電子設(shè)計競賽引導(dǎo)下的傳感器與單片機課程融合方法研究

米曾真+陳鴻雁+邢德周

【摘要】文章以傳感器課程為研究實例，結(jié)合電子設(shè)計競賽的經(jīng)驗與體會，分析了《傳感器與測試技術(shù)》與《單片機技術(shù)》課程教學(xué)中存在的主要問題，探索了將單片機技術(shù)的基本知識，以項目教學(xué)法的方式融入傳感器課程的新方法，整合學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

【關(guān)鍵詞】《傳感器與測試技術(shù)》；《單片機技術(shù)》；雙課程融合；電子設(shè)計競賽

一、引言

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽是教育部、工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競賽之一，在信息學(xué)科中有著很強的影響力。傳感器檢測在應(yīng)用過程中，急需解決傳感器的靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等問題。而單片機技術(shù)的微控制芯片及邏輯電路使其具有很強的運算和控制能力。如將單片機技術(shù)與傳感技術(shù)結(jié)合起來，通過終端的數(shù)字芯片和邏輯電路來處理這些問題，則以上問題就可迎刃而解。通過分析歷屆電子設(shè)計競賽題目可以看出，很多控制類、數(shù)據(jù)采集類和信號類的題目在設(shè)計制作時，除了涉及單片機、ARM等嵌入式知識之外，系統(tǒng)的設(shè)計還需要傳感器檢測環(huán)節(jié)。如2016年給定的元器件清單光電傳感器、三維角度傳感器、彩色攝像機、無線收發(fā)模塊等都是常用的傳感器；儀器清單單片機開發(fā)系統(tǒng)、PLD開發(fā)系統(tǒng)等也都用到了單片機技術(shù)。

因此，本文結(jié)合本校測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生的參賽經(jīng)驗，探索電子設(shè)計競賽對兩門課程的融合教學(xué)改革的啟示和影響。

二、存在的問題

《傳感器與測試技術(shù)》課程屬于信息科學(xué)范疇，許多專業(yè)都開設(shè)有這門課程。特別是該課程屬于本校測控專業(yè)市級“核心課程建設(shè)項目”，是5門主干核心課程之一，總共40個學(xué)時。經(jīng)過10多年來的建設(shè)，在教學(xué)方式建設(shè)、試題庫建設(shè)、實驗項目建設(shè)等方面取得了長足進步。但是課堂中主要講述傳感器原理及組成、典型電路等知識點，學(xué)生缺乏主觀能動性，不利于學(xué)生能力的提高；同時實驗環(huán)節(jié)利用浙江高聯(lián)教儀CSY2000 Sensor系統(tǒng)，主要是驗證性、演示性的實驗，比如電子秤的單臂橋、半橋、全橋性能實驗，計算不同橋路的靈敏度和線性度，以觀察驗證為主，這類驗證性的實驗缺少開放新創(chuàng)新型環(huán)節(jié)，很難調(diào)動學(xué)生的積極性。

而《單片機技術(shù)》課程教學(xué)主要面向?qū)W生，側(cè)重基礎(chǔ)。傳統(tǒng)教學(xué)中主要講述控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及接口、最小系統(tǒng)、C＼T、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、編譯環(huán)境等內(nèi)容。表面上看，與學(xué)生學(xué)習(xí)知識的順序一致，但教學(xué)效果不甚理想，學(xué)生對每個模塊的學(xué)習(xí)相互孤立，在代碼編寫和硬件設(shè)計時就變得毫無頭緒。尤其是如今各個競賽項目不僅考驗學(xué)生的編程能力、電路設(shè)計能力，更注重對學(xué)生檢測、處理、分析信息的能力進行考查，更注重學(xué)生整合知識、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

感興趣的物理量采集離不開傳感器知識，電信號的處理基本可以由微控制器實現(xiàn)。因此，研究傳感技術(shù)與單片機技術(shù)的融會貫通式教學(xué)，是信息類人才綜合實踐能力培養(yǎng)所面臨的共性問題。本文擬討論將電子設(shè)計競賽項目引入傳感器課堂，讓學(xué)生能夠通過項目教學(xué)法，將抽象的傳感器原理實例化為具體的系統(tǒng)設(shè)計。

