傳感器系列課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

謝春利，劉俊杰

(大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

傳感器系列課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

謝春利，劉俊杰

(大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

針對目前測控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)中存在的問題，對傳感器系列課程的課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等進(jìn)行了一系列的改革與探索。構(gòu)建了以傳感器原理與技術(shù)、測控電路、微機(jī)原理與接口技術(shù)和檢測技術(shù)為主線的理論教學(xué)體系；以傳感器、測控技術(shù)與系統(tǒng)綜合、儀表設(shè)計(jì)、單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力實(shí)訓(xùn)為主題的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)體系。改革相應(yīng)的教學(xué)方法與手段，實(shí)施多元化考核方式，建立系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新模式。

傳感器系列課程；教學(xué)改革；創(chuàng)新能力；實(shí)踐能力

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防建設(shè)和日常生活中，人們需要測量外部世界的一切非電量，這些都離不開傳感技術(shù)。傳感技術(shù)是關(guān)于從外部世界獲取信息，并進(jìn)行處理和應(yīng)用的一門現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)，具體包括信息的采集、分析、處理、顯示和應(yīng)用等方面的內(nèi)容[1]。其中傳感器是實(shí)現(xiàn)信息采集的器件，是自動(dòng)檢測系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)[2]。為了及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取信息，就必須合理地選擇和應(yīng)用各種傳感器與檢測儀表[3]。

傳感器系列課程是學(xué)習(xí)和掌握傳感技術(shù)的重要課程，也是高校中自動(dòng)化類相關(guān)專業(yè)的必修課程。該系列課程中的儀表設(shè)計(jì)與實(shí)踐、傳感器原理與技術(shù)、測控電路和檢測技術(shù)等課程是學(xué)習(xí)和掌握傳感技術(shù)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，課程教學(xué)內(nèi)容與方式是否合理，直接關(guān)系到專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。同時(shí)，該系列課程涉及到電子、測量和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息處理等眾多學(xué)科，其實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)。因此，傳感器系列課程的掌握程度，對學(xué)生專業(yè)技能、工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有十分重要的作用。

針對目前測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程教學(xué)中存在的問題和學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才的定位，在學(xué)校2013級培養(yǎng)方案的修訂中，以專業(yè)類(專業(yè)基礎(chǔ))教育和專業(yè)教育課程為平臺(tái)，對傳感器與檢測技術(shù)的相關(guān)理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程進(jìn)行優(yōu)化整合，具有十分重要的意義。

1 傳感器系列課程教學(xué)現(xiàn)狀

以大連民族大學(xué)傳感器系列課程教學(xué)現(xiàn)狀為例，大連民族大學(xué)于2008年設(shè)立測控技術(shù)與儀器本科專業(yè)，自招生以來，在培養(yǎng)方案和課程體系建設(shè)過程中都取得了一定的成績，但是由于專業(yè)建設(shè)時(shí)間較短，相關(guān)的系列課程在內(nèi)容、教學(xué)和考核方式等環(huán)節(jié)仍存在一些不足之處：

(1)理論課程之間相對獨(dú)立，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。

(2)課程內(nèi)容缺乏相互融合，沒有做好系列課程教學(xué)內(nèi)容之間的銜接和配合，欠缺對學(xué)生專業(yè)知識結(jié)構(gòu)、工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的系統(tǒng)考慮。

(3)實(shí)驗(yàn)和集中實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容安排相對獨(dú)立，沒有從自動(dòng)檢測系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試和系統(tǒng)功能調(diào)試的整個(gè)過程來進(jìn)行整體規(guī)劃。而目前的應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)中，學(xué)生能力的培養(yǎng)關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的計(jì)劃和組織實(shí)施。

(4)在2009級專業(yè)培養(yǎng)方案的執(zhí)行過程中，專業(yè)教師不斷對課程建設(shè)和教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，在教學(xué)方法上進(jìn)行了一些有益的嘗試，并取得了一定的效果。但是沒有從系統(tǒng)優(yōu)化的角度開展研究，不能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

(5)課程考核方式單一，主要以期末閉卷考試為主，考試成績占總成績的70 %～80 %，缺少對學(xué)生系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力等方面的量化考核。

2 加強(qiáng)理論基礎(chǔ)建設(shè)，優(yōu)化系列課程教學(xué)體系

針對目前傳感器系列課程在課程建設(shè)與實(shí)施環(huán)節(jié)中存在的問題,以2013級專業(yè)培養(yǎng)方案的修訂工作為契機(jī), 對傳感器與檢測技術(shù)相關(guān)的理論課程體系、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程體系進(jìn)行了整體優(yōu)化。

