项目教学法在机电一体化教学中的实践应用
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摘 要：本文基于项目教学法，采用任务驱动模式，以单片机控制超声波传感器测距以及控制其他元器件工作为教学项目，让学生学习理论知识，并实际操作搭建控制模型，实现理论知识与实际应用的结合。
关键词：项目教学法 理实一体化 单片机
在科技发展日新月异的今天，科技在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。将教学内容转化成实际应用是教育者的职责。教师要在教学中努力做到理论知识与实际应用相结合，培养学生了解科技知识、运用科技知识的能力。教师在教学中要以项目成果为导向，注重学生的实践过程，将理论知识与实践结合，让学生真正地学以致用，并为学生的后续发展奠定基础。
教师通过项目教学法充分调动学生学习的积极性，从教师布置任务、学生思考、教师讲解项目、学生创新设计等方面，帮助学生实现主动学习、理论和实践相结合，锻炼学生独立思考、团队合作、独立解决问题等综合能力。
下面阐述Arduino控制SR04超声波传感器进行距离检测，并以返回的距离数值作为条件，进行LED或蜂鸣器的控制，从而实现智能夜灯或报警装置的设计。
一、课前准备
（一）任务布置
以往学生课前很少主动预习将要学习的内容，只是课上听教师讲解，并且不知课堂学习的知识应用在何处，听课时抓不住重点，这样学生学习的理论知识不能很好地转化为实际应用。
教师布置课前项目内容和项目中运用到的知识点，以任务卡的形式发放给学生。任务卡包含项目名称、项目内容、项目成果要求、支撑项目实施的理论知识点。学生可以明确学习内容，对任务有一定的责任感，通过课下独立查阅资料或搜集相关信息，可以大致了解。与此同时，对于项目还需要做好课前分组，一般每两人为一组，这样既可以培养学生的合作能力，又可以培养学生的领导力与执行力。教师要求学生整理好查阅的资料，对不理解的知识点做好摘录，并在教学过程中解决。这样的课前准备工作，既能促进学生自我学习，又能使其对整体的学习内容有把握。
布置任务为Arduino控制SR04超声波传感器进行距离检测，并将返回的距离数值作为条件，进行LED或蜂鸣器的控制，实现智能夜灯或报警装置的设计。
（二）所需元器件准备
教师指导学生将项目实施过程中运用到的元器件下发给学生，每组领取一套，并做好标记。其中Arduino UNO控制器一个、SR04超声波传感器一个、LED灯一个、蜂鸣器一个、220Ω电阻一个、杜邦线若干，同时提醒学生对元器件的引脚及连接等相关内容也要做好预习工作。
二、课程实施
（一）检查学生预习成果
通过随机提问的方式考查每组预习效果，并让学生描述预习内容。同时，提出与项目相关的问题，了解学生对基本知识的掌握情况，解答问题，并做好总结。
（二）理论知识讲解
理论知识的讲解要围绕重点内容开展。由于课前学生已进行知识点的预习，在课堂上会对超声波测距的浮点型函数、初始化串口函数、检测指定引脚上的脉冲信号宽度函数、元器件引脚功能进行重点讲解。对SR04超声波传感器的工作原理进行讲解时，采用学生展示原理、学生之间互相分享查阅资料和成果的方式，最终总结超声波传感器的工作原理。教师要向学生强调，超声波是频率高于20 000Hz的声波，它的指向性强、能量消耗缓慢、在介质中传播的距离较远。SR04超声波传感器是利用超声波特性检测距离的，其带有两个超声波探头，分别是发射和接收超声波，其测量范围是3～450cm。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时;超声波在空气中传播，途中遇到障碍物则立即返回，超声波接收器收到反射波则立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，即可计算出发射点距障碍物的距离，即s=340m/s×t，这就是所谓的时间差测距法。
（三）项目实践操作
在理解理论知识的前提下，学生掌握控制器引脚及元器件引脚。教师让学生按照电路图进行实物连接，并强调连接过程中的操作。其中SR04中的Vcc引脚连接Arduino的5V电源;SR04的Gnd引脚连接Arduino的Gnd;SR04的Trig引脚连接Arduino的数字口4，SR04的Echo引脚连接Arduino的数字口5。
在Arduino IDE软件的应用中，SR04超声波传感器的控制可以应用类库来完成，这样可以简化程序的编制。操作步骤如下：第一步，下载SR04类库，安装到Arduino IDE安装目录下，将其文件夹放到libraries文件夹内;第二步，进行程序的编制，编制完成后，将Arduino控制器应用USB连接计算机;第三步，点击Arduino IDE軟件中的＂工具＂—＂端口＂;第四步，点击＂√＂校验程序，若出现问题要进行调试，程序无误后点击＂→＂上传程序至Arduino控制器;第五步，点击＂工具＂—＂串口监视器＂检测返回的测量值。
这一操作过程考查学生对硬件与软件结合的能力，学生编程时也会遇到一些问题，如编程时是否采用英文输入的状态等，课上学生要收集操作过程中遇到的问题，以便课后解决。
（四）项目创新操作
学生通过理论知识的学习和实践操作后，运用已实现的基本操作技能，能完成超声波检测距离的过程，并将距离数值反馈。教师要激发学生自主创新能力，使其按照任务要求将返回来的数值作为条件，实现LED灯或蜂鸣器的控制。这一操作学生要独立完成，并结合以往所学知识点进行创新。
学生在原程序的基础上进行设计，组内学生可以互相交流，同时教师辅助解答疑问，对具有共性的问题可以做整体指导。
三、教学效果
（一）提高学生学习的积极性
课前学生将教师布置的任务作为自身的责任，自主查阅相关资料，为课上所学及表现做准备。项目教学法可以调动学生的好奇心，并且课上学生也会带着问题听课，达到更好的效果。
（二）加强学生对知识的掌握
通过学习理论知识与动手实际操作之间的互相反馈，学生可以加强对理论知识的理解，而理论知识又可以指导学生对实际的应用，达到正向反馈的目的。学生通过已掌握的知识可以开展头脑风暴，大胆进行项目的创新，开发很多具有实际应用意义的项目。
（三）鼓励学生自我学习总结
每个小组对学习过程中用到的理论知识、实际操作中涉及的操作流程及遇到的问题进行总结，教师进行点评并帮助其解决问题或加深知识的印象。通过反复强化，学生会得到很好的学习效果。
四、教学评价
在学生成绩评价中，细化考查内容，合理设计知识点所占的百分比，对实际操作中的操作流程、所解决问题、项目创新等考核点进行百分比的设置。综合学生各成绩的百分比情况，可以很好地了解学生对不同内容的掌握情况，为后续的教学改革提供可靠的依据。
五、小结
通过项目教学法，可实现以教师为主导、以学生为主体的综合学习。学生不仅能更好地理解理论知识，而且可以将理论知识与实际应用结合起来，深切感受科学知识在生活、生产中的应用。另外，细化的考核方式，有助于解决教学过程中反映出来的问题，有助于提高学生学、教师教的效果。
参考文献：
[1]李倩云.对项目教学法在机电一体化实践教学中应用的探讨[J].时代农机，2018 （6）.
[2]陈吕洲.Arduino程序设计基础[M].北京：北京航空航天大学，2015.
[3]李庆川.机电一体化实践教学中项目教学法的应用探讨[J].教育现代化，2016 （39）.