張 進(jìn)

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

傳感與檢測(cè)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，是制造業(yè)自動(dòng)化和信息化的基礎(chǔ)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為自動(dòng)化智能設(shè)備的關(guān)鍵部件及物聯(lián)網(wǎng)采集信息的終端工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、國(guó)防科技等領(lǐng)域?！皞鞲信c檢測(cè)技術(shù)”是通信技術(shù)、電子信息工程等專業(yè)的一門必修課程，涉及物理、化學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)等多門學(xué)科知識(shí)，滲透信息采集、信息處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制等工程方法，是一門理論性、實(shí)踐性、綜合性都很強(qiáng)的課程[1]。

1 課程及學(xué)情分析

“傳感與檢測(cè)技術(shù)”課程涉及學(xué)科種類多，內(nèi)容廣泛，知識(shí)點(diǎn)分散，給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來一定困難。同時(shí)，傳感器類型繁多，實(shí)用性很強(qiáng)，僅靠課本上理論知識(shí)，學(xué)生無法真正掌握不同傳感器的原理和應(yīng)用。隨新型材料的出現(xiàn)和加工工藝的改進(jìn)，新型傳感器也不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)的以教師講授為主、輔助驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也跟不上社會(huì)和科技發(fā)展的步伐，不符合現(xiàn)代高職教育的培養(yǎng)目標(biāo)。

本課程學(xué)習(xí)對(duì)象為高職類電子信息工程及通信技術(shù)專業(yè)大三學(xué)生，學(xué)歷為高中或職高起點(diǎn)，知識(shí)基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)主動(dòng)性差。傳統(tǒng)教學(xué)重理論輕實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單模仿操作，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生所學(xué)知識(shí)理論與實(shí)際應(yīng)用相脫節(jié)，實(shí)踐動(dòng)手能力不強(qiáng)，學(xué)習(xí)效率不高。

2 Arduino電子平臺(tái)與課程

2.1 Arduino電子平臺(tái)的特點(diǎn)

Arduino是一個(gè)開放源碼電子原型平臺(tái)，編譯環(huán)境簡(jiǎn)易，工作流程簡(jiǎn)單，軟件和硬件開源且易于擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)使用，用戶能夠更快完成項(xiàng)目開發(fā)，節(jié)約學(xué)習(xí)成本，縮短開發(fā)周期。

Arduino平臺(tái)現(xiàn)已廣泛用于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面，其開發(fā)套件具有模塊化結(jié)構(gòu)，提供了各種不同類型類傳感器模塊，模塊之間提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的接口。使用者根據(jù)需要，可以在一塊面板上搭接完成電路，利用簡(jiǎn)潔的編程語言，就可以實(shí)現(xiàn)各種傳感器的應(yīng)用。Arduino開源電子平臺(tái)可以與不同類型傳感器電路相結(jié)合，搭接各種典型應(yīng)用電路，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，電路搭建方便，易于進(jìn)一步功能擴(kuò)展，為學(xué)生接觸和使用傳感器、掌握其原理和應(yīng)用搭建了一個(gè)開源設(shè)計(jì)平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)了學(xué)以致用。Arduino開源電子平臺(tái)的出現(xiàn)，為教育環(huán)境現(xiàn)狀下，高職院?！皞鞲信c檢測(cè)技術(shù)”課程的改革實(shí)施提供了新的思路[2]。

2.2 Arduino電子平臺(tái)與課程融合構(gòu)建優(yōu)勢(shì)

(1)Arduino平臺(tái)及開發(fā)套件包含的傳感器種類眾多，分為數(shù)字傳感器和模擬傳感器兩大類，種類達(dá)五十多種，基本涵蓋了該課程所學(xué)的全部傳感器類型。這些傳感器具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的接口，方便進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，師生可以根據(jù)課程需要選擇合適類型的傳感器。

(2)利用Arduino平臺(tái)及開發(fā)套件設(shè)計(jì)傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，模塊接口標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)容易上手，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單接線和編程設(shè)計(jì)，就能完成原有課程中難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，省略了硬件調(diào)試過程，大大提高學(xué)習(xí)效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

