基于課程融合視角下傳感器課程改革探索與實(shí)踐

隋美娥，楊俊卿(通訊作者)

（1.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院，山東青島，266404；2.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島，266590）

0 引言

青島市自2015年已在智能家電、軌道交通、汽車等產(chǎn)業(yè)開(kāi)啟了智能制造先進(jìn)示范試點(diǎn)。隨著智能制造在企業(yè)的大量使用，加之智能傳感技術(shù)的快速發(fā)展，使我們的生產(chǎn)效率與質(zhì)量大幅提升，但卻對(duì)企業(yè)相關(guān)智能維護(hù)、維修等崗位技術(shù)人才的綜合能力，提出了新的要求。通過(guò)前期對(duì)中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、海爾集團(tuán)等相關(guān)智能制造試點(diǎn)示范企業(yè)的走訪調(diào)研獲知，當(dāng)前智能制造的主要特征為：（1）生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的傳感、監(jiān)測(cè)的信息化與實(shí)時(shí)化；（2）機(jī)器人的自動(dòng)控制及柔性操作；（3）制造工藝設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)規(guī)劃的智能化、知識(shí)化[1]。不難看出監(jiān)控、傳感、網(wǎng)絡(luò)、柔性、自動(dòng)化等核心技術(shù)成為智能制造的技術(shù)基礎(chǔ)，而傳感器作為“智”能制造的前端設(shè)備，在生產(chǎn)中起著關(guān)鍵作用。學(xué)生未來(lái)面對(duì)的職業(yè)崗位有可能不僅僅是傳統(tǒng)的設(shè)備操作與維修，更多的要面對(duì)融合各種傳感器傳輸信號(hào)的故障，尋根求源，找出問(wèn)題，解決問(wèn)題。

以往以講授傳感器基礎(chǔ)知識(shí)為主的教學(xué)，學(xué)生缺少了動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，也就缺少了傳感器調(diào)試、維護(hù)等崗位必備的基本技能，也缺乏了應(yīng)對(duì)突發(fā)故障，臨危不亂，迎難而上的精神。因此，對(duì)于傳感器教學(xué)，必須要加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐、培養(yǎng)其創(chuàng)新思維與能力，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的設(shè)備檢修問(wèn)題，提高學(xué)生的職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 融多課程知識(shí)一體課程開(kāi)發(fā)，提升崗位競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力

在智能制造生產(chǎn)中，工業(yè)控制自動(dòng)化、信息化將成為基本的操作技能，為了適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升學(xué)生的職業(yè)適應(yīng)力與競(jìng)爭(zhēng)力，必須補(bǔ)上信息化、自動(dòng)化等這些短板。短板的實(shí)現(xiàn)不是簡(jiǎn)單的單門知識(shí)的補(bǔ)充，而需要多門課程知識(shí)的融合。在進(jìn)行課程融合的同時(shí)也應(yīng)該借鑒職業(yè)培訓(xùn)的課程體系，根據(jù)當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展不斷調(diào)整融入新時(shí)代的信息技術(shù)，使學(xué)生能夠較快適應(yīng)崗位的需求并能得到提升[2,3]。

比如在現(xiàn)代工業(yè)控制生產(chǎn)線上，需將傳感器、PLC、變頻、伺服、組態(tài)、觸摸屏技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這個(gè)融合單靠獨(dú)立的每門課堂教學(xué)是很難實(shí)現(xiàn)的，必須結(jié)合課程的綜合實(shí)訓(xùn)和課外第二課堂，每個(gè)學(xué)生有任務(wù)，才能激發(fā)其不斷查找問(wèn)題，解決問(wèn)題，在此過(guò)程中，不僅鞏固了專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，提高了職業(yè)能力，同時(shí)培養(yǎng)了其創(chuàng)新能力，以期達(dá)到企業(yè)的需求。