2.1 理論課程體系的優(yōu)化

構(gòu)建以傳感器原理與技術(shù)、測控電路、檢測技術(shù)和微機(jī)原理與接口技術(shù)等課程為主線的理論課程體系，具體做法如下：

傳感器原理與技術(shù)的課程教學(xué)中確定了下列主要知識點(diǎn)：①典型傳感器的工作原理、檢測電路及工程應(yīng)用，包括應(yīng)變式傳感器、電抗式傳感器、光電式傳感器、電動(dòng)勢傳感器；②傳感器的測量電路，包括直流和交流電橋、相敏檢波、濾波、整形放大、儀表放大電路、光柵辨向等；③信號分析處理技術(shù)，包括數(shù)據(jù)的誤差處理、傳感器選型計(jì)算、傳感器輸入輸出特性標(biāo)定、信號頻譜分析等；④自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

測控電路的課程教學(xué)是在傳感器原理與技術(shù)和電子技術(shù)課程的基礎(chǔ)上，提煉出各類傳感器中共性的檢測電路，如儀用放大電路、信號轉(zhuǎn)換電路和信號細(xì)分與辨向電路等。以面向工程應(yīng)用為目標(biāo)，針對上述電路進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試和實(shí)物測試，將測控電路的理論分析、仿真調(diào)試和實(shí)物測試進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，為后續(xù)自動(dòng)檢測系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試和系統(tǒng)測試奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

檢測技術(shù)的課程教學(xué)按照信號檢測、信息處理、信息傳輸、顯示和控制四個(gè)方面確定課程體系，以測量知識、檢測技術(shù)和工程應(yīng)用來安排教學(xué)內(nèi)容，減少理論推導(dǎo)與設(shè)計(jì)計(jì)算，增加信號處理的工程應(yīng)用案例分析，加強(qiáng)各種參數(shù)檢測方法的工程應(yīng)用性。

微機(jī)原理與接口技術(shù)的課程教學(xué)目的是使學(xué)生熟悉微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，了解微型計(jì)算機(jī)的工作原理，掌握指令系統(tǒng)與匯編語言程序設(shè)計(jì)、硬件接口技術(shù)、總線技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)，建立微機(jī)系統(tǒng)的整體概念。讓學(xué)生明確微型計(jì)算機(jī)是自動(dòng)檢測系統(tǒng)中完成信息處理和顯示的核心設(shè)備。

2.2 實(shí)踐教學(xué)體系的優(yōu)化

建立以傳感器原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)、儀表設(shè)計(jì)與實(shí)踐、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力實(shí)踐訓(xùn)練、單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)和測控技術(shù)與系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)為主題的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)體系。主要目標(biāo)是使學(xué)生熟悉計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，掌握各種傳感器的選型、硬件電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試、軟件設(shè)計(jì)及編程、軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試、計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的安裝與測試運(yùn)行等方法。實(shí)踐教學(xué)體系的教學(xué)目標(biāo)采用模塊化結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1。學(xué)生通過各個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐訓(xùn)練，能夠更好地掌握計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的能力。

圖1 實(shí)踐教學(xué)體系教學(xué)目標(biāo)的模塊化結(jié)構(gòu)

其中，傳感器實(shí)驗(yàn)主要完成傳感器模塊的選型工作。針對確定的被檢測對象，通過查閱互聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)專業(yè)手冊資料，初步確定所選擇傳感器的資料。然后對搜集的資料進(jìn)行分析和整理，如比較各種傳感器的量程范圍、測量精度和性價(jià)比等，同時(shí)通過對相關(guān)傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，最終確定合適的傳感器類型。

儀表設(shè)計(jì)與實(shí)踐環(huán)節(jié)主要完成信號調(diào)理模塊和直流電源模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。信號調(diào)理模塊的功能以信號放大為主，并考慮硬件濾波、信號轉(zhuǎn)換、負(fù)載匹配等功能。電路系統(tǒng)要完善工作，必須具備滿足不同要求的基準(zhǔn)電源模塊。直流電源主要是提供給信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行器模塊和系統(tǒng)的分析控制模塊。因此，直流電源設(shè)計(jì)也是儀器儀表設(shè)計(jì)與實(shí)踐的重要組成部分。在儀表設(shè)計(jì)與實(shí)踐環(huán)節(jié)過程中，需要學(xué)生根據(jù)不同的電源要求，利用220 V AC交流電源、變壓器、整流二極管和電容器件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)直流電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也要考慮用電安全問題。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)主要引導(dǎo)學(xué)生完成數(shù)據(jù)采集通道模塊和執(zhí)行器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。此部分內(nèi)容訓(xùn)練學(xué)生模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入輸出通道的硬件設(shè)計(jì)、交直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制、外部設(shè)備與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)及相應(yīng)的軟件編程能力。

