基于课程融合视角下传感器课程改革探索与实践

2021-06-16隋美娥杨俊卿通讯作者

电子制作 2021年2期

隋美娥，杨俊卿(通讯作者)

（1.青岛港湾职业技术学院信息与电气工程学院，山东青岛，266404；2.山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛，266590）

0 引言

青岛市自2015年已在智能家电、轨道交通、汽车等产业开启了智能制造先进示范试点。随着智能制造在企业的大量使用，加之智能传感技术的快速发展，使我们的生产效率与质量大幅提升，但却对企业相关智能维护、维修等岗位技术人才的综合能力，提出了新的要求。通过前期对中车青岛四方机车车辆股份有限公司、海尔集团等相关智能制造试点示范企业的走访调研获知，当前智能制造的主要特征为：（1）生产设备运行的传感、监测的信息化与实时化；（2）机器人的自动控制及柔性操作；（3）制造工艺设计及实时规划的智能化、知识化[1]。不难看出监控、传感、网络、柔性、自动化等核心技术成为智能制造的技术基础，而传感器作为“智”能制造的前端设备，在生产中起着关键作用。学生未来面对的职业岗位有可能不仅仅是传统的设备操作与维修，更多的要面对融合各种传感器传输信号的故障，寻根求源，找出问题，解决问题。

以往以讲授传感器基础知识为主的教学，学生缺少了动手实践机会，也就缺少了传感器调试、维护等岗位必备的基本技能，也缺乏了应对突发故障，临危不乱，迎难而上的精神。因此，对于传感器教学，必须要加强学生的动手实践、培养其创新思维与能力，以应对复杂的设备检修问题，提高学生的职业竞争力。

1 融多课程知识一体课程开发，提升岗位竞争力和创新能力

在智能制造生产中，工业控制自动化、信息化将成为基本的操作技能，为了适应当前产业转型升级，提升学生的职业适应力与竞争力，必须补上信息化、自动化等这些短板。短板的实现不是简单的单门知识的补充，而需要多门课程知识的融合。在进行课程融合的同时也应该借鉴职业培训的课程体系，根据当前行业的发展不断调整融入新时代的信息技术，使学生能够较快适应岗位的需求并能得到提升[2,3]。

比如在现代工业控制生产线上，需将传感器、PLC、变频、伺服、组态、触摸屏技术结合起来，这个融合单靠独立的每门课堂教学是很难实现的，必须结合课程的综合实训和课外第二课堂，每个学生有任务，才能激发其不断查找问题，解决问题，在此过程中，不仅巩固了专业的基础知识，提高了职业能力，同时培养了其创新能力，以期达到企业的需求。

现代“智”造企业，普遍希望学生能具备处理综合故障的能力及一定的创新能力与思维，为今后设备、流程等的升级改造奠定基础。对于高职学生来说，自主学习、创新的能力不足，动力不够。创新思维的培养是一个系统工程，不是仅仅开设一门创新课就能解决的，它是一个由量变到质变逐渐形成，逐步提升的过程[4]。如果仅仅让其靠自身能力去培养，去提升，效果可想而知。学校培养学生一定要在它进行最多的活动中进行引导，那就是课堂教学。我院电气专业在实施一体化创新课堂中，积极尝试，不断探索，通过一体化的专业课程构建，将创新思维与创新意识逐渐融入学生的日常课程，将其变为一种潜移默化的习惯。

2 多课程知识一体的传感器创新课堂探索

对于传感器，究其作用就是检测所要探测的各种各样的信号，如温度、湿度、气体浓度、红外传感信号、虹膜信号、视觉影像信号、GPS信号等等，如果仅仅只是停留在原理层面的传授上，学生很难去理解它的应用，更不用说，在需要的时候，能想到用这种传感器进行项目创新设计改造，因此传感器的实际项目制作对高职层面学生理解传感器及应用是一种有效的手段。

