项目教学法在《可编程序逻辑》和《传感器与检测技术》中的应用

徐振平+李泽文+文汉云+董瑞智

摘要：应用项目教学法，将本科教学中具有一定难度的《可编程序逻辑》和《传感器与检测技术》两门课程与实践有机地结合起来，技术上采用可编程器件的A/D转换、存储器以及运算器的功能，与I2C协议结合将模拟的传感器电压信号转化为一定格式的数字信号；教学方法上注重学生的动手能力、团结协作能力，培养了学生的学习兴趣，增强了学生社会实践经验。

关键词：项目教学法；数字传感器；可编程

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0160-02

传感器与检测技术是一门理论性和实践性都很强的课程，而可编程序逻辑是对数字电路开发的软件化，深刻掌握有一定的难度，这两门课具有很大的关联性，如果有一个能将其结合的实际项目并做成课程设计，必能将教学实践引向深入。社会实践活动中对现实的感知都是模拟信号，而计算机处理的信号却是数字信号，所以大部分学生普遍反映对传感器的学习感到困難，虽然老师在课堂反复强调模拟信号转换为数字信号的优越性，并用A/D转换器做演示，但是教学效果却不够理想；同时可编程序逻辑主要讲解数字电路的硬件编程，应用的仿真软件有Quartus和XiLinx等，但是没有实际的电路设计，显得空洞无物，学生感觉不到太大的兴趣。为了改变目前的现状，我们引入了项目教学法， 指导学生开发一种将模拟信号转换为数字信号统一格式的传感器：基于I2C协议传感器的开发，因为是实际的项目，所以肯定有一定的难度，为此老师将自己开发的框架传授给学生，通过学习，学生对模拟信号数字化的统一格式有了深入的了解，对传感器与检测技术和可编程序逻辑这两门课学习兴趣大增，效果显著。

1 什么是项目教学法

项目教学法是以教学为主，完成项目为辅的一种教学方法。项目要有针对性，又不失其创新型，学生在创中学、学中创，既加深了学生对课本的理论知识的掌握，又锻炼了学生解决实际问题的综合能力。该教学方法中教师起组织、指导、帮助和促进的作用，学生通过该项目进行学习，对课程有一个全新的理解，能快速掌握难点和重点知识，增强了学生的沟通能力以及工作能力的独立性、创新性，对其将来的就业和工作大有裨益。

2 课程综合教学采用项目教学法的优势

按传统教学方法讲解传感器与检测技术就是讲解各种传感器的定义、工作原理和用途，带有一定的公式化，没有编程和仿真软件的演示，即使做成动画或者使用实物的图片，学生只能凭想象，无法深入理解，学习效果不太理想。可编程序逻辑既是一门硬件课程，又明显具有软件课程的特点，理论讲解就好像讲解一门新的语言类课程，完全不能让学生体会硬件效果的独特优势。采用项目教学法，做成课程设计，先讲解I2C协议，按协议开发传感器，将模拟信号转化为数字信号，采用独特的通信方式与单片机通信，而协议的开发则采用可编程序逻辑进行开发，不需要购买零碎的电子元器件，只需要一块可编程电路板和A/D转换芯片。基于传感器与检测技术和可编程序逻辑这两门课程综合教学的项目教学法，将传感器和可编程技术的理论和实践有机地结合，打破了传统的按章节学习理论、通过考试再进行实验操作的固有方法，吸引了学生的注意力，增强了学生的学习兴趣，提高学生的主观能动性进而提高了教学效果。

3 项目制定

1）理解I2C协议：I2C（Inter-Integrated Circuit内置集成电路）协议只需要两根总线，一根是时钟总线SCL，一根是数据总线SDA，用于连接微控制器（MCU）及其符合I2C协议的外围设备，是传感器数据传输领域广泛采用的一种总线标准。它采用的是同步通信方式，不同的传感器有自己的I2C地址，采用地址识别传可以连接多达128个传感器，传输的速率标准模式下可达100kbps（千比特/秒），快速模式下可达400kbps，高速模式下可达3.4Mbps（兆比特/秒）。智能化传感器多采用I2C协议，它们传输的是数字信号，而实际检测的信号是模拟信号，需要采用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，同时传感器有器件地址、寄存器以及协议逻辑，甚至伴有智能化的滤波算法对转换的数据进行处理。I2C通信协议：主要是波特率的设置和电平的规定。可编程控制器控制时间精确，完全满足I2C通信波特率的设置。