單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要完成測量數(shù)據(jù)顯示與控制模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。此部分內(nèi)容旨在培養(yǎng)并提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、理論與實(shí)際相結(jié)合的綜合素質(zhì)、單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)能力、軟件編程技巧、軟硬件聯(lián)合調(diào)試技巧及技能等實(shí)踐能力。

測控技術(shù)與系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要是綜合利用前序?qū)嵺`環(huán)節(jié)的成果，再輔助一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如ADAM模塊、溫度變送器、壓力變送器、上位機(jī)組態(tài)軟件等進(jìn)行系統(tǒng)集成。具體就是針對電阻爐、一階水槽、流體壓力、交直流電機(jī)等被控對象，利用上述模塊設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)集成，建立計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及運(yùn)行。

3 課程教學(xué)方法與手段的改革

在課程教學(xué)中教師應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用，只有逐步地改進(jìn)教學(xué)方法與手段，才能確保課程的教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提高。針對課程教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的具體情況，靈活采用案例與研究式學(xué)習(xí)、注重比較方法、多樣化教學(xué)方式相接合、互動(dòng)式學(xué)習(xí)和課外項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方法等多種教學(xué)方法與手段，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生成為課堂學(xué)習(xí)的主體。

(1)基于案例與研究式學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。針對傳感器系列課程的能力培養(yǎng)要求和重點(diǎn)知識，將相關(guān)的重點(diǎn)知識分解到具有實(shí)際工程應(yīng)用背景的案例中，采用啟發(fā)與引導(dǎo)式教學(xué)[4]和課堂討論相結(jié)合的方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，課后進(jìn)行研究式學(xué)習(xí)并進(jìn)行總結(jié)歸納。

(2)注重比較方法教學(xué)[5]。傳感器的種類多，涉及到的轉(zhuǎn)換原理也多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用廣泛。即使是同一種傳感器，其轉(zhuǎn)換原理、結(jié)構(gòu)形式、測量范圍等也有所不同。當(dāng)學(xué)習(xí)了多種傳感器后，學(xué)生不知道如何在實(shí)際應(yīng)用中選擇最合適的傳感器來完成檢測任務(wù)。為此，在教學(xué)中注重采用比較的方式進(jìn)行講授，以便幫助學(xué)生更加全面、準(zhǔn)確和深刻地理解與掌握各種傳感器的原理、選型及應(yīng)用。

(3)多樣化教學(xué)手段相結(jié)合與互動(dòng)式學(xué)習(xí)。在課堂教學(xué)過程中，考慮到板書授課內(nèi)容的局限性以及多媒體課件教學(xué)的信息量大卻不能保證學(xué)生思維同步的不利因素，采用黑板板書、多媒體課件和實(shí)驗(yàn)演示三者相結(jié)合的教學(xué)方式。與此同時(shí)，充分利用大連民族大學(xué)校內(nèi)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)，開展互動(dòng)式學(xué)習(xí)。

(4)實(shí)施項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的課外教學(xué)手段。在課程教學(xué)過程中，針對實(shí)踐性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，由老師結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目擬定若干個(gè)實(shí)踐課題，每個(gè)課題由3名同學(xué)組建項(xiàng)目小組，利用課余時(shí)間完成項(xiàng)目的分析、設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試及實(shí)物測試。通過參與項(xiàng)目，能有效提高學(xué)生在系統(tǒng)分析、文獻(xiàn)檢索與整理、方案比較與設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試、實(shí)物測試以及項(xiàng)目報(bào)告撰寫等方面的能力。

(5)靈活的調(diào)整教學(xué)場所。根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容，可以適當(dāng)?shù)陌咽谡n地點(diǎn)調(diào)整到實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中具有的各種傳感器、變送器、硬件電路與單片機(jī)系統(tǒng)等，開展具有實(shí)踐性的演示教學(xué)，加深學(xué)生的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 實(shí)施課程的多元化考核評價(jià)體系

