傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與改革

李 菲

邵陽學(xué)院 湖南邵陽 422000

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)必不可少的實(shí)踐環(huán)節(jié)，理論知識(shí)需要通過實(shí)驗(yàn)才能加深印象，幫助消化和理解，理論知識(shí)才能得以鞏固。所謂“紙上談兵”的教學(xué)模式是不可取的，必須通過不斷的實(shí)驗(yàn)，反復(fù)驗(yàn)證，才能達(dá)到較好的教學(xué)效果。因此，如何開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是課程教學(xué)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。

任何實(shí)驗(yàn)的開展都建立在實(shí)驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)儀器直接影響到實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。所以長期以來，不管是高等院校還是科研單位，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資都需要重點(diǎn)考慮。

1 現(xiàn)有傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的弊端

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，由傳感技術(shù)、通信技術(shù)、處理技術(shù)和控制技術(shù)組成的信息技術(shù)也得到了極大的推進(jìn)。作為信息技術(shù)之首的傳感技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的作用也日益突顯，所以，在電子信息類專業(yè)開設(shè)關(guān)于傳感技術(shù)的課程必不可少。但由于傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器實(shí)驗(yàn)也逐漸顯現(xiàn)出一些弊端。

1.1 弊端的分析

(1)近幾年，由于技術(shù)的融合，新傳感器大多結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，通常是多個(gè)學(xué)科交叉結(jié)合的產(chǎn)物，原理較深?yuàn)W，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但價(jià)格也較昂貴，因此，實(shí)驗(yàn)室不可能配備全套產(chǎn)品供學(xué)生實(shí)驗(yàn)，而僅通過理論研究，不能讓學(xué)生產(chǎn)生相對(duì)直觀的印象。

(2)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，不管是單獨(dú)的傳感器，還是傳感器模塊，大多是密封的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料等如同黑匣子，我們從外部無法探知，學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)。

(3)傳感器的信號(hào)調(diào)理復(fù)雜多樣，不同的傳感器應(yīng)用于不同領(lǐng)域時(shí)，可根據(jù)不同的技術(shù)指標(biāo)采用不同的轉(zhuǎn)換電路。但從現(xiàn)有設(shè)備情況分析，信號(hào)調(diào)理電路是封裝在特定的模塊內(nèi)，不只功能單一，而且具體參數(shù)指標(biāo)都無法得知，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新。

(4)現(xiàn)有傳感器實(shí)驗(yàn)大多只對(duì)應(yīng)幾種簡單的傳感器，而且大部分重心放在信號(hào)采集過程，對(duì)于傳感器的信號(hào)特性分析較少。

1.2 改革的需要

鑒于上述弊端，對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革是非常必要的。

教育部在《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量若干意見》(教高[2006]16號(hào))文件中提出：“要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實(shí)驗(yàn)等。”因此，我們一直在考慮將傳感器實(shí)驗(yàn)與虛擬技術(shù)相結(jié)合。

根據(jù)近年的觀察與調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)新的智能化傳感器層出不窮，微處理器和網(wǎng)絡(luò)與傳感器的融合技術(shù)快速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)也越來越多地被應(yīng)用到信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域[2]。

我們提出構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的立體化開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用虛擬儀器技術(shù)完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，促進(jìn)傳感器課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力及素質(zhì)的全面發(fā)展。

2 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)是測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是兩門學(xué)科最新技術(shù)的結(jié)晶。

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

虛擬儀器技術(shù)融合測(cè)試?yán)碚摗x器原理和技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、高速總線技術(shù)以及圖形軟件編程技術(shù)于一體[3]，它利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件完成各種測(cè)試、測(cè)量與自動(dòng)化，具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間短以及無縫集成等特點(diǎn)。

2.2 應(yīng)用于傳感器實(shí)驗(yàn)中的意義

虛擬儀器中最常用的開發(fā)工具是Labview軟件，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究性實(shí)驗(yàn)室。Labview軟件使用圖形化編程語言，采用能編譯成機(jī)器代碼的圖形框圖編程，在很多場(chǎng)合可以進(jìn)行多種參量的分析(如溫度、壓力等)，然后根據(jù)分析結(jié)果控制某一個(gè)目標(biāo)，其與檢測(cè)信號(hào)所用傳感器是密不可分的。

3 構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

本著重基礎(chǔ)、重應(yīng)用、重創(chuàng)新的方針，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新素質(zhì)的全面發(fā)展[4]。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合，以項(xiàng)目式教學(xué)為導(dǎo)向