2）信号的采集：可以采用可变电阻分压的方式，也可以用一般的话筒或耳机的输出接到可编程控制器的管脚即可。

3）A/D转换器的采样控制：传统的采样控制是用单片机完成的，编程简单，控制简单，但是控制周期只能达到微秒（us）级，限制了 A/D高速性能的发挥，采用可编程硬件编程，可以使采样周期达到纳秒（ns）级，而且包括将采得的数据存入可编程控制器的内部RAM。

4）硬件地址：I2C协议通信只需要SDA和SCL两根线，却可以连接多达128个传感器，识别传感器的方法就是I2C硬件地址的选通电路，可编程控制器有此电路，只要对硬件编程即可。

5）寄存器地址：可编程控制器内寄存器丰富，可以存放双精度浮点数据，传感器采集的数据不停存放到寄存器中，并配有寄存器地址，由上位机发出寄存器地址将数据取出；同时，可以将传感器设置成不同的模式，模式数据也存到寄存器，由上位机修改数据后进行模式的配置。

6）滤波算法：算法要求简单，一般采用滑动平均滤波。可编程控制器内存储器多，还可进行多种算术运算；滑动平均滤波是将最新获取的N个数求平均，并将这个平均值作为新的检测数据，它减小了由于干扰引起的数据突变。

4 项目实施

1）教师针对学生情况给学生分组，一个组四名学生，学生没有好坏之分，只有能力方向不同之别，每组搭配学习基础好的、动手能力相对强的、写作能力强的、组织能力稍强的学生组合在一起，互相学习、取长补短，使学生的团队合作精神得到锻炼。

2）教师给出需求分析的伪代码，要求学生学习任务书及分析项目任务的要求，有了伪代码，让学生有一定的思路框架，学生积极性也会提高，学生分配自己任务，对代码进行改进、丰富、完善。

3）教师讲解项目涉及的知识点，要求换位思考，积极与学生互动，学生常常有比较独特的见解，学习上注意多鼓励、勤表扬、不批评，对不良现象当然要批评、引导，为完成任务打好基础。

4）要求严格按项目进度工作，定期和老师交流。

5）在项目实施过程中，教师要善于观察学生理论和实践知识学习过程，提一些具有启发性的问题，引导学生发现问题、研究问题、解决问题，对一些共性的问题还要反思自己的教学方法，对学生要集中指导。开通QQ交流平台，随时随地给学生答疑，督促学生的完成进度。

6）当小组集体完成项目任务后，用已有的单片机与其通信，找出不足之处并进一步的改进，还可以进行小组间的交流，修改直到满意为止。

5 项目评价

将各个小组的设计进行综合，根据采纳的内容评定小组的等级，注意只要能完成一部分功能都将通过本次课程设计。

因为是一个综合性的实践项目，涉及了两门课的重难点知识，既涉及软件又用到硬件知识，所以项目具有一定的难度，要了解开发流程，对自己所在团队的开发过程作出了一部分工作的，都将予以表扬和鼓励。

整体综合是完成项目的关键，老师将选出每个小组的优秀模块进行再融合，并把融合的思路、过程中出现的问题及解决方式介绍给学生，这样开阔了学生的思维能力、培养了学生的创新能力、提高了课堂教学质量，最后要求学生总结学习中的收获和经验，为将来的工作打好坚实的基础。

6 结束语

项目教学法是将实际的项目与学生正在学习的理论知识有机地结合在一起，既让学生掌握了理论知识的重难点，有锻炼了学生的实际操作能力，学生的学习过程是一个主动探索的过程，教师是引导者，学生是主体。本项目教学法是两门课的重难点知识综合的项目教学法，难度高、起点高、要求学生水平高，开始学生有一定的畏难情绪，通过对老师的开发思路和框架深入的学习，学生的兴趣越来越浓，做完后都很有成就感。

参考文献：

[1] 吴卓峰.项目教学法在可编程教学中的应用[J].黑龙江科技信息，2014（3）：104-104.

[2] 蓝红莉.项目教学法在《计算机组成原理》教学中的应用研究[J].中国科技信息（科技教育创新），2007（10）：218-219.