基于Arduino电子平台的传感器课程体系融合设计与研究

张 进

(江苏建筑职业技术学院 信电工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

传感与检测是现代科技的前沿技术，是制造业自动化和信息化的基础。随着信息技术的发展，传感器作为自动化智能设备的关键部件及物联网采集信息的终端工具，已经广泛应用于工业生产、科学研究、现代医学、现代农业、国防科技等领域。“传感与检测技术”是通信技术、电子信息工程等专业的一门必修课程，涉及物理、化学、力学、电学、光学、半导体技术等多门学科知识，渗透信息采集、信息处理、计算机技术、自动控制等工程方法，是一门理论性、实践性、综合性都很强的课程[1]。

1 课程及学情分析

“传感与检测技术”课程涉及学科种类多，内容广泛，知识点分散，给学生学习带来一定困难。同时，传感器类型繁多，实用性很强，仅靠课本上理论知识，学生无法真正掌握不同传感器的原理和应用。随新型材料的出现和加工工艺的改进，新型传感器也不断出现，传统的以教师讲授为主、辅助验证性实验的教学模式，难以调动学生的学习积极性，也跟不上社会和科技发展的步伐，不符合现代高职教育的培养目标。

本课程学习对象为高职类电子信息工程及通信技术专业大三学生，学历为高中或职高起点，知识基础薄弱，学习主动性差。传统教学重理论轻实践，实验环节简单模仿操作，难以激发学生的学习兴趣，学生所学知识理论与实际应用相脱节，实践动手能力不强，学习效率不高。

2 Arduino电子平台与课程

2.1 Arduino电子平台的特点

Arduino是一个开放源码电子原型平台，编译环境简易，工作流程简单，软件和硬件开源且易于扩展，可以实现跨平台使用，用户能够更快完成项目开发，节约学习成本，缩短开发周期。

Arduino平台现已广泛用于电子系统设计、互动产品开发、物联网领域产品设计等方面，其开发套件具有模块化结构，提供了各种不同类型类传感器模块，模块之间提供统一标准的接口。使用者根据需要，可以在一块面板上搭接完成电路，利用简洁的编程语言，就可以实现各种传感器的应用。Arduino开源电子平台可以与不同类型传感器电路相结合，搭接各种典型应用电路，程序设计简单，电路搭建方便，易于进一步功能扩展，为学生接触和使用传感器、掌握其原理和应用搭建了一个开源设计平台，真正实现了学以致用。Arduino开源电子平台的出现，为教育环境现状下，高职院校“传感与检测技术”课程的改革实施提供了新的思路[2]。

2.2 Arduino电子平台与课程融合构建优势

(1)Arduino平台及开发套件包含的传感器种类众多，分为数字传感器和模拟传感器两大类，种类达五十多种，基本涵盖了该课程所学的全部传感器类型。这些传感器具有统一标准的接口，方便进行组合设计，师生可以根据课程需要选择合适类型的传感器。

(2)利用Arduino平台及开发套件设计传感器应用实验，模块接口标准，设计容易上手，只需要进行简单接线和编程设计，就能完成原有课程中难以实现的实验内容，省略了硬件调试过程，大大提高学习效率，激发学生的学习兴趣，提高学生的实践动手能力。

(3)Arduino平台及开发套件携带和使用方便，学生不受时间和空间的限制，利用课上或课余时间完成项目制作，节省了实验室资源，提高了工作效率。

(4)基于Arduino平台的项目设计是利用编程实现硬件控制，设计简单，搭建方便，易于扩展。学生可以依据个人兴趣，在典型电路基础上，开发诸如3D打印、自平衡机器人、WiFi遥控智能小车、MINI四轴飞行器等创新项目。这些项目不仅充实和丰富了教学内容，还激发了学生进行科学研究与探索的兴趣，培养学生创新精神和创业意识，增强参与各项创新创业竞赛的能力。

3 构建方法及实施

针对以上的教学内容、教学模式和考核方式存在的问题，依据专业培养目标，将Arduino电子设计平台的优势与本课程相结合，对教学内容进行重新整合和设计。

课程内容的选择以学生需求为导向，教学模式以学生动手操作为主，借助简单的开发方式、开源的软硬件资源，使学生能更快上手，更加关注项目设计与实现，引导学生将所学传感器知识运用于创新实践操作中。

