基于行動(dòng)導(dǎo)向的《汽車?yán)鋮s液溫度傳感器》項(xiàng)目化課程設(shè)計(jì)

作者 / 徐挺 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院(上海 201411)

　　徐挺(1984-)，男，碩士，工程師，研究方向：高等職業(yè)教育、汽車電子應(yīng)用。

摘要：設(shè)計(jì)了一種汽車冷卻液溫度傳感器的教學(xué)設(shè)備，并基于行動(dòng)導(dǎo)向理論設(shè)計(jì)一堂《汽車冷卻液溫度傳感器》項(xiàng)目化課程，使學(xué)生使用設(shè)備完成項(xiàng)目任務(wù)。整個(gè)過程學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、自發(fā)探索、充分實(shí)踐，最終掌握課程知識(shí)并具備應(yīng)用能力。

0 引言

　　目前，國內(nèi)中高職關(guān)于《汽車?yán)鋮s液溫度傳感器》的理實(shí)一體化課程中，教學(xué)設(shè)備普遍偏重于對(duì)汽車?yán)鋮s液傳感器性能實(shí)現(xiàn)的教學(xué)演示，即接通電源，傳感器顯現(xiàn)電信號(hào)，并隨被測源狀態(tài)的變化而變化^[1-2]。在此過程中，學(xué)生通過觀察該現(xiàn)象，更直觀理解了傳感器的工作原理與性能，從而輔助理論教學(xué)，達(dá)到易于認(rèn)知的教育目的。

　　該教學(xué)方法雖經(jīng)典，但由于學(xué)生從始至終多為觀察和聽講，少有動(dòng)手參與，所以對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知度和記憶不深刻。且被測源(一般指水溫)往往定性且不可控，因此學(xué)生對(duì)汽車?yán)鋮s液傳感器的工作原理與性能僅停留在定性了解程度，難以理解其如何在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確測量。

　　本文設(shè)計(jì)出一種汽車?yán)鋮s液溫度傳感器教學(xué)設(shè)備，將汽車?yán)鋮s液溫度傳感器裝入模擬汽車水箱內(nèi)，水溫可定量設(shè)置與監(jiān)控，傳感器的熱敏電阻部分引出可測節(jié)點(diǎn)，其阻值(單體檢測)和電壓(就車檢測)均可通過萬用表測取。學(xué)生需動(dòng)手調(diào)節(jié)水溫，而后測量傳感器對(duì)應(yīng)阻值，在取得數(shù)據(jù)矩陣后繪制溫度-電阻曲線，并求得B常數(shù)，得出溫度-電阻函數(shù)表達(dá)式，進(jìn)而通過調(diào)試電路理解電阻值如何轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，最終掌握汽車?yán)鋮s液傳感器實(shí)現(xiàn)精確測量的原理。

　　整個(gè)過程基于行動(dòng)導(dǎo)向模式中最精簡的“四步教學(xué)法”^[3]：學(xué)生獲取任務(wù)信息;制定計(jì)劃;通過調(diào)試設(shè)備、測試數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、計(jì)算并出實(shí)驗(yàn)報(bào)告等步驟實(shí)施計(jì)劃，最后教師評(píng)估課程報(bào)告的結(jié)果。這一課程設(shè)計(jì)使得學(xué)生的實(shí)踐工作能力得到提升，對(duì)汽車?yán)鋮s液溫度傳感器工作原理和性能的理解也更加深入。

1 汽車?yán)鋮s液溫度傳感器教學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)

　　該課程的實(shí)現(xiàn)前提需要一種教學(xué)設(shè)備的支持，設(shè)計(jì)如圖1，該設(shè)備均使用最基本的電器元件，目的在于使學(xué)生動(dòng)手調(diào)試時(shí)能直觀理解其功能實(shí)現(xiàn)的邏輯原理。

　　水槽中放滿水，模擬汽車?yán)鋮s液水箱，將汽車?yán)鋮s液溫度傳感器的測量頭浸入水中，將其信號(hào)線引出，分別連接測量點(diǎn)A、B。電熱管置于水槽底部，可通過調(diào)節(jié)加熱開關(guān)控制水槽水溫的加熱速度。溫度計(jì)探頭浸入水中，置于傳感器測量頭附近，并顯示該區(qū)域水溫，精度為0.1 ℃。

　　當(dāng)傳感器單體檢測時(shí)，S1、S2、S3處打開狀態(tài)，調(diào)節(jié)加熱開關(guān)使水溫達(dá)到指定溫度，使用萬用表測量AB之間的電阻值，即對(duì)應(yīng)該溫度下汽車?yán)鋮s液溫度傳感器測量頭中NTC熱敏電阻的電阻值。