三、“雙課程融合”教學(xué)方法實施

（一）理論教學(xué)——優(yōu)化內(nèi)容，整合學(xué)時

兩門課程的孤立式教學(xué)使學(xué)生不能形成系統(tǒng)的專業(yè)知識技能。需要完成傳感器理論教學(xué)和實驗教學(xué)、傳感器課程與單片機課教學(xué)的融會貫通，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，將理論內(nèi)容適當(dāng)壓縮調(diào)整，增加實訓(xùn)項目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。常用的光敏、紅外、壓力、超聲、無線收發(fā)、溫濕度等類型的傳感器，側(cè)重于如何將被測量轉(zhuǎn)換成模擬電信號或標(biāo)準(zhǔn)的IO數(shù)字信號，涉及單片機課程里的運放補償、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換、C51微處理器及數(shù)字芯片選型等知識。測控專業(yè)學(xué)生對傳感器課程的掌握，不單純是熟悉傳感器的基本原理，更是體現(xiàn)在檢測系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計。因此，教師在優(yōu)化課程內(nèi)容方面，考慮將Proteus仿真軟件融入傳感器的教學(xué)中來，讓教師在講授理論的同時，可以利用設(shè)計好的電路圖來進行效果演示，針對系統(tǒng)的各功能模塊細化單獨講解，增強教學(xué)的直觀性；在整合課程學(xué)時方面，考慮到傳統(tǒng)類型的傳感器原理知識結(jié)構(gòu)類似，原理性強，綜合將其合并成18學(xué)時的課堂教學(xué)模塊，增加的學(xué)時主要分析電子秤、光控電路、測溫電路等典型傳感器電路設(shè)計，并讓學(xué)生參與其中，達到學(xué)以致用的目的。

（二）實踐教學(xué)——引案例，促創(chuàng)新

引入電子設(shè)計競賽項目，形成實驗課堂大眾化教學(xué)、創(chuàng)新基地精英化培養(yǎng)的實踐教學(xué)模式。一方面可開設(shè)電容傳感器及光纖傳感器的位移特性、電阻應(yīng)變片橋式電路、轉(zhuǎn)速測量、溫度檢測等實驗強化學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，另一方面注重與電子競賽的聯(lián)系，深入分析近年來的電子設(shè)計競賽內(nèi)容中的理論知識和實際制作，使學(xué)生可以對電子設(shè)計大賽項目中的基本模塊進行針對性的練習(xí)，另外也可以通過電子設(shè)計競賽項目促進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，同時定期組織學(xué)生參加各種規(guī)模的電子設(shè)計比賽，比如全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、重慶市“合泰杯”單片機應(yīng)用設(shè)計競賽、飛思卡爾智能車大賽等。教師依據(jù)往屆的典型競賽題目訓(xùn)練學(xué)生，促進學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，拓展學(xué)校在行業(yè)內(nèi)的知名度。

四、結(jié)語

研究“雙課程融合”教學(xué)方法使全體學(xué)生熟練地運用了傳感器和單片機課程知識，部分優(yōu)秀學(xué)生進入了學(xué)校的，電子設(shè)計競賽實踐基地。依據(jù)電子設(shè)計大賽的模式，按3人一組的方式自由組合，通過傳感器與單片機之間的深度融合，使更多有興趣的、潛在的學(xué)生加入進來。近5年來，本專業(yè)學(xué)生在各類學(xué)術(shù)、學(xué)科競賽上獲得國家級一等獎8項、二等獎23項，省部級一等獎34項、二等獎53項。由此可見，以電子設(shè)計競賽為導(dǎo)向的課程改革，在教學(xué)方法、實踐條件等方面都取得了長足的發(fā)展。也正因為此，電子設(shè)計競賽得到了越來越多教師和學(xué)生的認可，對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實踐能力具有重要的現(xiàn)實意義。

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