(3)Arduino平臺(tái)及開發(fā)套件攜帶和使用方便，學(xué)生不受時(shí)間和空間的限制，利用課上或課余時(shí)間完成項(xiàng)目制作，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室資源，提高了工作效率。

(4)基于Arduino平臺(tái)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)是利用編程實(shí)現(xiàn)硬件控制，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，搭建方便，易于擴(kuò)展。學(xué)生可以依據(jù)個(gè)人興趣，在典型電路基礎(chǔ)上，開發(fā)諸如3D打印、自平衡機(jī)器人、WiFi遙控智能小車、MINI四軸飛行器等創(chuàng)新項(xiàng)目。這些項(xiàng)目不僅充實(shí)和豐富了教學(xué)內(nèi)容，還激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究與探索的興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)意識(shí)，增強(qiáng)參與各項(xiàng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽的能力。

3 構(gòu)建方法及實(shí)施

針對(duì)以上的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方式存在的問題，依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，將Arduino電子設(shè)計(jì)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)與本課程相結(jié)合，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整合和設(shè)計(jì)。

課程內(nèi)容的選擇以學(xué)生需求為導(dǎo)向，教學(xué)模式以學(xué)生動(dòng)手操作為主，借助簡(jiǎn)單的開發(fā)方式、開源的軟硬件資源，使學(xué)生能更快上手，更加關(guān)注項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)傳感器知識(shí)運(yùn)用于創(chuàng)新實(shí)踐操作中。

3.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本課程教學(xué)內(nèi)容共分為9大模塊，其中，1—2為準(zhǔn)備知識(shí)，分別為檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)及Arduino開發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)知識(shí)；其后3—9為7個(gè)單元，分別涵蓋溫濕度、力敏、氣敏、光敏、超聲波及無線傳感技術(shù)等方面。本課程精心設(shè)計(jì)了12個(gè)項(xiàng)目，共包含17種不同類型傳感器，項(xiàng)目新穎有趣，貼近生活，實(shí)用性強(qiáng)，便于操作實(shí)現(xiàn)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和探究的興趣。項(xiàng)目所需要的傳感器在Arduino電子平臺(tái)上有實(shí)物，學(xué)生能夠根據(jù)項(xiàng)目具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程，完成對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目?jī)?nèi)容[3-4]。具體內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配如表1所示。

表1 “傳感與檢測(cè)技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3.2 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，課堂教學(xué)是以教師講授為主、輔助驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)習(xí)效率也不高。針對(duì)高職學(xué)生的培養(yǎng)特點(diǎn)，將原有被動(dòng)式學(xué)習(xí)改為主動(dòng)式學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)共同學(xué)習(xí)[5]。 下面以單元4項(xiàng)目2光敏感應(yīng)燈設(shè)計(jì)為例，介紹教學(xué)實(shí)施過程。

(1)知識(shí)引入：教師在課上利用課件PPT、視頻及實(shí)物等資料，向?qū)W生講授光敏傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)分類、傳感器測(cè)量電路及適用范圍。

(2)項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)：根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)，提出設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)原理，將學(xué)生分為不同小組，每組2～3人，在老師指導(dǎo)下，各小組同學(xué)自行討論，并提出各自設(shè)計(jì)方案。

(3)完成電路接線圖：按照設(shè)計(jì)方案，畫出電路接線圖，在Arduino開發(fā)平臺(tái)上搭建電路。

(4)編寫程序代碼：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行編程及程序調(diào)試，完成光敏感應(yīng)燈的功能調(diào)試。

(5)編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告：分組編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析。

(6)演示和講解：分組進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程及結(jié)果的演示和講解，教師點(diǎn)評(píng)并考核打分。

3.3 考核方式設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)課程考核方式存在的問題，對(duì)本課程的考核方式進(jìn)行了相應(yīng)的改革。減少對(duì)書本知識(shí)的死記硬背，加強(qiáng)對(duì)各類傳感器原理及應(yīng)用的理解和掌握。考核方式按照項(xiàng)目進(jìn)行，并分組完成。根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)要求布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生利用課上及課余時(shí)間設(shè)計(jì)并完成相關(guān)傳感器電路搭接、編程及調(diào)試，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每完成一個(gè)項(xiàng)目，都要進(jìn)行相應(yīng)考核。