在傳感器系列課程中逐步實(shí)施多元化的考核評價(jià)方式：一方面，對課程考核內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，在重點(diǎn)內(nèi)容考核的基礎(chǔ)上，更加關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新能力的鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課外各項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，如參加遼寧省、全國TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、全國虛擬儀器大賽和全國大學(xué)生測量控制與儀器創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽等；另一方面，加強(qiáng)知識的基礎(chǔ)訓(xùn)練與靈活運(yùn)用，增加課上的提問、討論發(fā)言、項(xiàng)目匯報(bào)、課外項(xiàng)目演示等多樣化的考核方式，使學(xué)生主動(dòng)融入師生的互動(dòng)教學(xué)過程中。

課程教學(xué)效果的評價(jià)主要分為以下幾個(gè)方面：

(1)課堂教學(xué)評價(jià)。通過教學(xué)模式的改革，在課堂上學(xué)生是否轉(zhuǎn)變了學(xué)習(xí)的角色，由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，課堂氣氛是否活躍，教師與學(xué)生開展的互動(dòng)討論式課堂的教學(xué)效果等。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程管理、實(shí)驗(yàn)類型的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和開放性實(shí)驗(yàn)開展的情況。

(3)課程學(xué)習(xí)效果的階段性考核和期末總評。平時(shí)作業(yè)的完成情況、課堂小測驗(yàn)的成績和期末考試試卷的成績分析。

(4)教學(xué)對學(xué)生課外項(xiàng)目完成情況的評價(jià)。主要依據(jù)項(xiàng)目的方案選擇與確定、計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的仿真調(diào)試、基于面包板或萬能板焊接的實(shí)物調(diào)試和項(xiàng)目報(bào)告四個(gè)部分進(jìn)行。

5 結(jié) 語

傳感器技術(shù)是應(yīng)用在自動(dòng)檢測和控制系統(tǒng)中，并對系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)指標(biāo)和功能起到重要作用的一門技術(shù)。隨著自動(dòng)檢測和控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、扁平化、智能化和綜合化的發(fā)展，對傳感器技術(shù)的發(fā)展也提出了更高和更迫切的需求。因此，應(yīng)用型本科高等學(xué)校擔(dān)負(fù)著為社會(huì)培養(yǎng)和輸送具備專業(yè)實(shí)踐能力、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的綜合應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才的光榮而艱巨的責(zé)任和使命，同時(shí)也對傳感器與檢測技術(shù)系列課程的理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)工作提出了更高的要求。

改革的創(chuàng)新之處是基于測控技術(shù)與儀器專業(yè)類(專業(yè)基礎(chǔ))教育和專業(yè)教育課程為平臺(tái)，通過對傳感器與檢測技術(shù)相關(guān)課程的整體優(yōu)化布局，構(gòu)建傳感器系列課程的內(nèi)容貫通、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)體系，在此基礎(chǔ)上探索提高學(xué)生專業(yè)技能、工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的傳感技術(shù)教學(xué)新模式。

[1] 徐科軍, 馬修水, 李曉林, 等. 傳感器與檢測技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011.

[2] 王化祥, 張淑英. 傳感器原理及應(yīng)用[M]. 第3版. 天津: 天津大學(xué)出版社, 2007.

[3] 徐科軍.“傳感器與檢測技術(shù)”課程建設(shè)探討[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 31(3): 23-24．

[4] 朱維斌. 測控技術(shù)與儀器專業(yè)傳感器系列課程的研究與實(shí)踐[J]. 高教論壇, 2009 (7): 83-85.

[5] 徐科軍. 注重比較方法教學(xué) 講授“傳感器與檢測技術(shù)”課程[J]. 教育教學(xué)論壇, 2016 (10) ：170-171.

(責(zé)任編輯 鄒永紅)

Practice and Teaching Reform of Sensors Series Courses

XIE Chun-li, LIU Jun-jie

(School of Electromechanical Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

In view of the problems existing in teaching of measurement and control technology and instrument specialty, a series of reform and exploration on curriculum system, teaching content, teaching method and examination mode of sensors series courses are implemented in this paper. The principle and technology of sensors, control circuit, microcomputer principle and interface technology and detection technology are constructed the main theory teaching system. The experiment and practice teaching system based on sensor experiment, measurement and control technology and system comprehensive experiment, instrument design, single chip computer system practice and innovation and entrepreneurship ability training are established. The new training mode for system analysis and design capability, engineering application and innovation ability is founded through reforming the corresponding teaching methods and means and establishing the diversified assessment methods.

sensors series courses; teaching reform; innovation ability; practical ability

2016-10-24；最后

2016-11-17

遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究一般項(xiàng)目(遼教發(fā)[2016]23號)。

謝春利(1972-)，男，遼寧撫順人，副教授，主要從事非線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制、優(yōu)化求解和圖像處理等研究。

2096-1383(2017)01-0083-04

G642.0

A