一種單片機(jī)和傳感器技術(shù)融合項(xiàng)目化教學(xué)方法

徐 瑤

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，山西 長治 046000)

1 單片機(jī)與傳感器技術(shù)融合項(xiàng)目化教學(xué)

目前，為了便于單片機(jī)課程更加深刻有效的教學(xué)，關(guān)于單片機(jī)技術(shù)的項(xiàng)目化教學(xué)方法層出不窮，包括但不限于流水燈的制作、電子時鐘的設(shè)計(jì)、數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)等等，單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用離不開傳感器的數(shù)據(jù)感知，比如超聲波測距顯示，基于單片機(jī)的室內(nèi)空氣凈化方法，基于單片機(jī)的孵化環(huán)境溫濕度監(jiān)測等。

傳感器技術(shù)這門課作為專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及面廣，涵蓋知識點(diǎn)多，造成課堂講授內(nèi)容分散，理論性強(qiáng)，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，特別是職業(yè)院校的學(xué)生，因基礎(chǔ)薄弱，直接干澀的理解相關(guān)電路原理，不僅知識掌握困難，對將來職業(yè)應(yīng)用也沒有整體的思路，所以將傳感技術(shù)融入單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，既符合單片機(jī)實(shí)際運(yùn)用的復(fù)雜系統(tǒng)，也提高學(xué)生對于傳感技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)知。設(shè)計(jì)合適的項(xiàng)目至關(guān)重要。

傳感器技術(shù)和單片機(jī)融合教學(xué)方法的主要思想是將理論與實(shí)踐相結(jié)合，即項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)模式，將課程的實(shí)踐教學(xué)部分劃分為幾個獨(dú)立而又有聯(lián)系的項(xiàng)目教學(xué)方法。具體實(shí)施步驟：首先根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，針對項(xiàng)目目標(biāo)確定技能，從而確定教學(xué)目標(biāo)；其次師生共同在剖析知識點(diǎn)和技能點(diǎn)的前提上，讓學(xué)生明白基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容，形成多個不同的教學(xué)項(xiàng)目；最后利用任務(wù)驅(qū)動法組織實(shí)施不同的教學(xué)模塊[1]。將傳感器的理論知識分解開，融合進(jìn)單片機(jī)每一個具體的實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目任務(wù)中[2]，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)來促進(jìn)單片機(jī)和傳感技術(shù)原理的理解。

2 項(xiàng)目化融合教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和需求，十九大報(bào)告提出，實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。要堅(jiān)持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。項(xiàng)目依托某村蔬菜大棚為提升蔬菜產(chǎn)量，降低病蟲和天氣對產(chǎn)量的影響，提高管理水平和智能化自動化水平，降低人工成本，對傳統(tǒng)蔬菜大棚進(jìn)行改造，要求完成大棚蔬菜稱重設(shè)施、大棚內(nèi)部溫濕度監(jiān)測控制、CO2濃度檢測控制、光照強(qiáng)度監(jiān)測控制、防盜報(bào)警。

在完成該系統(tǒng)過程中，可以完成稱重式傳感器(電阻式傳感器，電容式傳感器，壓電式傳感器等)，溫濕度傳感器(熱電阻式傳感器，電容式傳感器，熱電偶式傳感器，熱釋電式傳感器等)、CO2濃度(氣敏傳感器)、光電式傳感器、超聲波式等多種傳感器的選型分析計(jì)算，參數(shù)設(shè)置，安裝調(diào)試等過程。

在該系統(tǒng)中，相關(guān)的單片機(jī)技術(shù)有蜂鳴器警告，數(shù)碼管靜態(tài)動態(tài)顯示，定時計(jì)數(shù)器，鍵盤掃描，模數(shù)轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)知識點(diǎn)。通過搭建這樣一個可以實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)，可以讓學(xué)生完整完成單片機(jī)和傳感技術(shù)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)。且采取項(xiàng)目式教學(xué)方式，以做促學(xué)，提高學(xué)生興趣和動手實(shí)踐能力。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施過程

在大棚蔬菜生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，每項(xiàng)環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)，都需要傳感器作為電五官將外界環(huán)境變量轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行監(jiān)測顯示，進(jìn)而通過單片機(jī)控制相應(yīng)的執(zhí)行元件采取相應(yīng)動作。

