将Arduino技术引进传感器与自动检测技术的课程改革

程莹

[摘           要]  传感器与自动检测技术这门课程是工科学生的必修之课，特别对电气自动化专业、机械制造及其自动化专业、电子技术专业、物联网专业、工业机器人专业等，是非常重要的课程。但目前广东省粤东高级技工学校这门课程主要是以理论课的形式上课，在教学效果上出现理论与实践脱节，学生上课兴趣持续下降，不能满足现代企业对这类人才的需求。根据几年来的课程探索与改进，将Arduino技术引进传感器与检测技术的课程，变理论课为一体化课程，以项目实施的方法进行课程改革。让学生真正了解各类传感器，并能通过编程调试、监测传感器将非电量转换为电量并对其进行处理控制的过程。

[关    键   词]  Arduino技术;自动检测;模块化编程;一体化教学

[中图分类号]  G712                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2019）33-0112-02

一、研究背景

自工业4.0概念的提出及5G通讯的新时代到来，我们能深刻地感受到现代新技术对人类生活和工作环境的影响和改变。如无人飞机、无人驾驶技术、智能交通系统、智能灌溉系统、智能家居系统、无人车间等，彻底改变了人类的生活方式，传统的流水线工作、驾驶员、快递员等都面临着下岗危机，取而代之，出现了自动检测安装与调试、物联网技术、工业机器人等系列工种出现缺口。这些新工种的主要技术就是对传感器的学习、安装与检测调试。传感器作为自动检测和现代智能设备的前端探测机构，之所以在各类专业中占有重要位置，与其专业研究、学习内容及工程实施和社会发展有不可或缺的关系。时代对自动检测技术工种的技术要求，不再是简单地了解其作用和掌握工作原理了，它需要真正会安装、使用、检测、调试传感器的专业人员。

这就要求作为培养技术工人的职业技术院校、中等职业技术学校，在实施这类课程教学的时候，就必须结合实际、结合生产生活现状、结合各类新型工作环境的变化，实施课堂改革，将一体化教学模式真正引入课堂，让学生不仅能学到传感器的理论知识，更能结合工作情景动手检测和调试各类传感器，从而达到拉近学校与工作岗位的距离，减少学生上岗适应时间，落实能力本位的教育理念。

二、遇到的困难

目前，技工院校工科类专业开展传感器与自动检测技术这门课程，大部分专业都是作为专业理论课设定，课堂组织形式也是以教师一言堂的上课方式为主。笔者曾以理论课+实训课的形式分别在机械自动化专业和电气自动化专业上过这门课程，课程是以教师讲解理论知识为主，结合多媒体技术和实验课程实施教学。多媒体技术即从课程自带的教材和网上搜集各类传感器的应用情景，以增加课堂趣味性和真实性。实验课程即将传感器分为常用的几类传感器，分别在实验箱进行试验和观察数据和结果。但是，课堂效果和学生的学习积极性仍然未见成效。经过调查，学生反映的问题主要如下：

1.课程理论性太强，理论与实践脱节，学生上课一开始是很感兴趣的，但是随着课程开始分类讲解各类传感器的内部结构和电路原理，部分学生感觉到学习难度，也很难与实际生活和工作环境相结合，从而丧失学习兴趣，故出现课堂睡觉、玩手机等分散注意力的现象。

2.虽然有实验课程，实验箱的每个项目的接线电路都已经固定在安装处，学生接触不到，实用性受到限制，实验课程未真正系统地让学生了解传感器应用环境中的安装和数据处理及调试。

3.从传感器本质出发，探索新的教学模式，寻找或者发明新的教学仪器，让学生真正动手参与到课堂活动制作中，变教师一言堂为学生的自主参与的角色转变。真正模拟现实学习传感器检测数据及数据处理。这样，前面两个问题也就迎刃而解了。

三、探索与实践

针对课程遇到的困难，笔者进行了细致的分析和探索。

学习动机是学生最好的老师，如何培养学生对这门课程的兴趣主要源于四个方面的因素：

1.斟酌学习内容的通俗易懂性，应针对不同学生群体，按照职业教育学生专业素质培养目标，制订学科针对性的掌握内容，摒弃生涩且在工作岗位上应用不到的疑难知识点，将重要知识点和重要操作技能充分在实践中体现出来。

