高職院校基于Arduino的傳感技術(shù)課程教學(xué)研究

摘? 要：針對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、對基礎(chǔ)知識要求高、缺乏實驗設(shè)備、教學(xué)效果不理想的現(xiàn)狀，該文分析了將Arduino開源硬件平臺引入傳感技術(shù)課程的可行性。以Arduino開源平臺為載體，探討了如何在傳感技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容、實驗項目、拓展方案和考核方式等方面進行改革和實踐，最后達到了良好的教學(xué)效果。

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

中圖分類號：G71 ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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)這門課程，傳統(tǒng)教學(xué)過程中，對學(xué)生電子線路、單片機原理等基礎(chǔ)課程的要求很高，同時由于很多學(xué)校沒有建設(shè)相應(yīng)的實訓(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題，該文首先討論了Arduino開源平臺的優(yōu)勢，然后探索了將Arduino開源平臺應(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)”的方式進行，雖然這種教學(xué)模式改進了傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容陳舊的缺點，突出了傳感器在工程實踐中的應(yīng)用，但是通常任務(wù)中會涉及很多電子線路和單片機的知識，而高職院校的學(xué)生理論基礎(chǔ)普遍較差，過多的電路分析和程序設(shè)計內(nèi)容會讓他們望而卻步，只有少部分學(xué)生能夠達到理解、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，提高動手能力和學(xué)習(xí)興趣，同時培養(yǎng)大學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力是課程教學(xué)中亟待解決的問題。針對這些問題，有的高校通過引入新型設(shè)備、建設(shè)一體化實驗室等措施為學(xué)生提供實驗平臺，但是傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，受限于設(shè)備價格和更換維護成本，很多實驗室后續(xù)運行效果并不理想。

2? 使用Arduino進行傳感技術(shù)課程教學(xué)的策略

Arduino作為最典型的開源硬件[1]，其集成硬件平臺和開發(fā)環(huán)境簡單易用，通過使用Arduino開源平臺可以大大降低基礎(chǔ)知識薄弱的電子類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，在提供學(xué)生動手能力和創(chuàng)新思維的同時，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)計要求[2]。

2.1 Arduino平臺簡述

Arduino平臺包括硬件和軟件兩個部分組成，Arduino開發(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平臺提供的Arduino IDE開發(fā)軟件對底層硬件進行了封裝，屏蔽了單片機的硬件編程細(xì)節(jié)，降低了技術(shù)開發(fā)的門檻[3]。

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

2.2 基于Arduino平臺進行傳感技術(shù)課程的教學(xué)改革

（1）構(gòu)建基于Arduino平臺的傳感器技術(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平臺結(jié)合起來，先由老師進行演示操作，再由學(xué)生完成相應(yīng)實驗。通過設(shè)計豐富的實驗案例，例如Arduino智能聲光感應(yīng)燈、Arduino電子溫度計、Arduino自動澆花系統(tǒng)、Arduino煙霧報警器、Arduino智能循跡小車、Arduino風(fēng)速測量裝置、Arduino超聲波測距儀等有趣的項目，不僅能夠幫助學(xué)生掌握傳感器的特性，還能促進學(xué)生了解這些傳感器在工程中的應(yīng)用，在動手操作中獲得成就感，增強開發(fā)體驗。

（2）基于Arduino平臺的傳感器實驗的具體實施。

Arduino平臺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，可以通過預(yù)先設(shè)定的程序來實現(xiàn)交互產(chǎn)品的開發(fā)。下面以人體感應(yīng)小夜燈的制作為例說明Arduino平臺在傳感器教學(xué)中的具體實施。

該實驗的目的是熟悉熱釋電紅外傳感器的工作特點及實際應(yīng)用，實現(xiàn)常見信號的信息獲取，實驗的硬件接線圖如圖1所示。當(dāng)外界光線越暗的時候光敏電阻阻值越大，分壓越高。而人進入人體紅外感應(yīng)模塊的感應(yīng)范圍后，其“OUT”引腳輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍， 該模塊的“OUT”引腳將自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。主程序會根據(jù)光敏電阻分壓信號和人體紅外感應(yīng)模塊的輸出來判斷外界環(huán)境，當(dāng)光敏電阻顯示外界環(huán)境較暗，同時有人進入感應(yīng)范圍時，LED燈就會自動開啟，給人提供照明。

該實驗還可以擴展為其他實驗，比如利用人體紅外感應(yīng)模塊可以在房間無人時自動實現(xiàn)家電的關(guān)閉，還可以結(jié)合攝影機或數(shù)碼照相機自動記錄動物或人的活動等。

（3）基于Arduino平臺的傳感技術(shù)課程教學(xué)考核。

傳感技術(shù)課程考核也由傳統(tǒng)的理論知識考核轉(zhuǎn)變?yōu)橹R考核和技能考核兩個部分。知識考核部分主要考查學(xué)生對傳感器原理、特點的掌握情況，而技能考察通過對8個實驗項目過程進行考核，能夠反映學(xué)生對學(xué)習(xí)知識的應(yīng)用情況。

3? 結(jié)語

該文在分析傳感技術(shù)教學(xué)過程中的問題的基礎(chǔ)上，提出了在傳感技術(shù)教學(xué)過程中引入Arduino實驗項目的思路。通過對Arduino項目的學(xué)習(xí)和實操，學(xué)生能夠?qū)嶋H體會到傳感技術(shù)在生活中的應(yīng)用，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)造力和團隊合作能力的培養(yǎng)。

參考文獻

[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 的互動產(chǎn)品平臺創(chuàng)新設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（4）：39-41.

基金項目：校級項目——高職電子類課程進行Arduino項目教學(xué)的探索與實踐（項目編號：2019YJ001）。

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