面向测控技术与仪器专业课程融合的教学研究

王岩岩 邹丽新 蒋晓慧 钱敏

摘  要：针对测控技术与仪器专业的两门课程——传感器和单片机——的教学现状，围绕适用于应用型本科人才的课程融合改革，提出了教学内容、教学方式、实验内容和考核方式的优化措施，为提升学生的专业综合素质奠定基础。

关键词：传感器;单片机;课程融合;测控技术与仪器

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）03-0122-03

Abstract： In view of the teaching current status of two major courses of Sensor Technology and Micro-controller in the major of Measurement and Control Technology and Instrument， we proposed several optimization measures on teaching content， methods， experimental content and test methods， which mainly focus on the curriculum integration reform for applied undergraduate talents， and lay a good foundation for the improvement of students' comprehensive professional quality.

Keywords： Sensor; Micro-controllers; curriculum integration; Measurement and Control Technology and Instrument

一、概述

單片机与传感器课程是测控技术与仪器（测控）专业开设的两门核心专业课。其中，传感器如同人的皮肤和五官来感知外部信息，而单片机则似人的大脑来处理传感器所感知的信息并对之做出相应的反馈，两者知识的融合与运用促进了工业过程测量与控制的飞速发展。然而，在实际的专业教学过程中，这两门课程存在教学内容相对独立、理论化教学过重、基础性实验占据主导地位、实践应用性欠缺等问题[1-2]。因此，二者的课程融合研究对于提升测控专业学生的综合素质以及培养应用型本科学生的实践能力具有重要意义[3-4]。

二、课程现状分析

测控技术与仪器专业主要培养具备测量与控制方面的基础知识与应用能力，能在国民经济各部门的测量与控制领域内从事有关技术、科技开发等方面的工程技术人才。然而，目前高校在该专业课程设置中存在诸多问题，不利于上述能力的培养，主要包括：

（一）理论化教学过重，课程内容相对独立

首先，传感器作为测量控制系统的前端设备，主要对待测信息进行感知。在课程教学过程中，教师主要讲述各类基础传感器如电阻式、电容式、电感式、热电式、光电式、压电式等传感器的工作原理、测量电路以及部分简单案例。其次，单片机作为测量控制系统的大脑，主要对已感知的信息进行处理并输出相应控制信号去控制对应的执行机构作出反应。在实际教学过程中，教师主要讲述单片机的组成、指令系统、中断、串口以及A/D转换等内容。最后，两门课程在学时安排上均存在“理论课时居主，实验课时居辅”的问题，不利于学生综合实践能力的培养。此外，在教学过程中，教师只专注于所授课程的内容，未充分考虑两课程的相关性，从而使两门课程内容相互割裂，学生亦只学到模块化的知识，并不能将二者进行有机结合并投入实践运用。

（二）基础性实验占据主导地位

首先，在传感器课程的实验内容设置上，其侧重于巩固所授内容的基础知识点，包括应变片、差动式电容传感器、差动螺管式电感传感器、热电偶、热电阻、光敏电阻等。实验所用仪器是浙大科仪的一体式设备，学生在实验过程中仅能通过设置不同的实验参数来获取实验结果进而分析实验数据，并不了解所用传感器的具体参数、适用范围以及对应电路等信息，从而难以具备根据实际问题选择合适传感器的能力。其次，在单片机课程的实验内容设置上，其主要通过仿真的手段实现部分功能，例如跑马灯、按键控制灯的亮灭、数据段的移动、数据的排序等。通过基础性实验课程的培训，学生仅仅增强了对指令系统以及部分接口的了解，并不能真正提升实际应用能力。此外，两门课程的实验内容相互独立，即便该课程设置在同一学期，学生亦很难通过上述基础性实验将两门课程的内容进行有机整合。

综上所述，为实现两门课程的有效融合，需从教学内容、教学方式、实验内容以及考核方式等方面进行优化改革。

三、基于课程融合的教学改革

（一）教学内容优化

推陈出新，结合应用，丰富原有内容。首先，传感器课程在授课内容上需进行细化和补充，即在原来基础上引入工业中常用传感器知识，分析具体传感器类型及其适用场合和对应电路，如针对不同的测温场合选择合适的测温传感器。其次，单片机课程在授课过程中可引入具体案例来丰富抽象的理论知识。此外，在讲授单片机基本功能的基础上补充对传感器所测数据的处理部分，如对温度传感器DS18B20输出数据的处理。可结合具体案例，让两门课程内容互通融合，从而加深学生对知识的理解和掌握。

