將Arduino技術引進傳感器與自動檢測技術的課程改革

程瑩

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

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

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

一、研究背景

自工業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代新技術對人類生活和工作環境的影響和改變。如無人飛機、無人駕駛技術、智能交通系統、智能灌溉系統、智能家居系統、無人車間等，徹底改變了人類的生活方式，傳統的流水線工作、駕駛員、快遞員等都面臨著下崗危機，取而代之，出現了自動檢測安裝與調試、物聯網技術、工業機器人等系列工種出現缺口。這些新工種的主要技術就是對傳感器的學習、安裝與檢測調試。傳感器作為自動檢測和現代智能設備的前端探測機構，之所以在各類專業中占有重要位置，與其專業研究、學習內容及工程實施和社會發展有不可或缺的關系。時代對自動檢測技術工種的技術要求，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、調試傳感器的專業人員。

這就要求作為培養技術工人的職業技術院校、中等職業技術學校，在實施這類課程教學的時候，就必須結合實際、結合生產生活現狀、結合各類新型工作環境的變化，實施課堂改革，將一體化教學模式真正引入課堂，讓學生不僅能學到傳感器的理論知識，更能結合工作情景動手檢測和調試各類傳感器，從而達到拉近學校與工作崗位的距離，減少學生上崗適應時間，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開展傳感器與自動檢測技術這門課程，大部分專業都是作為專業理論課設定，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+實訓課的形式分別在機械自動化專業和電氣自動化專業上過這門課程，課程是以教師講解理論知識為主，結合多媒體技術和實驗課程實施教學。多媒體技術即從課程自帶的教材和網上搜集各類傳感器的應用情景，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據和結果。但是，課堂效果和學生的學習積極性仍然未見成效。經過調查，學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，學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部結構和電路原理，部分學生感覺到學習難度，也很難與實際生活和工作環境相結合，從而喪失學習興趣，故出現課堂睡覺、玩手機等分散注意力的現象。

2.雖然有實驗課程，實驗箱的每個項目的接線電路都已經固定在安裝處，學生接觸不到，實用性受到限制，實驗課程未真正系統地讓學生了解傳感器應用環境中的安裝和數據處理及調試。

3.從傳感器本質出發，探索新的教學模式，尋找或者發明新的教學儀器，讓學生真正動手參與到課堂活動制作中，變教師一言堂為學生的自主參與的角色轉變。真正模擬現實學習傳感器檢測數據及數據處理。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，筆者進行了細致的分析和探索。

學習動機是學生最好的老師，如何培養學生對這門課程的興趣主要源于四個方面的因素：

1.斟酌學習內容的通俗易懂性，應針對不同學生群體，按照職業教育學生專業素質培養目標，制訂學科針對性的掌握內容，摒棄生澀且在工作崗位上應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出來。

2.提煉學習技能的實用性和適用性，教師應在企業實踐中深入各行各業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，讓學生覺得學有所用。

3.改變課堂的組織形式，變教師一言堂為以學生能力本位為目的的學生主導作用的課堂組織形式，融合發現探索模式和動作技能訓練模式、項目教學模式，讓課堂活起來，將知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀有機結合。

4.深入研究一體化試驗項目的實施方法，變封閉式教學為開放式教學，深入企業展開研究討論，理論結合實踐，設定工作情景，將生產服務和科技研發等內容有效結合。

四、新方法的研討

根據以上分析和研究，結合“一體化”教學理念及連續兩個學期對《傳感器與自動檢測技術》的實際改革經驗，我通過以下方法對這門課程進行改革。

（一）對學生素質的要求

1.根據課程技能實踐環節的技術需要，要求學生在上這門課之前，必須具備基礎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.傳感器作為現代檢測技術的前端探測機構，它的作用就是檢測特定待測量，將非電量轉換成電量，通過電路處理，傳給核心控制器（單片機或者PLC）處理后控制執行機構的動作。故學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、團隊合作意識及“6S”管理意識等。

（二）對課堂環境的準備

1.本課程實施一體化教學，在基礎教學環境之外，需要每組一臺電腦，一套電工工具（萬用表，斜口鉗，導線，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.傳感器的準備：按照教學目標和項目要求，準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）。實驗項目可根據不同專業和學時量進行適當增減。

（三）實施方法

以單片機（51或Arduino）作為控制核心，學生通過前端探測機構（傳感器）獲取到檢測量（模擬信號或數字信號），通過單片機獲取傳感器監測的數據，進行處理、校隊、比較，然后單片機對后端執行結構進行控制。

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。

學習內容：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.學習利用電阻傳感器進行測量。

4.掌握誤差分析及數據收集和處理。

課堂組織：1.以小組為單位，項目實施法。

2.教師布置任務并進行現場指導與考察。

3.學生分配任務：按工作頁要求，查找相應傳感器工作原理、應用范圍、數據檢測等。

4.接線、編程、調試、記錄數據。

5.完成項目總結。

任務布置：利用光敏傳感器檢測環境光線強度，從而控制蜂鳴器或LED燈顯示，并記錄光線數據，進行數據收集和處理。

例程2.工程項目七：超聲波傳感器

學習內容：1.了解超聲波傳感器的基本知識。

2.掌握超聲波換能技術及耦合技術。

3.學習利用超聲波傳感器進行測量。

4.掌握誤差分析及數據收集和處理。

課堂組織：1.以小組為單位，項目實施法。

2.教師布置任務并進行現場指導與考察。

3.學生分配任務：按工作頁要求，查找相應傳感器工作原理、應用范圍、數據檢測等。

4.接線、編程、調試、記錄數據。

5.完成項目總結。

任務布置：利用超聲波傳感器檢測障礙物距離，編程實現檢測功能，并在計算機串口顯示，并記錄障礙物數據，進行數據收集和處理。

五、總結

經過課程改革前后對比，學生的參與度提高了，學習效率也提高很多。學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型滿堂灌的上課風格變成項目總監，只需要對整個課堂進行管控和總結及疑難解答。

從本課程的改革中，我體會到一體化教學對課堂帶來的改變、對學生和教師角色的改變、對教學效果的改進都是值得反思和推崇的。當然，本人力量薄弱，在教學探索改革中還有一些經驗的缺失和不足，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的高職物聯網相關課程改革設計[J].大眾科技，2015，15（1）：164-165.

編輯 鄭曉燕