現(xiàn)代“智”造企業(yè)，普遍希望學(xué)生能具備處理綜合故障的能力及一定的創(chuàng)新能力與思維，為今后設(shè)備、流程等的升級(jí)改造奠定基礎(chǔ)。對(duì)于高職學(xué)生來(lái)說(shuō)，自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新的能力不足，動(dòng)力不夠。創(chuàng)新思維的培養(yǎng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，不是僅僅開(kāi)設(shè)一門創(chuàng)新課就能解決的，它是一個(gè)由量變到質(zhì)變逐漸形成，逐步提升的過(guò)程[4]。如果僅僅讓其靠自身能力去培養(yǎng)，去提升，效果可想而知。學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生一定要在它進(jìn)行最多的活動(dòng)中進(jìn)行引導(dǎo)，那就是課堂教學(xué)。我院電氣專業(yè)在實(shí)施一體化創(chuàng)新課堂中，積極嘗試，不斷探索，通過(guò)一體化的專業(yè)課程構(gòu)建，將創(chuàng)新思維與創(chuàng)新意識(shí)逐漸融入學(xué)生的日常課程，將其變?yōu)橐环N潛移默化的習(xí)慣。

2 多課程知識(shí)一體的傳感器創(chuàng)新課堂探索

對(duì)于傳感器，究其作用就是檢測(cè)所要探測(cè)的各種各樣的信號(hào)，如溫度、濕度、氣體濃度、紅外傳感信號(hào)、虹膜信號(hào)、視覺(jué)影像信號(hào)、GPS信號(hào)等等，如果僅僅只是停留在原理層面的傳授上，學(xué)生很難去理解它的應(yīng)用，更不用說(shuō)，在需要的時(shí)候，能想到用這種傳感器進(jìn)行項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)改造，因此傳感器的實(shí)際項(xiàng)目制作對(duì)高職層面學(xué)生理解傳感器及應(yīng)用是一種有效的手段。

■2.1 融多門課程知識(shí)一體化項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

傳感器的項(xiàng)目制作，離不開(kāi)多門課程知識(shí)的融合，模擬電子、數(shù)字電子、單片機(jī)課程等，因此在項(xiàng)目中，嘗試探索以《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《現(xiàn)代傳感器綜合應(yīng)用》、《單片機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)》等電氣類專業(yè)核心課為依托，打破原有課程獨(dú)立授課，知識(shí)碎片化問(wèn)題，進(jìn)行一體化項(xiàng)目課程開(kāi)發(fā)與實(shí)踐，將幾門課程的知識(shí)融合于某一具體傳感實(shí)踐任務(wù)中，做到知識(shí)學(xué)為所用。

我們以交警查酒駕的酒精檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與制作為例進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，例如：假如某人已飲酒，在酒駕檢測(cè)中，一般通過(guò)吸管吹氣，這樣帶有酒精的氣體，通過(guò)MQ-3酒精傳感器（《現(xiàn)代傳感器綜合應(yīng)用》）就可以直接檢測(cè)出它的酒精濃度。

（1）基礎(chǔ)項(xiàng)目：能不能直觀的分開(kāi)，無(wú)飲酒、酒駕與醉駕呢？同學(xué)們回答，可以用不同顏色的燈進(jìn)行區(qū)分（《模擬電子技術(shù)》），思路很好，那么燈如何根據(jù)濃度的變化進(jìn)行指示呢？這個(gè)問(wèn)題比較專業(yè)，一般學(xué)生想不到，由老師提供引導(dǎo)，利用LM3914（《數(shù)字電子技術(shù)》），這是一款專門驅(qū)動(dòng)LED燈的芯片。好，第一種方案落成。

（2）拓展項(xiàng)目：還有同學(xué)問(wèn)，老師，我看到的酒精檢測(cè)儀是可以顯示濃度值的，這樣更有說(shuō)服力。那濃度值如何用數(shù)字顯示出來(lái)呢？這里我們可以有不同的方案，一種是ICL7107芯片（《數(shù)字電子技術(shù)》），這是一款專門驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的芯片，一種是采用液晶顯示屏（《單片機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)》），或者串口監(jiān)視器，這就必須用到單片機(jī)編程的知識(shí)，同學(xué)們被一步步啟發(fā)。

（3）提升項(xiàng)目：同學(xué)們很棒，電路設(shè)計(jì)好了，如果我們要設(shè)計(jì)一款產(chǎn)品的話，那就必須利用Solidworks（《工程制圖》）等工程設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行外殼設(shè)計(jì)。這需要同學(xué)們利用網(wǎng)絡(luò)資源，自行學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)，分享。最后，可以利用3D打印機(jī)打印產(chǎn)品外殼。

