基于单片机的项目式教学在传感器技术实践教学中的应用

卿启新　黄孝平

摘 要：本文把项目式教学方法应用到传感器实践教学中。以单片机作操作平台，与传感器结合实践教学，分项目模块化电路操作。在该方法的指导下，学生分组独立亲自全程处理一个项目，把项目与实际应用相联系，从中发现问题，学习如何应用技术来解决问题，如何处理新的想法和概念，锻炼学生的思维创新能力。该方法在教学上的应用获得的效果比较好，真正使学生学有所成，学有所用。

关键词：传感器 单片机 项目式教学 模块化

中图分类号：G712 文献标识码：A

1.引言

传感器技术课程是一门应用性比较强的课程，综合了电路，模拟电子，数字电子、电子工艺焊接、PCB制作、电路设计等知识，使用范围广，涉及的领域宽，是大专院校涉电类教学的一门专业基础课程。当今日新月异的电子技术发展，给传感器教学提出了更新更高的要求。根据常规的传感器教学条件，一般可分为以下几类：一是纯粹的理论教学——“教师讲，学生听”的“填鸭式”[6]教育模式，这在一般的高校里普遍存在，这样的理论教学让学生只能凭空想象，很多迷惑，到底应该怎么应用，有没有实物应用。二是传统的教学方法——理论加实验教学，这样的教学模式较经典，分析一下常用的电路图，通过几个实验演示，虽然学生既学习了理论，也动手做了实验，但就这么简单的插线接线，属于机械性的操作教学，而且是脱离实际应用的，起不到实际的效果。这造成学生自学能力较弱，创造能力低，影响了学生的学习兴趣，严重束缚了学生智力的发展和能力的提高，

针对传感器技术的教学，应该与社会联系，与本学校的教学应用相结合。尽管如此，造成这样的现象或问题有多方面的原因。集成电路的飞速发展，电子产品更新周期快，相应教材也时刻在更新替换，教学上传感器实验设备更新慢，这就造成实验设备落后，跟不上社会的发展，而且维修困难，以致部分高职院校只把它当一门理论课程开设。然而，社会希望培养的人才与社会实际接轨，对人才层次提出“更新更高更强”的复合型人才需求。针对这样的教学模式培养的人才是无法满足社会的需要。

为适应社会的需求，改变当前以及针对当前传感器教学的困难所在，本文提出把项目式教学的方法应用到传感器实践教学当中。该方法在应用中突出“以实践项目为主线、教师为辅、学生为主”[1]，改变了以往“教师讲，学生听”被动的教学模式，强调学生的自主学习，主动参与。该方法基于单片机操作平台，分项目分步骤模块化操作。把单片机与传感器教学结合，这是本学院传感器课程实践教学的特色。在教师的指导下分组独立亲自全程处理一个项目，帮助学生学会解决在处理项目中遇到的困难，使他们提高对学习的兴趣，调动他们的学习积极性，培养学生的思想道德品质和能力素质。在制作过程中不断吸纳的新知识，又激发了他们的自学和创新能力，并使他们感觉到获得一种成就——学有所成，学有所用的学习效果。

2.传感器项目式教学方法应用

传感器项目式教学方法注重理论与实践相结合。要完成一个项目，必然涉及如何做的问题。这就要求学生从原理入手，结合原理分析项目并制定详细方案。在整过教学的进程中，制定一个教学计划：把传感器课程分为十个典型的项目来实践教学，这些项目是与生活实际应用相联系的，如红外线探测在自动门上的应用，在银行取款等场所门上装有应用，并进行具体的模型演示；二氧化碳浓度检测传感器，在大棚温室种植等农业、一些工业化生产中应用，还可拓展到其他环境气体检测，家庭煤气检测报警等设计应用；温度检测传感器，这比以往的温度传感器检测有所不同，根据检测的温度，可以自动的进行调节，跟踪，信息连续的输入到电脑上进行显示；光电传感器在家居生活中的普遍应用，如照明灯的自动开关控制，声控灯等设计；超声波传感器探测，电子称重计的设计。这样，每个项目都是独立出来的，根据基本原理来实施。整个项目从建立到实施完成，学生的收获比较丰富，积累了经验，各知识间跨越性使用以及相互融合。在这种教学模式下，学生可以重复的进行操作，而且能起到举一反三的教学效果。因为是以单片机为操作平台，这个平台是固定不变的，所以硬件电路的基本组成学生能很快熟悉，电路的设计模式学生经过两三次后，都能够熟练进行处理并设计。项目实施步骤包括：硬件电路设计和程序设计两部分。

2.1电路模块化

传感器项目的电路设计模块化，即插即用，通过单片机微处理器作为控制平台来实现。

（1）单片机控制操作平台

单片机作为一个控制平台，实现的功能为把传感器探测信号经信号处理后，通过A/D转换，输入到单片机内，经过单片机内部下载的程序运行处理，转换结果通过LED或LCD显示屏输出，并输出控制信号进行过程控制处理如报警，启动下一步调节等操作。因此，单片机控制操作平台基本的组成应有电源电路、单片机芯片、A/D与D/A转换电路、LCD显示、通信端口和信号控制输出口等连接。最小单片机系统如图1所示。

