低設(shè)備的成本，并滿足當(dāng)下硬件集成化、模塊化的設(shè)計(jì)要求[2]。

2.1 Arduino平臺(tái)簡(jiǎn)述

Arduino平臺(tái)包括硬件和軟件兩個(gè)部分組成，Arduino開(kāi)發(fā)板可以利用預(yù)留的I/O口與各種外設(shè)模組連接，而Arduino平臺(tái)提供的Arduino IDE開(kāi)發(fā)軟件對(duì)底層硬件進(jìn)行了封裝，屏蔽了單片機(jī)的硬件編程細(xì)節(jié)，降低了技術(shù)開(kāi)發(fā)的門(mén)檻[3]。

學(xué)生不僅可以通過(guò)面包板、杜邦線、外設(shè)與Arduino控制板來(lái)搭建硬件電路，在Arduino IDE中編寫(xiě)軟件程序進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。還可以在電腦上使用虛擬的元器件進(jìn)行仿真，可以大大提高實(shí)驗(yàn)的成功率。由于Arduino平臺(tái)開(kāi)源和可擴(kuò)展的特性，越來(lái)越多的外設(shè)和程序庫(kù)能夠支持Arduino，學(xué)生可以逐步從完成簡(jiǎn)單易用的小實(shí)驗(yàn)到進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

2.2 基于Arduino平臺(tái)進(jìn)行傳感技術(shù)課程的教學(xué)改革

（1）構(gòu)建基于Arduino平臺(tái)的傳感器技術(shù)教學(xué)內(nèi)容。

傳感技術(shù)課程一般包括聲音、溫度、濕度、光電、氣體、紅外、磁敏、超聲波等傳感器模塊，在進(jìn)行每種傳感器模塊原理的講解后，可以將相應(yīng)傳感器模塊和Arduino平臺(tái)結(jié)合起來(lái)，先由老師進(jìn)行演示操作，再由學(xué)生完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)豐富的實(shí)驗(yàn)案例，例如Arduino智能聲光感應(yīng)燈、Arduino電子溫度計(jì)、Arduino自動(dòng)澆花系統(tǒng)、Arduino煙霧報(bào)警器、Arduino智能循跡小車、Arduino風(fēng)速測(cè)量裝置、Arduino超聲波測(cè)距儀等有趣的項(xiàng)目，不僅能夠幫助學(xué)生掌握傳感器的特性，還能促進(jìn)學(xué)生了解這些傳感器在工程中的應(yīng)用，在動(dòng)手操作中獲得成就感，增強(qiáng)開(kāi)發(fā)體驗(yàn)。

（2）基于Arduino平臺(tái)的傳感器實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施。

Arduino平臺(tái)可以方便地連接各種傳感器模塊，當(dāng)這些傳感器感知外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)預(yù)先設(shè)定的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)交互產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。下面以人體感應(yīng)小夜燈的制作為例說(shuō)明Arduino平臺(tái)在傳感器教學(xué)中的具體實(shí)施。

該實(shí)驗(yàn)的目的是熟悉熱釋電紅外傳感器的工作特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)信號(hào)的信息獲取，實(shí)驗(yàn)的硬件接線圖如圖1所示。當(dāng)外界光線越暗的時(shí)候光敏電阻阻值越大，分壓越高。而人進(jìn)入人體紅外感應(yīng)模塊的感應(yīng)范圍后，其“OUT”引腳輸出高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍， 該模塊的“OUT”引腳將自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。主程序會(huì)根據(jù)光敏電阻分壓信號(hào)和人體紅外感應(yīng)模塊的輸出來(lái)判斷外界環(huán)境，當(dāng)光敏電阻顯示外界環(huán)境較暗，同時(shí)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，LED燈就會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，給人提供照明。

該實(shí)驗(yàn)還可以擴(kuò)展為其他實(shí)驗(yàn)，比如利用人體紅外感應(yīng)模塊可以在房間無(wú)人時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)家電的關(guān)閉，還可以結(jié)合攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)等。

（3）基于Arduino平臺(tái)的傳感技術(shù)課程教學(xué)考核。

傳感技術(shù)課程考核也由傳統(tǒng)的理論知識(shí)考核轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)考核和技能考核兩個(gè)部分。知識(shí)考核部分主要考查學(xué)生對(duì)傳感器原理、特點(diǎn)的掌握情況，而技能考察通過(guò)對(duì)8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過(guò)程進(jìn)行考核，能夠反映學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)的應(yīng)用情況。

3? 結(jié)語(yǔ)

該文在分析傳感技術(shù)教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了在傳感技術(shù)教學(xué)過(guò)程中引入Arduino實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思路。通過(guò)對(duì)Arduino項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和實(shí)操，學(xué)生能夠?qū)嶋H體會(huì)到傳感技術(shù)在生活中的應(yīng)用，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)造力和團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] Sobota J，Pi lR， Balda P，et al. Raspberry Pi and Arduino boards in control education[J].IFAC Proceedings Volumes，2013，46（17）：7-12.

[2] 陳叢浩，張正中.Arduino的應(yīng)用及發(fā)展前景[J].輕工科技，2018（5）：77-78.

[3] 楊繼志，郭敬.Arduino 的互動(dòng)產(chǎn)品平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（4）：39-41.

基金項(xiàng)目：校級(jí)項(xiàng)目——高職電子類課程進(jìn)行Arduino項(xiàng)目教學(xué)的探索與實(shí)踐（項(xiàng)目編號(hào)：2019YJ001）。

作者簡(jiǎn)介：張芳（1988—），女，漢族，湖北宜昌人，碩士，助教，研究方向：教育教學(xué)。