　　當(dāng)傳感器就車檢測時(shí)，S1、S2處閉合狀態(tài)，S3打開。調(diào)節(jié)加熱開關(guān)使水溫達(dá)到指定溫度，使用萬用表測量AB之間的電壓值，即對(duì)應(yīng)該溫度下汽車?yán)鋮s液溫度傳感器輸入給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的THW電壓信號(hào)。另外，當(dāng)水溫高于拐點(diǎn)溫度值時(shí)^[4]，由于傳感器輸出的電壓信號(hào)隨水溫的升高變化微弱，難以測量，我們可閉合S3，此時(shí)THW電壓信號(hào)變化幅度恢復(fù)，只需重新定義電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可。

2 《汽車?yán)鋮s液溫度傳感器》課程設(shè)計(jì)方案與案例

　　課程設(shè)計(jì)方案總框架根據(jù)行動(dòng)導(dǎo)向模式中的 “四步教學(xué)法”，將課程整體轉(zhuǎn)化為一個(gè)需要團(tuán)隊(duì)完成的項(xiàng)目。學(xué)生在明確項(xiàng)目目標(biāo)后，在教師的引導(dǎo)下，制定出如何使用現(xiàn)有教學(xué)資源去執(zhí)行任務(wù)的計(jì)劃，隨后通過小組討論、實(shí)踐嘗試，最終執(zhí)行到位，完成任務(wù)。期間，教師起啟示引導(dǎo)作用，并在最后對(duì)結(jié)果做最終評(píng)估與總結(jié)。

2.1 教師布置任務(wù)，學(xué)生獲取任務(wù)信息。

　　班級(jí)的學(xué)生建議以2人(最多不超4人)一組分組，每組分到一臺(tái)如圖1中的教學(xué)設(shè)備和一部萬用表，紙、筆、尺若干。教師布置任務(wù)：要求每組學(xué)生測量水溫分別在25 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、75 ℃時(shí)所持設(shè)備中汽車?yán)鋮s液溫度傳感器的THW電壓信號(hào)和NTC熱敏電阻值，記錄制成表格。繪制傳感器NTC熱敏電阻的溫度-電阻特性曲線草圖，計(jì)算B常數(shù)，并得出溫度-電阻函數(shù)表達(dá)式。

2.2 學(xué)生理解任務(wù)，制定計(jì)劃。

　　學(xué)生通過小組分工與討論，自主查閱教課書與教學(xué)設(shè)備使用手冊(cè)^[4]，以結(jié)果為導(dǎo)向反推執(zhí)行流程，在教師的引導(dǎo)下理清思路，制定出完成任務(wù)的計(jì)劃，如表1。

2.3 學(xué)生按照計(jì)劃，執(zhí)行任務(wù)

　　學(xué)生按照表1的計(jì)劃分工合作，落實(shí)執(zhí)行，一切過程以完成任務(wù)為導(dǎo)向，遇到問題，反饋修正，解決問題。整個(gè)過程充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動(dòng)性，以學(xué)生思考操作為主，教師引導(dǎo)解答為輔，符合目前德國職業(yè)教育中最盛行的行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)理論^[5]。

　　以一次典型課程為案例，每組2名學(xué)生分到的教學(xué)設(shè)備所搭載的汽車?yán)鋮s液溫度傳感器是桑塔納2000GLi的G62冷卻液溫度傳感器^[4]。在明確了此次課程的任務(wù)后，由教師引導(dǎo)下按照計(jì)劃(表1)的執(zhí)行結(jié)果為：

　　第一、二、三階段。2名學(xué)生均掌握了以下知識(shí)點(diǎn)：

　　(1) G62冷卻液溫度傳感器為NTC熱敏電阻;

　　(2) G62冷卻液溫度傳感器的熱敏電阻分布在其圓柱形頭部頂端;

　　(3) G62冷卻液溫度傳感器有3根引腳，1號(hào)引腳(棕色)為THW端，接EUC信號(hào)輸入點(diǎn)，3號(hào)引腳(藍(lán)色)為搭鐵，4號(hào)引腳(紫色)接汽車儀表盤水溫表，此次實(shí)驗(yàn)不使用;

　　(4) 教學(xué)設(shè)備中S1、S2、S3開關(guān)、電熱管加溫旋鈕的功能;

　　(5) 1號(hào)引腳接A點(diǎn)，3號(hào)引腳接B點(diǎn);

　　(6) 溫度計(jì)探頭盡量靠近傳感器測量頭，電熱管位置在水槽底部，注水量至剛浸沒傳感器測量頭為最佳。

　　第四、五階段。在選擇S3閉合的前提下，2名學(xué)生測得并分析整體出的數(shù)據(jù)：

　　(1) 在單體模式下，指定水溫下測得的G62冷卻液溫度傳感器熱敏電阻值記錄如表2。

　　根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制該傳感器熱敏電阻的溫度-電阻特性曲線草圖如圖2所示。

