基于Arduino電子平臺的傳感器課程體系融合設計與研究

張 進

(江蘇建筑職業技術學院 信電工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

傳感與檢測是現代科技的前沿技術，是制造業自動化和信息化的基礎。隨著信息技術的發展，傳感器作為自動化智能設備的關鍵部件及物聯網采集信息的終端工具，已經廣泛應用于工業生產、科學研究、現代醫學、現代農業、國防科技等領域。“傳感與檢測技術”是通信技術、電子信息工程等專業的一門必修課程，涉及物理、化學、力學、電學、光學、半導體技術等多門學科知識，滲透信息采集、信息處理、計算機技術、自動控制等工程方法，是一門理論性、實踐性、綜合性都很強的課程[1]。

1 課程及學情分析

“傳感與檢測技術”課程涉及學科種類多，內容廣泛，知識點分散，給學生學習帶來一定困難。同時，傳感器類型繁多，實用性很強，僅靠課本上理論知識，學生無法真正掌握不同傳感器的原理和應用。隨新型材料的出現和加工工藝的改進，新型傳感器也不斷出現，傳統的以教師講授為主、輔助驗證性實驗的教學模式，難以調動學生的學習積極性，也跟不上社會和科技發展的步伐，不符合現代高職教育的培養目標。

本課程學習對象為高職類電子信息工程及通信技術專業大三學生，學歷為高中或職高起點，知識基礎薄弱，學習主動性差。傳統教學重理論輕實踐，實驗環節簡單模仿操作，難以激發學生的學習興趣，學生所學知識理論與實際應用相脫節，實踐動手能力不強，學習效率不高。

2 Arduino電子平臺與課程

2.1 Arduino電子平臺的特點

Arduino是一個開放源碼電子原型平臺，編譯環境簡易，工作流程簡單，軟件和硬件開源且易于擴展，可以實現跨平臺使用，用戶能夠更快完成項目開發，節約學習成本，縮短開發周期。

Arduino平臺現已廣泛用于電子系統設計、互動產品開發、物聯網領域產品設計等方面，其開發套件具有模塊化結構，提供了各種不同類型類傳感器模塊，模塊之間提供統一標準的接口。使用者根據需要，可以在一塊面板上搭接完成電路，利用簡潔的編程語言，就可以實現各種傳感器的應用。Arduino開源電子平臺可以與不同類型傳感器電路相結合，搭接各種典型應用電路，程序設計簡單，電路搭建方便，易于進一步功能擴展，為學生接觸和使用傳感器、掌握其原理和應用搭建了一個開源設計平臺，真正實現了學以致用。Arduino開源電子平臺的出現，為教育環境現狀下，高職院校“傳感與檢測技術”課程的改革實施提供了新的思路[2]。

2.2 Arduino電子平臺與課程融合構建優勢

(1)Arduino平臺及開發套件包含的傳感器種類眾多，分為數字傳感器和模擬傳感器兩大類，種類達五十多種，基本涵蓋了該課程所學的全部傳感器類型。這些傳感器具有統一標準的接口，方便進行組合設計，師生可以根據課程需要選擇合適類型的傳感器。

(2)利用Arduino平臺及開發套件設計傳感器應用實驗，模塊接口標準，設計容易上手，只需要進行簡單接線和編程設計，就能完成原有課程中難以實現的實驗內容，省略了硬件調試過程，大大提高學習效率，激發學生的學習興趣，提高學生的實踐動手能力。

(3)Arduino平臺及開發套件攜帶和使用方便，學生不受時間和空間的限制，利用課上或課余時間完成項目制作，節省了實驗室資源，提高了工作效率。

(4)基于Arduino平臺的項目設計是利用編程實現硬件控制，設計簡單，搭建方便，易于擴展。學生可以依據個人興趣，在典型電路基礎上，開發諸如3D打印、自平衡機器人、WiFi遙控智能小車、MINI四軸飛行器等創新項目。這些項目不僅充實和豐富了教學內容，還激發了學生進行科學研究與探索的興趣，培養學生創新精神和創業意識，增強參與各項創新創業競賽的能力。

3 構建方法及實施

針對以上的教學內容、教學模式和考核方式存在的問題，依據專業培養目標，將Arduino電子設計平臺的優勢與本課程相結合，對教學內容進行重新整合和設計。

課程內容的選擇以學生需求為導向，教學模式以學生動手操作為主，借助簡單的開發方式、開源的軟硬件資源，使學生能更快上手，更加關注項目設計與實現，引導學生將所學傳感器知識運用于創新實踐操作中。