實(shí)驗(yàn)不再圍繞具體的傳感器開展，而是采用項(xiàng)目式教學(xué)的模式執(zhí)行，驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大幅度減少，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)所占比例提升到85%以上。如實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為：溫度測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量等。實(shí)驗(yàn)室提供相關(guān)的傳感器或信號(hào)調(diào)理電路模塊，學(xué)生可依據(jù)自己的設(shè)計(jì)指標(biāo)選擇傳感器或具體的信號(hào)調(diào)理電路。這樣做可能在某種程度上提高了教學(xué)的難度，但這種模式更有利于學(xué)生的發(fā)展，更能激發(fā)學(xué)生的思考能力。

3.2 打破傳統(tǒng)“一體”式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)模塊化的開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

現(xiàn)在部分實(shí)驗(yàn)課程仍采用“一體”式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。所謂“一體”式，即所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都在一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器或?qū)嶒?yàn)箱上完成，學(xué)生只需根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的說明，用連接線從*號(hào)插孔連接到*號(hào)插孔即可，有些同學(xué)甚至不明白實(shí)驗(yàn)原理也能完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式不僅不能使理論知識(shí)得到應(yīng)用與鞏固，而且無法鍛煉學(xué)生的動(dòng)手與創(chuàng)新能力。因此，為了加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，我們不再拘泥于傳統(tǒng)的“一機(jī)”式實(shí)驗(yàn)方式，而是采用模塊化的教學(xué)方法。

所謂模塊化傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指將實(shí)驗(yàn)中相關(guān)的主體電路做成小型模塊，不再有專門、完整的實(shí)驗(yàn)電路，學(xué)生可以根據(jù)需要自行搭配電路。如信號(hào)調(diào)理電路中常用的差動(dòng)放大電路、濾波電路等，這些都不再封裝于專門的模塊上，而是單獨(dú)設(shè)立。如果進(jìn)行溫度測(cè)量設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可根據(jù)相關(guān)的小模塊自行設(shè)計(jì)方案，如方案1：熱電偶+差動(dòng)放大器；方案2：PT100鉑熱電阻+電橋+差動(dòng)放大器等。這樣大大提高了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，也避免了依葫蘆畫瓢的現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 引入虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

將虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要可以進(jìn)行以下三方面的改革：

3.3.1 對(duì)傳感器采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理

學(xué)生使用傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)信號(hào)，可在專門的VI測(cè)試面板中進(jìn)行分析和處理，如采樣頻率、采樣長度等。通過對(duì)數(shù)據(jù)的各種分析，使學(xué)生更加了解傳感器的性能。

3.3.2 自主開發(fā)與二次開發(fā)

一般情況下，實(shí)驗(yàn)室所具備的測(cè)試系統(tǒng)比較有限，而且較為常用。如果有學(xué)生需要測(cè)量一些特殊環(huán)境的參量，可根據(jù)實(shí)際的采集環(huán)境，基于Labview圖形編輯軟件，開發(fā)出具體的測(cè)試系統(tǒng)。此外，學(xué)生也可以在原有的測(cè)試系統(tǒng)上增加或刪減功能模塊，使自主開發(fā)和二次開發(fā)得以實(shí)現(xiàn)。

3.3.3 節(jié)約成本

信號(hào)檢測(cè)需較多的測(cè)量儀器，通過虛擬儀器技術(shù)可以模擬出大多數(shù)的測(cè)量儀器，這樣不僅大大降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本，也可避免實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞或老化。

4 結(jié)束語

目前，越來越多的國內(nèi)外院校致力于研究基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。筆者提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式仍有很大的改善空間。今后，可考慮與其他課程結(jié)合，形成一個(gè)基于完整工程鏈的學(xué)習(xí)體系，如傳感器+模擬電子線路+單片機(jī)+PCB設(shè)計(jì)+制版焊接+常用測(cè)量儀器的使用與系統(tǒng)調(diào)試。

[1]張臣文.基于虛擬儀器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯縖J].襄樊學(xué)院學(xué)報(bào),2010,31(2):74-78.

[2]舒筠佳.基于虛擬儀器的高校電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)[J].上海電力學(xué)報(bào),2009,25(3):253-256.

[3]施敏敏.虛擬儀器在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2011,34:211-213.

[4]魏宏波.基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009(11):92-94.