通過(guò)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)一步步引導(dǎo)，將多門課程知識(shí)融入項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，并在運(yùn)用多門課程知識(shí)的同時(shí)，開(kāi)拓思路，將創(chuàng)新思維融入課堂教學(xué)，潛移默化，層層吸收。同時(shí)，促進(jìn)一體化創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)行分層次、多角度開(kāi)發(fā)案例，為提升整體創(chuàng)新能力提供智力保障。

■2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作

以傳感器課程項(xiàng)目二：氣體成分濃度測(cè)量為例，如表1所示，本項(xiàng)目以酒精濃度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)為任務(wù)點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)傳感器在生產(chǎn)、生活中實(shí)際應(yīng)用電路，將安裝、使用、故障檢測(cè)、技能創(chuàng)新融合，讓學(xué)生在實(shí)踐中提升綜合能力。

我們以任務(wù)1：酒精濃度檢測(cè)中的子任務(wù)2:基于LM3914的酒精濃度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與制作為例，此項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)功能為：當(dāng)酒精濃度逐漸增加時(shí)，LED燈由綠色逐漸過(guò)渡到紅色，且濃度越高，燈點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)越多。此任務(wù)中，為了驅(qū)動(dòng)LED燈，用到《數(shù)字電子技術(shù)》中的LM3914芯片，同時(shí)對(duì)于LED燈的接法，有共陰和共陽(yáng)極兩種接法，如何連接？這是《模擬電子技術(shù)》課程的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)酒精傳感器，實(shí)質(zhì)就是一個(gè)隨濃度調(diào)節(jié)的可變電阻，由于Proteus中沒(méi)有MQ-3仿真模塊，故電路中，采用滑動(dòng)變阻器進(jìn)行替代，另外，電路基準(zhǔn)濃度、靈敏度的調(diào)節(jié)都需要《模擬電子技術(shù)》課程中的電路分析知識(shí)。

表1 傳感器項(xiàng)目任務(wù)

為了提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，提高故障檢測(cè)與排除技能，課堂上分小組完成分立元件實(shí)物電路調(diào)試，如圖1所示。仿真虛擬設(shè)計(jì)如圖2所示，虛實(shí)結(jié)合，通過(guò)直觀形象的項(xiàng)目技術(shù)，同學(xué)們不僅收獲了項(xiàng)目成功的喜悅，同時(shí)通過(guò)多信息化手段使項(xiàng)目調(diào)試變得輕松自如。

圖1 基于LM3914的酒精濃度檢測(cè)儀的實(shí)物圖

圖2 基于LM3914的酒精濃度檢測(cè)儀的仿真圖

圖3 基于Arduino的酒精濃度檢測(cè)儀的仿真圖

另外，為了拓展項(xiàng)目制作，我們利用第二課堂和學(xué)習(xí)通平臺(tái)，展示利用Arduino單片機(jī)制作的酒精檢測(cè)儀，如圖3所示，當(dāng)然這部分內(nèi)容相對(duì)比較綜合，作為對(duì)課程特別感興趣的科創(chuàng)小組的特殊任務(wù)進(jìn)行課后制作，完成后，拍視頻和PPT，課堂上給同學(xué)們進(jìn)行展示。通過(guò)這種方式，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的分層化，學(xué)生能力得到不同程度的提升。

■2.3 師資激勵(lì)

創(chuàng)新教學(xué)模式需要老師打破以前的教學(xué)方式，對(duì)老師來(lái)說(shuō)，也是一種挑戰(zhàn)。如何激發(fā)老師改革的動(dòng)力，促進(jìn)課程能力提升也是我們需要關(guān)注的話題。目前，學(xué)校在課程改革方面給與了老師足夠的空間，提高了教師課程改革的自信心。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了現(xiàn)代“智”造企業(yè)中智能生產(chǎn)的基本特征，提出了傳感器課程以項(xiàng)目制作為中心，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，提升應(yīng)對(duì)復(fù)雜設(shè)備故障檢修能力，提高其職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。這些綜合能力不能僅靠單門課程知識(shí)獲得，進(jìn)而提出了融多門課程知識(shí)一體進(jìn)行傳感器項(xiàng)目綜合設(shè)計(jì)，同時(shí)融合多種信息化教學(xué)手段，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。