3.1 教學內容設計

本課程教學內容共分為9大模塊，其中，1—2為準備知識，分別為檢測技術基礎及Arduino開發平臺基礎知識；其后3—9為7個單元，分別涵蓋溫濕度、力敏、氣敏、光敏、超聲波及無線傳感技術等方面。本課程精心設計了12個項目，共包含17種不同類型傳感器，項目新穎有趣，貼近生活，實用性強，便于操作實現，可以激發學生學習和探究的興趣。項目所需要的傳感器在Arduino電子平臺上有實物，學生能夠根據項目具體要求進行設計和編程，完成對應的項目內容[3-4]。具體內容及學時分配如表1所示。

表1 “傳感與檢測技術”課程教學內容設計

3.2 教學模式設計

傳統的教學模式中，課堂教學是以教師講授為主、輔助驗證性實驗，不利于激發學生的學習積極性，學習效率也不高。針對高職學生的培養特點，將原有被動式學習改為主動式學習和團隊共同學習[5]。 下面以單元4項目2光敏感應燈設計為例，介紹教學實施過程。

(1)知識引入：教師在課上利用課件PPT、視頻及實物等資料，向學生講授光敏傳感器工作原理及結構分類、傳感器測量電路及適用范圍。

(2)項目方案設計：根據項目任務，提出設計要求及設計原理，將學生分為不同小組，每組2～3人，在老師指導下，各小組同學自行討論，并提出各自設計方案。

(3)完成電路接線圖：按照設計方案，畫出電路接線圖，在Arduino開發平臺上搭建電路。

(4)編寫程序代碼：根據設計要求，進行編程及程序調試，完成光敏感應燈的功能調試。

(5)編寫實驗報告：分組編寫實驗報告，完成實驗數據處理與分析。

(6)演示和講解：分組進行項目實現過程及結果的演示和講解，教師點評并考核打分。

3.3 考核方式設計

針對傳統課程考核方式存在的問題，對本課程的考核方式進行了相應的改革。減少對書本知識的死記硬背，加強對各類傳感器原理及應用的理解和掌握。考核方式按照項目進行，并分組完成。根據項目任務要求布置實驗內容，學生利用課上及課余時間設計并完成相關傳感器電路搭接、編程及調試，得出實驗結果。每完成一個項目，都要進行相應考核。

本課程按照教學過程與成果導向相結合的考核方式，分平時考核(30%)、項目考核(40%)、期末考核(30%)3個部分，進行綜合成績評定。

(1)平時考核，包括：出勤、課堂提問及表現、課后作業等環節。

(2)項目考核，學生以小組為單位，在完成指定項目以后進行演示和講解；根據每位學生在分組中的表現進行考核打分。考核內容為實際項目中硬件電路設計、軟件編程設計，考核指標包括項目設計指標的實現、理論和實踐結合能力、實踐動手能力、創新能力、團隊合作意識等。

(3)期末考核要求學生獨立完成一份大作業。確定設計報告題目，要求在指定時間內根據所學知識，完成一篇相關傳感器實際應用的設計報告，主要內容包括傳感器原理、所選元器件型號、測量電路的設計及系統組成等。考核指標包括報告的格式規范、系統結構的設計合理性、理論知識掌握情況及綜合應用能力等。

4 基于Arduino電子平臺的課程教學效果

2019—2020年的第一學期，在江蘇建筑職業技術學院2018級電子專業開設的“傳感與檢測技術”課程中，引入Arduino電子平臺，將其與課程內容進行融合設計，按照表1重構課程內容，設計7個單元共12個新穎的教學項目，將傳統授課方式中的難點以項目的方式靈活呈現，學生的學習積極性和課堂參與度顯著提高，取得了較好的教學效果。

經過實踐，該課程的學生成績合格率大幅提升，學生網上評教成績也有較大提高。學生普遍認為，該課程的學習幫助他們將理論知識靈活運用于實踐，對后續專業學習起到很好的作用。經過本課程學習，有部分學生對傳感器產生了濃厚興趣，自己設計一些時尚有趣、富有創意的電子產品，如搖擺溫度計、光控臺燈、自動避障小車等。也有學生在老師指導下，參與開發了基于物聯網技術的智能家居、工業檢測、個人健康等方面的創新產品，例如，學生參與設計的“基于語音控制的便捷式環境質量檢測儀”等項目，在全國電子專業技能大賽、電子設計大賽等賽事中都獲得了較好的成績。

5 結語

通過江蘇建筑職業技術學院2018級電子專業傳感器課程的教學實踐可知，Arduino電子平臺與傳感器課程融合構建的教學改革，激發了學生的學習興趣和探究精神，提高了實踐動手能力，培養了學生的創新意識和團隊合作精神，增強參與各項創新創業競賽的能力，使學生了解企業產品研發的標準過程，對后續專業課程的學習，參加各種技能競賽及未來就業打下了堅實的基礎。同時，提高了課堂教學質量，提升了教師的專業知識和業務水平，為教育環境現狀下高職院校“傳感與檢測技術”課程的改革實施提供了新的思路。