2.提炼学习技能的实用性和适用性，教师应在企业实践中深入各行各业了解传感器的主要用途和需要的操作技能，将其融合到课程中，让学生觉得学有所用。

3.改变课堂的组织形式，变教师一言堂为以学生能力本位为目的的学生主导作用的课堂组织形式，融合发现探索模式和动作技能训练模式、项目教学模式，让课堂活起来，将知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观有机结合。

4.深入研究一体化试验项目的实施方法，变封闭式教学为开放式教学，深入企业展开研究讨论，理论结合实践，设定工作情景，将生产服务和科技研发等内容有效结合。

四、新方法的研讨

根据以上分析和研究，结合“一体化”教学理念及连续两个学期对《传感器与自动检测技术》的实际改革经验，我通过以下方法对这门课程进行改革。

（一）對学生素质的要求

1.根据课程技能实践环节的技术需要，要求学生在上这门课之前，必须具备基础电路的基本知识储备，即有电子电路知识和电工基本功技能。

2.传感器作为现代检测技术的前端探测机构，它的作用就是检测特定待测量，将非电量转换成电量，通过电路处理，传给核心控制器（单片机或者PLC）处理后控制执行机构的动作。故学生要有单片机基本知识或者PLC基本编程思维。

3.具有计算机基本操作技术、团队合作意识及“6S”管理意识等。

（二）对课堂环境的准备

1.本课程实施一体化教学，在基础教学环境之外，需要每组一台电脑，一套电工工具（万用表，斜口钳，导线，电烙铁，电子元器件等）等。

2.教师提前制订一体化工作页和项目资料。

3.传感器的准备：按照教学目标和项目要求，准备几种常用的传感器（电阻传感器、电感传感器、涡流传感器、电容传感器、压电传感器、超声波传感器、霍尔传感器、热电偶传感器、光电传感器等）。实验项目可根据不同专业和学时量进行适当增减。

（三）实施方法

以单片机（51或Arduino）作为控制核心，学生通过前端探测机构（传感器）获取到检测量（模拟信号或数字信号），通过单片机获取传感器监测的数据，进行处理、校队、比较，然后单片机对后端执行结构进行控制。

具体流程见图1：

下面，我分别摘取项目课程中的两个章节进行具体演示。

例程1.工程项目一：电阻传感器

电阻传感器分类：电位传感器、电阻应变传感器、气敏电阻传感器、光敏电阻传感器、湿敏电阻传感器。

学习内容：1.了解电阻传感器的分类。

2.掌握电阻传感器的基本原理。

3.学习利用电阻传感器进行测量。

4.掌握误差分析及数据收集和处理。

课堂组织：1.以小组为单位，项目实施法。

2.教师布置任务并进行现场指导与考察。

3.学生分配任务：按工作页要求，查找相应传感器工作原理、应用范围、数据检测等。

4.接线、编程、调试、记录数据。

5.完成项目总结。

任务布置：利用光敏传感器检测环境光线强度，从而控制蜂鸣器或LED灯显示，并记录光线数据，进行数据收集和处理。

例程2.工程项目七：超声波传感器

学习内容：1.了解超声波传感器的基本知识。

2.掌握超聲波换能技术及耦合技术。

3.学习利用超声波传感器进行测量。

4.掌握误差分析及数据收集和处理。

课堂组织：1.以小组为单位，项目实施法。

2.教师布置任务并进行现场指导与考察。

3.学生分配任务：按工作页要求，查找相应传感器工作原理、应用范围、数据检测等。

4.接线、编程、调试、记录数据。

5.完成项目总结。

任务布置：利用超声波传感器检测障碍物距离，编程实现检测功能，并在计算机串口显示，并记录障碍物数据，进行数据收集和处理。

五、总结

经过课程改革前后对比，学生的参与度提高了，学习效率也提高很多。学生由原来的被动填鸭式变成项目的实施者和参与者，主动对知识进行搜集和探索;而教师的角色由原来的主导型满堂灌的上课风格变成项目总监，只需要对整个课堂进行管控和总结及疑难解答。

从本课程的改革中，我体会到一体化教学对课堂带来的改变、对学生和教师角色的改变、对教学效果的改进都是值得反思和推崇的。当然，本人力量薄弱，在教学探索改革中还有一些经验的缺失和不足，希望与大家共同分享和改进！

参考文献：

[1]唐普霞，张海生，桑峻.基于Arduino平台的高职电子类课程改革探索与实践[J].电子世界，2018（2）：95.

[2]李华洲.基于Arduino的高职物联网相关课程改革设计[J].大众科技，2015，15（1）：164-165.

编辑 郑晓燕