本課程按照教學(xué)過程與成果導(dǎo)向相結(jié)合的考核方式，分平時(shí)考核(30%)、項(xiàng)目考核(40%)、期末考核(30%)3個(gè)部分，進(jìn)行綜合成績(jī)?cè)u(píng)定。

(1)平時(shí)考核，包括：出勤、課堂提問及表現(xiàn)、課后作業(yè)等環(huán)節(jié)。

(2)項(xiàng)目考核，學(xué)生以小組為單位，在完成指定項(xiàng)目以后進(jìn)行演示和講解；根據(jù)每位學(xué)生在分組中的表現(xiàn)進(jìn)行考核打分。考核內(nèi)容為實(shí)際項(xiàng)目中硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程設(shè)計(jì)，考核指標(biāo)包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、理論和實(shí)踐結(jié)合能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)等。

(3)期末考核要求學(xué)生獨(dú)立完成一份大作業(yè)。確定設(shè)計(jì)報(bào)告題目，要求在指定時(shí)間內(nèi)根據(jù)所學(xué)知識(shí)，完成一篇相關(guān)傳感器實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)報(bào)告，主要內(nèi)容包括傳感器原理、所選元器件型號(hào)、測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)組成等?？己酥笜?biāo)包括報(bào)告的格式規(guī)范、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性、理論知識(shí)掌握情況及綜合應(yīng)用能力等。

4 基于Arduino電子平臺(tái)的課程教學(xué)效果

2019—2020年的第一學(xué)期，在江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018級(jí)電子專業(yè)開設(shè)的“傳感與檢測(cè)技術(shù)”課程中，引入Arduino電子平臺(tái)，將其與課程內(nèi)容進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，按照表1重構(gòu)課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)7個(gè)單元共12個(gè)新穎的教學(xué)項(xiàng)目，將傳統(tǒng)授課方式中的難點(diǎn)以項(xiàng)目的方式靈活呈現(xiàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和課堂參與度顯著提高，取得了較好的教學(xué)效果。

經(jīng)過實(shí)踐，該課程的學(xué)生成績(jī)合格率大幅提升，學(xué)生網(wǎng)上評(píng)教成績(jī)也有較大提高。學(xué)生普遍認(rèn)為，該課程的學(xué)習(xí)幫助他們將理論知識(shí)靈活運(yùn)用于實(shí)踐，對(duì)后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)起到很好的作用。經(jīng)過本課程學(xué)習(xí)，有部分學(xué)生對(duì)傳感器產(chǎn)生了濃厚興趣，自己設(shè)計(jì)一些時(shí)尚有趣、富有創(chuàng)意的電子產(chǎn)品，如搖擺溫度計(jì)、光控臺(tái)燈、自動(dòng)避障小車等。也有學(xué)生在老師指導(dǎo)下，參與開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居、工業(yè)檢測(cè)、個(gè)人健康等方面的創(chuàng)新產(chǎn)品，例如，學(xué)生參與設(shè)計(jì)的“基于語音控制的便捷式環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)儀”等項(xiàng)目，在全國(guó)電子專業(yè)技能大賽、電子設(shè)計(jì)大賽等賽事中都獲得了較好的成績(jī)。

5 結(jié)語

通過江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018級(jí)電子專業(yè)傳感器課程的教學(xué)實(shí)踐可知，Arduino電子平臺(tái)與傳感器課程融合構(gòu)建的教學(xué)改革，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究精神，提高了實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神，增強(qiáng)參與各項(xiàng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽的能力，使學(xué)生了解企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)過程，對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，參加各種技能競(jìng)賽及未來就業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，提高了課堂教學(xué)質(zhì)量，提升了教師的專業(yè)知識(shí)和業(yè)務(wù)水平，為教育環(huán)境現(xiàn)狀下高職院?！皞鞲信c檢測(cè)技術(shù)”課程的改革實(shí)施提供了新的思路。