以“搭建大棚蔬菜重量監(jiān)測系統(tǒng)”為例，給學(xué)生布置任務(wù)要求是完成蔬菜重量監(jiān)測并能在顯示屏上顯示。首先學(xué)生需要識別選擇合適的重量監(jiān)測傳感器，能用于重量測量的傳感器有電阻應(yīng)變片式傳感器[3]，電容式傳感器，壓電式傳感器等，而選型依據(jù)的傳感器特性如靈敏度，分辨率，量程，穩(wěn)定性等，作為理論知識點(diǎn)由老師講解，或者用微課形式在信息化教學(xué)平臺學(xué)生自學(xué)。然后在根據(jù)任務(wù)選定對應(yīng)類型和型號的傳感器后，學(xué)生根據(jù)電路圖完成電路搭建和測試調(diào)試任務(wù)。最后經(jīng)過分析計(jì)算，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，由單片機(jī)數(shù)碼管顯示和鍵盤掃描系統(tǒng)，將測量結(jié)果顯示。在此調(diào)試過程中，學(xué)生鍛煉使用常用儀器儀表(萬用表、示波器、信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源、電壓表、電流表)進(jìn)行信號檢測。在學(xué)生完成任務(wù)后，老師對項(xiàng)目過程進(jìn)行考核：一是重量監(jiān)測顯示系統(tǒng)的連接調(diào)試過程；二是功能技術(shù)指標(biāo)檢查；三是知識點(diǎn)掌握測評；四是任務(wù)報(bào)告。通過考核過程老師可以了解學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的困難，也能督促學(xué)生查資料自學(xué)和項(xiàng)目總結(jié)。

2.3 項(xiàng)目化實(shí)施效果

從上述大棚蔬菜重量監(jiān)測系統(tǒng)的搭建過程看，學(xué)生是主體，老師為主導(dǎo)。老師從整體把控，提出任務(wù)，理論知識點(diǎn)講解，過程監(jiān)督答疑，任務(wù)結(jié)果驗(yàn)收。學(xué)生在老師提出任務(wù)后，設(shè)計(jì)整體方案，傳感器選型，系統(tǒng)搭建，調(diào)試顯示，結(jié)果展示。在整個過程中，學(xué)生是以一個完整的工作過程，實(shí)現(xiàn)了一個大棚蔬菜重量監(jiān)測小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選型，安裝，調(diào)試，維護(hù)和顯示。在一個教學(xué)周期，如圖1所示，學(xué)生逐步完成大棚蔬菜重量監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測、氣體濃度監(jiān)測、光照強(qiáng)度監(jiān)測及防盜報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)搭建后，學(xué)生相當(dāng)于通過自己設(shè)計(jì)，自己調(diào)試搭建，完整的實(shí)現(xiàn)了一個大棚監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，有明確而具體的成果展示[3]。這個系統(tǒng)是學(xué)生通過老師引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)的，這個過程中融合了單片機(jī)和傳感器技術(shù)要求的知識點(diǎn)的掌握，并且學(xué)生在過程中鍛煉了分析解決問題的思想，團(tuán)隊(duì)協(xié)作，文字總結(jié)及使用儀器儀表進(jìn)行調(diào)試的能力。

圖1 單片機(jī)和傳感器技術(shù)知識點(diǎn)項(xiàng)目化融合示意圖

3 結(jié)束語

從上述項(xiàng)目實(shí)施過程可以看出單片機(jī)和傳感技術(shù)項(xiàng)目化融合的教學(xué)方法，有效實(shí)現(xiàn)了知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)融合統(tǒng)一，相對于傳統(tǒng)課堂講授，更加吸引學(xué)生興趣，充分鍛煉學(xué)生動手和協(xié)作能力，建立了課堂與社會生產(chǎn)的聯(lián)系，學(xué)生在學(xué)中做，做中學(xué)。老師合理運(yùn)用信息化手段，對學(xué)生整個參與過程學(xué)情統(tǒng)計(jì)，有利于老師有針對性的輔導(dǎo)，對重難點(diǎn)掌握更到位，為學(xué)生今后職業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。