[TP5月-3.TIF，BP#][TS（][JZ]图1 最小单片机系统[TS）]单片机作操作平台存在的优势及特点：1.通用性比较广，高职院校都有开设这门课，学生具有一定的基础，使用较容易；2.重复性使用，开设单片机课程一般都具有实验开发板，可节约实验耗材，降低固有成本，且维护方便；3.增强学生对单片机和编程语言的进一步掌握和巩固，学以致用，独立开发或制作自己感兴趣的小作品；4.各科知识交叉融会贯通，锻炼学生的动手能力，如制作电路板，电路设计能力等，加强各方面的学习。

2.2传感器电路模块化

传感器是把非电信号转换为电信号的关键器件。传感器模块包含以下三部分：1.传感器探测器件；2.信号处理放大电路；3.补偿电路。电路设计制作步骤分为：绘制电路原理图、测量元器件封装尺寸、制作PCB板、焊接元器件、电路测试；这一环节需要学生提供设计方案，设计理论，设计预期实现目的，以及搜集整理信息和资料，同時要做一个预测，就是在设计制作过程中会出现的问题，如何采取应对的方式。这是关键，因为设计电路制作出来，要能达到预期效果，否则就不成功。

2.3程序设计

用程序来代替硬件电路信息转换部分，数据的采集存储等，既节省硬件资源，节约成本。在单片机内装载有完成相应功能的程序，可重复性操作。从A/D转换输入数字信号与单片机程序进行对比转换得到所需要的结果并输出显示。以二氧化碳浓度检测为例，主程序中，首先是对所要应用到的各部分寄存器，以及引脚的一些功能进行初始化设定。接着就是一个关于显示、等待按键、调节输出的大循环。系统主程序的程序流程图如图3所示。其他子程序，如数据的采集、处理与存储程序的设计，使模拟的二氧化碳浓度信号进行A/D转化，在等待转化完毕后，调用储存程序。储存子程序主要是把之前所存储的浓度值存入后一位寄存器中，以便按键调用显示。最后，把读取的数字信号经行处理，转化为相应的十进制二氧化碳浓度值，存入对应寄存器中。具体流程如图4所示。

[TP5月-5.TIF；X+2mm，BP][JZ]图3 系统主程序流程框图

[LL][TP5月-6.TIF；X+2mm，BP][JZ]图4 数据的采集、处理与储存程序框图

3.教学反馈

在实践教学中，总体来说，效果是良好的，学生积极学习，主动询问和查找资料。同时，使教师和学生间发生角色换位，这对教师是一个激励作用，激发教师的创造欲望。在实施这一教学方法中，教师应该注意的一些事项：1.准备工作，教师在进行实践前，必须要做好充分的工作准备，选取合适的项目，制作考核评价表等；2.管理制度，教师必须管理好实践教学中的教学秩序，不能让教学形成一个混乱的场面，建议采用双师教学，进行有效管理；3.安全制度，教师必须严格执行实验室的规章制度，在实践前，必须对学生进行安全培训和了解实验注意事项，尤其在制作电路板的过程中，必须确保学生实践过程中的安全；4.注意合理的评价方式，让学生体会到成功效应，目的是让学生更好的加强学习，强化能力，激发学生的主体能动作用。

因此，在此教学方法实行过程中，教师承担的工作责任会增大，但学生的学习兴趣，学习态度跟以前上课大有改观。教学的一个目的是学生能学到知识，学有所用，项目式教学直观的展示，带动学生，吸引学生去做，并获得成功，这让学生有一种喜悦感，参与的存在感和成就感。

4.总结

基于单片机的项目式教学法使学生在学习传感器技术应用上有很大的帮助，获得教学效果好。在教师有目的地引导下，通过两到三个项目的操作，学生掌握其步骤，熟练其工作流程，有利于培养学生自学能力、创造能力，激发学生对四种能力（接受能力，理解能力，应用能力和创新能力）的展示和应用到实际中，培养了学生合作、解决问题等综合能力。项目教学来源于实践，又发展于实践，只要敢于创新、善于用心，充分发挥教师的辅导作用和学生的主体性，不断推进项目教学方法，提升学生的学习兴趣和应用能力，必然能够实现培养更多、更好的技能型应用人才的目标[7]。

参考文献：

[1]赵小灵.项目教学法在传感器课程中的应用[J].企业科技与发展，2009，（12）.

[2]郑东旭.传感器与检测技术.课程的项目教学及思考[J].科技信息，2009，（34）.

[3]吴一桥.校企共建高职校内实训基地探索[J].中国成人教育，2009，（04）.

[4]李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术[M].电子工业出版社，2008.5.

[5]王楠.浅谈高职院校教学方法和教学手段的创新[J].现代阅读，2012（10）.

[6]王建鹏，刘云潺.传感器课程项目式教学[J].民营科技，2011（10）.

[7]施瑾.淺析项目教学的设计与实施[J].学科教与学，2007，12：89-87.