（二）教学方式优化

采用多样化教学手段，综合提升教学质量。除了传统的板书和PPT教学，可在授课过程中引入案例教学，例如：针对复杂或体积较大的传感控制系统如滚柱直径分拣系统等，可以引入视频实物教学;而针对简单易携的传感控制系统如寻轨小车等，则可将实物带入课堂进行讲解。值得注意的是，案例式教学内容囊括了整个测量控制系统，其既包含了传感器的选择和使用，也涉及到单片机对信号的处理以及对执行机构的反馈。该方式有助于整合学生所学知识，同时激发学生的学习兴趣。

（三）实验内容优化

更新实验内容，增设综合性实验部分。基础性实验固不可缺，其有助于学生巩固已有课程知识，但综合性实验则更有利于两门课程知识的整合和运用。综合性实验主要包括传感器的选择和应用、单片机的应用、软硬件设计和分析以及对测量数据的处理和测量参数的校准等，旨在提升学生的知识运用能力和创新能力。表1为笔者列举的部分参考性综合实验的设置内容[5]。

综合性实验的引入可以采用两种方式：（1）在原有学

时基础上增加额外学时，即加大实验学时数;（2）教师在课堂上对实验内容及要求进行简单阐述，学生利用课余时间结合所学知识独立或分组完成，课堂上再利用部分时间讨论课下出现的问题并共同研讨解决的方法。

（四）考核方式优化

完善考核制度，避免期末独大。现有考核方式主要以期末考试为主，平时成绩为辅，导致很多学生平时不学习，期末考试突击过关，与学院的培养初衷相背离。因此，对于部分知识模块较独立的课程如传感器，可以引入过程化考核方式，从而督促学生养成日常学习的好习惯。对于知识模块间联系紧密且应用性较强的课程如单片机，可以适当扩大实验成绩占比即增加综合性实验部分，通过学生实验过程中对元器件的选择、电路板焊接、软硬件测试等各方面的表现来综合给分。

四、教学反馈

首先，在教学内容融合方面，本院将传感器和单片机课程引入测控专业大三上学期。教学过程中，教师通过基础知识讲解结合实际案例引入的互补型授课模式，提升了课程的趣味性和实用性。同时，授课过程中配合基础性实验的展开，加深了学生对所学知识的理解。其次，在上述教学模式的基础上，该专业于大三下学期引入了综合性实验。该综合性实验采用分组模式，由教师给出实验题目或学生根据兴趣自行命题。接著，学生根据题目要求选择所需传感器以及其它电子元器件，设计相关电路，最终以作品的形式予以呈现。图1所示为由学生自主设计的基于DS18B20温度传感器以及STC89C52单片机的温度监测系统，该系统可对所设范围内的环境温度进行监测，一旦超出设定阈值则报警灯亮。如图所示，此时温度设定范围为19～24℃，而实际环境温度为26.06℃，故下方报警灯点亮。

综上可以看出，综合性实验的引入可以有效巩固学生对两门课程基础知识的掌握，同时培养学生查阅文献资料和产品手册、系统软硬件设计以及调试的能力，进而提升学生的综合素质。

五、结束语

测控技术与仪器专业的两门专业课程——单片机和传感器对于学生综合实践能力的提升非常重要，将两门课程有机融合，不仅可以巩固学生对所学知识的掌握，还能锻炼学生的思维方式和动手能力。本文从两门主干课程的教学内容、教学方式、实验内容以及考核方式分别提出了合理化的建议，可有效提高学生的综合实践能力，符合用人单位对该专业学生知识和能力水平的要求。

参考文献：

[1]谢春利，刘俊杰.应用型本科传感器技术课程的教学改革与实践[J].教育教学论坛，2018，13：123-124.

[2]陈晓.基于项目的单片机与传感器课程融合教学研究[J].教育现代化，2018，32：275-277.

[3]洪海涛.面向应用型创新人才培养的测试技术教学改革研究[J].大学教育，2018，4：155-157.

[4]李东升，李文军，等.地方高校特色专业培育方法研究——以测控技术与仪器专业为例[J].中国大学教学，2010，10：80-82.

[5]邹丽新，陈蕾，等.单片微型计算机实验与实践[M].苏州：苏州大学出版社，2017：120-123.