■2.1 融多门课程知识一体化项目设计思路

传感器的项目制作，离不开多门课程知识的融合，模拟电子、数字电子、单片机课程等，因此在项目中，尝试探索以《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《现代传感器综合应用》、《单片机创新设计技术》等电气类专业核心课为依托，打破原有课程独立授课，知识碎片化问题，进行一体化项目课程开发与实践，将几门课程的知识融合于某一具体传感实践任务中，做到知识学为所用。

我们以交警查酒驾的酒精检测仪的设计与制作为例进行项目开发，例如：假如某人已饮酒，在酒驾检测中，一般通过吸管吹气，这样带有酒精的气体，通过MQ-3酒精传感器（《现代传感器综合应用》）就可以直接检测出它的酒精浓度。

（1）基础项目：能不能直观的分开，无饮酒、酒驾与醉驾呢？同学们回答，可以用不同颜色的灯进行区分（《模拟电子技术》），思路很好，那么灯如何根据浓度的变化进行指示呢？这个问题比较专业，一般学生想不到，由老师提供引导，利用LM3914（《数字电子技术》），这是一款专门驱动LED灯的芯片。好，第一种方案落成。

（2）拓展项目：还有同学问，老师，我看到的酒精检测仪是可以显示浓度值的，这样更有说服力。那浓度值如何用数字显示出来呢？这里我们可以有不同的方案，一种是ICL7107芯片（《数字电子技术》），这是一款专门驱动数码管的芯片，一种是采用液晶显示屏（《单片机创新设计技术》），或者串口监视器，这就必须用到单片机编程的知识，同学们被一步步启发。

（3）提升项目：同学们很棒，电路设计好了，如果我们要设计一款产品的话，那就必须利用Solidworks（《工程制图》）等工程设计软件进行外壳设计。这需要同学们利用网络资源，自行学习，设计，分享。最后，可以利用3D打印机打印产品外壳。

通过项目开发一步步引导，将多门课程知识融入项目开发，并在运用多门课程知识的同时，开拓思路，将创新思维融入课堂教学，潜移默化，层层吸收。同时，促进一体化创新项目进行分层次、多角度开发案例，为提升整体创新能力提供智力保障。

■2.2 项目设计与制作

以传感器课程项目二：气体成分浓度测量为例，如表1所示，本项目以酒精浓度检测、烟雾检测为任务点，结合相关传感器在生产、生活中实际应用电路，将安装、使用、故障检测、技能创新融合，让学生在实践中提升综合能力。

我们以任务1：酒精浓度检测中的子任务2:基于LM3914的酒精浓度检测仪的设计与制作为例，此项目实现功能为：当酒精浓度逐渐增加时，LED灯由绿色逐渐过渡到红色，且浓度越高，灯点亮的个数越多。此任务中，为了驱动LED灯，用到《数字电子技术》中的LM3914芯片，同时对于LED灯的接法，有共阴和共阳极两种接法，如何连接？这是《模拟电子技术》课程的基础知识，同时酒精传感器，实质就是一个随浓度调节的可变电阻，由于Proteus中没有MQ-3仿真模块，故电路中，采用滑动变阻器进行替代，另外，电路基准浓度、灵敏度的调节都需要《模拟电子技术》课程中的电路分析知识。

表1 传感器项目任务

为了提升学生实践动手能力，提高故障检测与排除技能，课堂上分小组完成分立元件实物电路调试，如图1所示。仿真虚拟设计如图2所示，虚实结合，通过直观形象的项目技术，同学们不仅收获了项目成功的喜悦，同时通过多信息化手段使项目调试变得轻松自如。

图1 基于LM3914的酒精浓度检测仪的实物图

图2 基于LM3914的酒精浓度检测仪的仿真图

图3 基于Arduino的酒精浓度检测仪的仿真图

另外，为了拓展项目制作，我们利用第二课堂和学习通平台，展示利用Arduino单片机制作的酒精检测仪，如图3所示，当然这部分内容相对比较综合，作为对课程特别感兴趣的科创小组的特殊任务进行课后制作，完成后，拍视频和PPT，课堂上给同学们进行展示。通过这种方式，实现了项目的分层化，学生能力得到不同程度的提升。