單片機(jī)與傳感器教學(xué)內(nèi)容融合的課程改革分析

汪之又，陳英，劉安玲，周遠(yuǎn)，劉莉，鄒瑩暢，蔣國(guó)保，謝端

（長(zhǎng)沙學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙）

隨著醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、油氣管道、智能電網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)成為國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的熱點(diǎn)，上述領(lǐng)域中的創(chuàng)新應(yīng)用已經(jīng)成為傳感檢測(cè)技術(shù)的重要推動(dòng)力。國(guó)家十分重視和支持傳感檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，2016 年出臺(tái)的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確提出開(kāi)展傳感器核心器件等技術(shù)攻關(guān)，提升傳感器產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力，為傳感器的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用指明了發(fā)展方向。在國(guó)家政策支持、技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代背景下，傳感檢測(cè)技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)，尤其是機(jī)器人與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才需求非常強(qiáng)烈，因此將學(xué)科和工業(yè)發(fā)展的前沿技術(shù)和應(yīng)用與相關(guān)課程的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)緊密融合，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才之目的是當(dāng)前教學(xué)改革的熱點(diǎn)[1-2]。

作為人才培養(yǎng)的重要課程，“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”是電子信息類專業(yè)的必修課，融物理、電子、通信、自動(dòng)化等學(xué)科知識(shí)于一體，具有綜合性、多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，本課程以培養(yǎng)具有跨學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)和綜合應(yīng)用能力的應(yīng)用型人才作為教學(xué)目的。本文作者立足地方高校，通過(guò)與北京華清遠(yuǎn)見(jiàn)科技發(fā)展有限公司（以下簡(jiǎn)稱“華清遠(yuǎn)見(jiàn)”）開(kāi)展“產(chǎn)學(xué)合作，協(xié)同育人”的教學(xué)實(shí)踐工作，將學(xué)院已有的優(yōu)質(zhì)科研資源和華清遠(yuǎn)見(jiàn)在傳感檢測(cè)技術(shù)方面的研發(fā)、培訓(xùn)資源轉(zhuǎn)化為課程的育人資源，從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程考核三方面進(jìn)行了教學(xué)改革。

一 教學(xué)現(xiàn)狀及改革的必要性

目前“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程教學(xué)目的僅局限于使學(xué)生掌握傳感器的工作原理和特性，培養(yǎng)使用各類傳感器的應(yīng)用能力這些基礎(chǔ)要求，尚不能完全滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，因此進(jìn)行課程內(nèi)容改革，加強(qiáng)跨學(xué)科綜合應(yīng)用能力的考核是本課程教學(xué)改革的重點(diǎn)方向。為達(dá)到課程內(nèi)容改革目的，作者認(rèn)為需要解決“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”教學(xué)中的兩個(gè)矛盾：

（一） 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力之間的矛盾

為了讓學(xué)生順利完成原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)操作，理論教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)多數(shù)集中在原理講解部分，大量的物理模型公式和推導(dǎo)難以有效調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性；為調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性引入的應(yīng)用實(shí)例無(wú)法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)用到，難以幫助學(xué)生進(jìn)入掌握原理-分析用例-實(shí)際操作的良性發(fā)展軌道。

（二） 課程考核體系設(shè)計(jì)和考察學(xué)生應(yīng)用能力需求之間的矛盾

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用的實(shí)驗(yàn)箱在小型化、集成度、自動(dòng)化等方面與工程、科研實(shí)踐采用的傳感設(shè)備有普遍存在差距，難以有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的動(dòng)手熱情；同時(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以考核單一知識(shí)點(diǎn)的小實(shí)驗(yàn)，缺乏融入單片機(jī)等前置課程內(nèi)容的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)與其他課程出現(xiàn)脫節(jié)的現(xiàn)象，無(wú)法形成跨學(xué)科的綜合應(yīng)用能力[3-4]。

二 課程改革探討

本項(xiàng)目擬采用理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革同步進(jìn)行、從單純講授傳感檢測(cè)內(nèi)容向多課程內(nèi)容融合的實(shí)施路徑，以完善課程考核體系和教學(xué)大綱為目的，進(jìn)行“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”的課程內(nèi)容改革，如圖1 所示。