3.1 教学内容设计

本课程教学内容共分为9大模块，其中，1—2为准备知识，分别为检测技术基础及Arduino开发平台基础知识；其后3—9为7个单元，分别涵盖温湿度、力敏、气敏、光敏、超声波及无线传感技术等方面。本课程精心设计了12个项目，共包含17种不同类型传感器，项目新颖有趣，贴近生活，实用性强，便于操作实现，可以激发学生学习和探究的兴趣。项目所需要的传感器在Arduino电子平台上有实物，学生能够根据项目具体要求进行设计和编程，完成对应的项目内容[3-4]。具体内容及学时分配如表1所示。

表1 “传感与检测技术”课程教学内容设计

3.2 教学模式设计

传统的教学模式中，课堂教学是以教师讲授为主、辅助验证性实验，不利于激发学生的学习积极性，学习效率也不高。针对高职学生的培养特点，将原有被动式学习改为主动式学习和团队共同学习[5]。 下面以单元4项目2光敏感应灯设计为例，介绍教学实施过程。

(1)知识引入：教师在课上利用课件PPT、视频及实物等资料，向学生讲授光敏传感器工作原理及结构分类、传感器测量电路及适用范围。

(2)项目方案设计：根据项目任务，提出设计要求及设计原理，将学生分为不同小组，每组2～3人，在老师指导下，各小组同学自行讨论，并提出各自设计方案。

(3)完成电路接线图：按照设计方案，画出电路接线图，在Arduino开发平台上搭建电路。

(4)编写程序代码：根据设计要求，进行编程及程序调试，完成光敏感应灯的功能调试。

(5)编写实验报告：分组编写实验报告，完成实验数据处理与分析。

(6)演示和讲解：分组进行项目实现过程及结果的演示和讲解，教师点评并考核打分。

3.3 考核方式设计

针对传统课程考核方式存在的问题，对本课程的考核方式进行了相应的改革。减少对书本知识的死记硬背，加强对各类传感器原理及应用的理解和掌握。考核方式按照项目进行，并分组完成。根据项目任务要求布置实验内容，学生利用课上及课余时间设计并完成相关传感器电路搭接、编程及调试，得出实验结果。每完成一个项目，都要进行相应考核。

本课程按照教学过程与成果导向相结合的考核方式，分平时考核(30%)、项目考核(40%)、期末考核(30%)3个部分，进行综合成绩评定。

(1)平时考核，包括：出勤、课堂提问及表现、课后作业等环节。

(2)项目考核，学生以小组为单位，在完成指定项目以后进行演示和讲解；根据每位学生在分组中的表现进行考核打分。考核内容为实际项目中硬件电路设计、软件编程设计，考核指标包括项目设计指标的实现、理论和实践结合能力、实践动手能力、创新能力、团队合作意识等。

(3)期末考核要求学生独立完成一份大作业。确定设计报告题目，要求在指定时间内根据所学知识，完成一篇相关传感器实际应用的设计报告，主要内容包括传感器原理、所选元器件型号、测量电路的设计及系统组成等。考核指标包括报告的格式规范、系统结构的设计合理性、理论知识掌握情况及综合应用能力等。

4 基于Arduino电子平台的课程教学效果

2019—2020年的第一学期，在江苏建筑职业技术学院2018级电子专业开设的“传感与检测技术”课程中，引入Arduino电子平台，将其与课程内容进行融合设计，按照表1重构课程内容，设计7个单元共12个新颖的教学项目，将传统授课方式中的难点以项目的方式灵活呈现，学生的学习积极性和课堂参与度显著提高，取得了较好的教学效果。

经过实践，该课程的学生成绩合格率大幅提升，学生网上评教成绩也有较大提高。学生普遍认为，该课程的学习帮助他们将理论知识灵活运用于实践，对后续专业学习起到很好的作用。经过本课程学习，有部分学生对传感器产生了浓厚兴趣，自己设计一些时尚有趣、富有创意的电子产品，如摇摆温度计、光控台灯、自动避障小车等。也有学生在老师指导下，参与开发了基于物联网技术的智能家居、工业检测、个人健康等方面的创新产品，例如，学生参与设计的“基于语音控制的便捷式环境质量检测仪”等项目，在全国电子专业技能大赛、电子设计大赛等赛事中都获得了较好的成绩。

5 结语

通过江苏建筑职业技术学院2018级电子专业传感器课程的教学实践可知，Arduino电子平台与传感器课程融合构建的教学改革，激发了学生的学习兴趣和探究精神，提高了实践动手能力，培养了学生的创新意识和团队合作精神，增强参与各项创新创业竞赛的能力，使学生了解企业产品研发的标准过程，对后续专业课程的学习，参加各种技能竞赛及未来就业打下了坚实的基础。同时，提高了课堂教学质量，提升了教师的专业知识和业务水平，为教育环境现状下高职院校“传感与检测技术”课程的改革实施提供了新的思路。