高职院校基于Arduino的传感技术课程教学研究

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　　摘  要：针对高职院校电子类专业课程体系中传感技术课程教学内容综合性强、对基础知识要求高、缺乏实验设备、教学效果不理想的现状，该文分析了将Arduino开源硬件平台引入传感技术课程的可行性。以Arduino开源平台为载体，探讨了如何在传感技术课程的教学内容、实验项目、拓展方案和考核方式等方面进行改革和实践，最后达到了良好的教学效果。
　　关键词：Arduino开源硬件  传感技术课程  教学改革
　　中图分类号：G71    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）04（c）-0023-02
　　高职电子类专业课程体系中都有传感器应用技术这门课程，传统教学过程中，对学生电子线路、单片机原理等基础课程的要求很高，同时由于很多学校没有建設相应的实训室，导致学生普遍学习效果不理想。为了能解决目前这些问题，该文首先讨论了Arduino开源平台的优势，然后探索了将Arduino开源平台应用于传感技术教学改革的具体措施，最后分析了传感技术课程教学的改进方向。
　　1  传感技术相关课程教学现状
　　目前的传感技术教学一般按照“模块—课题—任务”的方式进行，虽然这种教学模式改进了传统教学内容陈旧的缺点，突出了传感器在工程实践中的应用，但是通常任务中会涉及很多电子线路和单片机的知识，而高职院校的学生理论基础普遍较差，过多的电路分析和程序设计内容会让他们望而却步，只有少部分学生能够达到理解、分析、完成任务的要求，所以这种模式不能激发大部分学生的学习热情。
　　怎样融合传感技术相关课程教学中的“教、学、做”一体化，提高动手能力和学习兴趣，同时培养大学生发现问题、解决问题的能力是课程教学中亟待解决的问题。针对这些问题，有的高校通过引入新型设备、建设一体化实验室等措施为学生提供实验平台，但是传感器技术发展迅速，受限于设备价格和更换维护成本，很多实验室后续运行效果并不理想。
　　2  使用Arduino进行传感技术课程教学的策略
　　Arduino作为最典型的开源硬件[1]，其集成硬件平台和开发环境简单易用，通过使用Arduino开源平台可以大大降低基础知识薄弱的电子类专业学生的学习难度，在提供学生动手能力和创新思维的同时，也能够降低设备的成本，并满足当下硬件集成化、模块化的设计要求[2]。
　　2.1 Arduino平台简述
　　Arduino平台包括硬件和软件两个部分组成，Arduino开发板可以利用预留的I/O口与各种外设模组连接，而Arduino平台提供的Arduino IDE开发软件对底层硬件进行了封装，屏蔽了单片机的硬件编程细节，降低了技术开发的门槛[3]。
　　学生不仅可以通过面包板、杜邦线、外设与Arduino控制板来搭建硬件电路，在Arduino IDE中编写软件程序进行系统调试。还可以在电脑上使用虚拟的元器件进行仿真，可以大大提高实验的成功率。由于Arduino平台开源和可扩展的特性，越来越多的外设和程序库能够支持Arduino，学生可以逐步从完成简单易用的小实验到进行复杂产品的开发，有助于激发学生的创造力。
　　2.2 基于Arduino平台进行传感技术课程的教学改革
　　（1）构建基于Arduino平台的传感器技术教学内容。
　　传感技术课程一般包括声音、温度、湿度、光电、气体、红外、磁敏、超声波等传感器模块，在进行每种传感器模块原理的讲解后，可以将相应传感器模块和Arduino平台结合起来，先由老师进行演示操作，再由学生完成相应实验。通过设计丰富的实验案例，例如Arduino智能声光感应灯、Arduino电子温度计、Arduino自动浇花系统、Arduino烟雾报警器、Arduino智能循迹小车、Arduino风速测量装置、Arduino超声波测距仪等有趣的项目，不仅能够帮助学生掌握传感器的特性，还能促进学生了解这些传感器在工程中的应用，在动手操作中获得成就感，增强开发体验。
　　（2）基于Arduino平台的传感器实验的具体实施。
　　Arduino平台可以方便地连接各种传感器模块，当这些传感器感知外界环境发生变化时，可以通过预先设定的程序来实现交互产品的开发。下面以人体感应小夜灯的制作为例说明Arduino平台在传感器教学中的具体实施。
　　该实验的目的是熟悉热释电红外传感器的工作特点及实际应用，实现常见信号的信息获取，实验的硬件接线图如图1所示。当外界光线越暗的时候光敏电阻阻值越大，分压越高。而人进入人体红外感应模块的感应范围后，其“OUT”引脚输出高电平，人离开感应范围， 该模块的“OUT”引脚将自动延时关闭高电平，输出低电平。主程序会根据光敏电阻分压信号和人体红外感应模块的输出来判断外界环境，当光敏电阻显示外界环境较暗，同时有人进入感应范围时，LED灯就会自动开启，给人提供照明。
　　该实验还可以扩展为其他实验，比如利用人体红外感应模块可以在房间无人时自动实现家电的关闭，还可以结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等。
　　（3）基于Arduino平台的传感技术课程教学考核。
　　传感技术课程考核也由传统的理论知识考核转变为知识考核和技能考核两个部分。知识考核部分主要考查学生对传感器原理、特点的掌握情况，而技能考察通过对8个实验项目过程进行考核，能够反映学生对学习知识的应用情况。
　　3  结语
　　该文在分析传感技术教学过程中的问题的基础上，提出了在传感技术教学过程中引入Arduino实验项目的思路。通过对Arduino项目的学习和实操，学生能够实际体会到传感技术在生活中的应用，有助于学生学习兴趣、创造力和团队合作能力的培养。
　　参考文献
　　[1] Sobota J，Pi lR， Balda P，et al. Raspberry Pi and Arduino boards in control education[J].IFAC Proceedings Volumes，2013，46（17）：7-12.
　　[2] 陈丛浩，张正中.Arduino的应用及发展前景[J].轻工科技，2018（5）：77-78.
　　[3] 杨继志，郭敬.Arduino 的互动产品平台创新设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（4）：39-41.
　　基金项目：校级项目——高职电子类课程进行Arduino项目教学的探索与实践（项目编号：2019YJ001）。
　　作者简介：张芳（1988—），女，汉族，湖北宜昌人，硕士，助教，研究方向：教育教学。
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