　　(2) 在就車模式下，指定水溫下測得的傳感器輸出信號(hào)電壓值記錄如表3。

　　第六階段。2名學(xué)生掌握了對(duì)于NTC熱敏電阻，其單體阻值和就車電壓均隨溫度的上升而下降的原理，并根據(jù)圖2趨勢(shì)，快速檢查原始數(shù)據(jù)，無誤后，利用25 ℃(298 K)和75 ℃(348 K)時(shí)測得的電阻平均值，計(jì)算桑塔納2000GLi的G62冷卻液溫度傳感器的熱敏電阻B常數(shù)為^[4]：

(1)

　　已知NTC熱敏電阻阻值與溫度的通式為^[4]：

R_T=AeB/T (2)

　　將T=298K，RT=2175 ?，B=3591代入式(2)得出：

　　A=0.0127

　　從而得出，桑塔納2000GLi的G62冷卻液溫度傳感器熱敏電阻的溫度-電阻表達(dá)式為：

R_T=0.0127e^3591/T (3)

　　隨后，2名學(xué)生各自將表1、表2、式(1)、式(3)結(jié)果寫入課程報(bào)告，完成任務(wù)。

　　第七階段，1名學(xué)生代表小組，對(duì)整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行過程、所獲結(jié)論、體會(huì)感悟做一個(gè)簡短總結(jié)發(fā)言。此時(shí)，學(xué)生深刻理解了溫度值如何由汽車?yán)鋮s液溫度傳感器采集，如何通過函數(shù)精確轉(zhuǎn)化為電阻值，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為信號(hào)電壓被汽車ECU接收的全過程。

　　教師評(píng)估結(jié)果，做出總結(jié)。教師對(duì)學(xué)生在該課程上的整體評(píng)估，分為課程報(bào)告評(píng)估與課堂表現(xiàn)評(píng)估，比重為80%和20%。課程報(bào)告評(píng)估中，汽車?yán)鋮s液溫度傳感器熱敏電阻測量值參考對(duì)應(yīng)G62傳感器檢測手冊(cè)^[4]，判定學(xué)生的測量結(jié)果是否合理。THW輸出信號(hào)電壓測量值，教師可參考公式(4)快速檢驗(yàn)評(píng)估。B和A值也可通過公式(1)、(2)檢驗(yàn)評(píng)估。建議教師將公式編入MATLAB等數(shù)值計(jì)算軟件，屆時(shí)直接輸入學(xué)生的測量參數(shù)即可評(píng)估結(jié)果。

(4)

　　課堂表現(xiàn)評(píng)估主要關(guān)注學(xué)生的操作規(guī)范性，課堂積極性、團(tuán)隊(duì)合作性、總結(jié)發(fā)言以及發(fā)現(xiàn)解決問題的能力。分?jǐn)?shù)由學(xué)生自評(píng)，小組成員互評(píng)和教師評(píng)估組成，分?jǐn)?shù)比例可由教師衡量，做出一個(gè)綜合評(píng)估。

　　最后，教師對(duì)汽車?yán)鋮s液溫度傳感器的各知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生本課程中的操作經(jīng)歷再做一次總結(jié)歸納，使學(xué)生對(duì)該課程有一個(gè)深刻認(rèn)識(shí)并將操作技能轉(zhuǎn)化為應(yīng)用能力。

3 結(jié)論

　　整個(gè)課程基于行動(dòng)導(dǎo)向理念，從始至終需要學(xué)生動(dòng)手調(diào)試，布線，測量，繪制，計(jì)算和總結(jié)，大大增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，使得課程內(nèi)容豐富而深刻。學(xué)生在做中學(xué)不但對(duì)過程印象深刻，而且正真理解了汽車?yán)鋮s液溫度傳感器的原理，掌握解決實(shí)際問題的方法，提高應(yīng)用研究能力，并觸類旁通其他汽車傳感器的原理及應(yīng)用。

　　另外，在課后，教師可對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行拓展。建議學(xué)生將所推導(dǎo)出的公式(3)和表2中的原始數(shù)據(jù)均輸入軟件(如MATLAB)生成函數(shù)曲線圖，對(duì)比后會(huì)發(fā)現(xiàn)，公式(3)曲線和表2中的各數(shù)值點(diǎn)并不完全重合。學(xué)生會(huì)因此思考溫度-電阻函數(shù)表達(dá)式中的B是否為準(zhǔn)確，進(jìn)而去探究B值更精確的求值方法和實(shí)際工程中對(duì)B值的標(biāo)定方式^[6]，這是對(duì)本課程更進(jìn)一步的能力拓展，教師可有選擇性實(shí)施，本文暫不予以展開。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第45頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。