根據(jù)上述實(shí)施路徑，本項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容分為三個(gè)階段，具體介紹如下：

第一階段：結(jié)合傳感檢測(cè)技術(shù)的最新應(yīng)用，更新理論教學(xué)中的實(shí)例講解內(nèi)容，選購(gòu)華清遠(yuǎn)見(jiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)箱。

理論教學(xué)部分，結(jié)合近3 年來(lái)消費(fèi)電子、工業(yè)裝備以及作者在科學(xué)研究中采用的傳感器設(shè)備和檢測(cè)技術(shù)，更新理論教學(xué)中的實(shí)例講解內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)完整的傳感檢測(cè)系統(tǒng)有初步的認(rèn)識(shí)，對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目用到的傳感器模塊形成直觀的認(rèn)識(shí)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，根據(jù)理論教學(xué)要求重點(diǎn)掌握的傳感器類型、實(shí)驗(yàn)箱配套實(shí)驗(yàn)的可操作性和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)內(nèi)容的完整程度等因素綜合比較，作者從華清遠(yuǎn)見(jiàn)公司采購(gòu)無(wú)線傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)除配套濕度、溫度、加速度、氣體、磁場(chǎng)、光學(xué)與超聲波等傳感器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之外，還具有ARM 內(nèi)核單片機(jī)、和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信接口，可以支持包括嵌入式系統(tǒng)、信號(hào)處理相關(guān)技術(shù)的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

第二階段：基于實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，理論教學(xué)的工作原理和檢測(cè)技術(shù)部分同步加入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)理論知識(shí)。

理論教學(xué)部分，在第一階段形成直觀認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感器工作原理講解無(wú)線傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中傳感器模塊的操作以及數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)然A(chǔ)知識(shí)，建立工作原理與實(shí)例講解、實(shí)驗(yàn)操作之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的積極性。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，根據(jù)理論教學(xué)重點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課時(shí)長(zhǎng)度，與華清遠(yuǎn)見(jiàn)工程師一起在無(wú)線傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)傳感器的驗(yàn)證與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，通過(guò)教師預(yù)實(shí)驗(yàn)和學(xué)生試做等評(píng)估方式控制實(shí)驗(yàn)難度，在課程內(nèi)容改革的同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開(kāi)展。

第三階段：理論教學(xué)內(nèi)容融入單片機(jī)相關(guān)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完善課程考核體系，修改教學(xué)大綱。

理論教學(xué)部分，在傳感檢測(cè)系統(tǒng)章節(jié)中融入單片機(jī)控制的相關(guān)內(nèi)容，與傳感器的工作原理、應(yīng)用實(shí)例等內(nèi)容形成完整、清晰的傳感檢測(cè)系統(tǒng)知識(shí)脈絡(luò)，使學(xué)生具備完成跨學(xué)科綜合實(shí)驗(yàn)的知識(shí)儲(chǔ)備；理論教學(xué)考試環(huán)節(jié)在此章節(jié)的試題中增加跨學(xué)科綜合應(yīng)用能力的考核，并將本階段的課程內(nèi)容改革成果寫(xiě)入教學(xué)大綱的理論教學(xué)部分。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，根據(jù)第二階段教學(xué)改革中實(shí)驗(yàn)的完成情況以及本階段理論教學(xué)改革中學(xué)生對(duì)于課程融入內(nèi)容的掌握程度，與華清遠(yuǎn)見(jiàn)公司工程師一起設(shè)計(jì)并指導(dǎo)包括單片機(jī)控制采集在內(nèi)的綜合實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的期評(píng)成績(jī)中增加綜合實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)所占比例，并將本階段的課程內(nèi)容改革成果寫(xiě)入教學(xué)大綱的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分[5]。

三 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目的單片機(jī)與傳感器課程融合教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期的而且困難的過(guò)程其主要的核心就是建立一個(gè)以老師為主，學(xué)生為主的課堂，改革的目的在于積極探索適合應(yīng)用型人才的產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人培養(yǎng)方式，使電子信息類專業(yè)培養(yǎng)的人才更符合當(dāng)?shù)貐^(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。