《傳感器與控制》實驗教學(xué)改革探討

吳瓊水，張 錚（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢430079）

在日常本科教學(xué)中，為了加深學(xué)生對傳感器及自動控制原理的理解，有條件的高校均開設(shè)了 《傳感器技術(shù)》和 《自動控制原理》2門實驗課程。從調(diào)查情況看，學(xué)生反映教學(xué)效果并不理想。主要原因是上述課程相互關(guān)聯(lián)，傳感器是信號獲取的源頭，而自動控制是根據(jù)獲取的信號來決定控制方法和策略，將兩者相互割離并不利于學(xué)生對知識的融會貫通，因此，學(xué)生反映2門課程的實驗難度較大，學(xué)生參與2門實驗課程學(xué)習(xí)的積極性不高。為了改變上述狀況，筆者根據(jù)多年教學(xué)實踐，針對上述實驗課程的教學(xué)進行了改革，即在開設(shè) 《傳感器技術(shù)》和 《自動控制原理》2門實驗課程的基礎(chǔ)上，單獨開設(shè)了 《傳感器與控制》實驗課程。下面，筆者對 《傳感器與控制》實驗教學(xué)改革進行闡述[1-2]。

1 完善實驗教學(xué)體系

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的要求，將傳感器技術(shù)和自動控制原理主要內(nèi)容有機整合，重點放在物理信號的傳感器獲取以及開、閉環(huán)控制方法和策略的實踐教學(xué)上，培養(yǎng)學(xué)生深入理解掌握傳感檢測與自動控制共性技術(shù)、綜合運用所學(xué)知識進行 “系統(tǒng)”分析和設(shè)計的能力。結(jié)合自身專業(yè)特點以及實驗室條件，根據(jù)大綱要求，目前主要設(shè)置了5類實驗，即新型控制系統(tǒng)演示實驗、驗證性實驗、常規(guī)檢測與控制系統(tǒng)的設(shè)計實驗、綜合設(shè)計實驗和創(chuàng)新實驗。具體情況如下：①新型控制系統(tǒng)演示實驗。通過該類實驗向?qū)W生演示一些近年研制的傳感器與控制系統(tǒng)或其他一些價格昂貴無法大批量采購的系統(tǒng)。其目的是開拓學(xué)生的視野，讓學(xué)生了解該領(lǐng)域新技術(shù)新設(shè)備情況。②驗證性實驗。通過該類實驗讓學(xué)生熟悉自動控制系統(tǒng)的基本設(shè)計方法，掌握基本的實驗技能和實驗方法，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的信心。③常規(guī)檢測與控制系統(tǒng)的設(shè)計實驗。通過該類實驗讓學(xué)生能夠設(shè)計一些日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中的基本傳感與控制系統(tǒng)，如人體入侵紅外報警器、煙霧報警器等，通過學(xué)生自己動手實踐，讓學(xué)生了解一般測量與控制儀器的基本設(shè)計制作方法。④綜合設(shè)計實驗。該類實驗是讓學(xué)生根據(jù)老師提出的題目或者自擬題目，完成方案設(shè)計、裝置制作與調(diào)試，從而培養(yǎng)學(xué)生進行系統(tǒng)分析和設(shè)計的能力。如恒溫水浴、直流電機勻速控制、無線遠程自動控制系統(tǒng)的設(shè)計等，可以讓學(xué)生綜合利用傳感器進行檢測、利用PID等策略進行反饋控制，從而提高學(xué)生進行整體系統(tǒng)設(shè)計能力。⑤創(chuàng)新實驗。該類實驗采用學(xué)生自擬題目、自定方案、自行制作調(diào)試、老師提供指導(dǎo)的方式來完成，因而具有有一定難度。設(shè)置該類實驗的目的是發(fā)掘?qū)W生的潛能，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。分類型分層次的實驗設(shè)計，使實驗內(nèi)容由淺入深，更適合學(xué)生認知水平發(fā)展規(guī)律，也能夠滿足不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)需求[2]。

2 加強實驗室建設(shè)

《傳感器與控制》實驗是新開設(shè)的一門實驗課程，目前的實驗主要基于已有的CSY型傳感器實驗臺和TDN-ACS＋型自動控制原理實驗箱進行，因而在易用性和實驗體系上均存在很大不足，尤其是基于8088的匯編程序設(shè)計讓學(xué)生望而生畏?；谏鲜鲈?，課程組決定針對該實驗課程開發(fā)更加易于使用的實驗裝置，其中核心裝置由實驗教師負責(zé)開發(fā)，輔助裝置由學(xué)生在自主創(chuàng)新實驗中完成。

對于核心裝置，主要是開發(fā)主控卡和運行在計算機上的控制軟件。主控卡是一個功能復(fù)雜的信號調(diào)理與控制輸出卡，其具體功能如下：①對于模擬部分，能夠完成多路常規(guī)電壓輸入、毫伏電壓輸入、程控增益、程控單端輸入和差分輸入、A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換、溫度采集和波形發(fā)生等功能。②對于數(shù)字部分，能夠完成頻率計數(shù)、數(shù)字輸入輸出、PWM波形發(fā)生、USB計算機通信等功能。計算機上的控制軟件通過USB接口與主控卡進行通信，采集到的波形、數(shù)字狀態(tài)能夠在計算機上顯示出來，輸出波形頻率和特征能夠在計算機上進行編輯和設(shè)置，一些自控控制算法在計算機上實現(xiàn)。與以前基于8088的匯編程序設(shè)計不同，利用現(xiàn)有裝置，學(xué)生無需編寫代碼，只需根據(jù)輸入狀態(tài)設(shè)定參數(shù)即可完成一些基本的自動控制策略。如PID控制，學(xué)生只需要根據(jù)輸入信號波形與設(shè)定的偏差，手工計算PID參數(shù)并輸入計算機，即可按照設(shè)定的PID參數(shù)完成控制功能，從而把學(xué)生從復(fù)雜的匯編程序設(shè)計中解放出來，專注于自動控制方法的實現(xiàn)上。

對于輔助裝置，主要利用一些學(xué)生的優(yōu)秀作品進行開發(fā)。學(xué)生自主創(chuàng)新作品能夠大大豐富實驗內(nèi)容，改善實驗室的實驗條件。

3 改革教學(xué)方式

為了更好地開設(shè)該實驗課程，應(yīng)借助多媒體和網(wǎng)絡(luò)逐步提高實驗教學(xué)效果和實驗室管理水平：①構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室。在虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室借助于Flash等動畫手段來進行相關(guān)實驗原理演示，也可以利用Java小程序在服務(wù)器上交互仿真一個控制過程，從而讓學(xué)生能夠更直觀地了解控制系統(tǒng)的特性。②建立師生互動平臺。老師可以通過該品將實驗要求提前發(fā)布，學(xué)生也可以通過該平臺向老師提問，提交創(chuàng)新實驗技術(shù)方案初稿與老師進行討論等，一些優(yōu)秀學(xué)生作品也可以在平臺進行展示。③建立實驗室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，學(xué)生可以預(yù)約部分創(chuàng)新實驗時間和設(shè)備，老師也可以根據(jù)學(xué)生的申請進行統(tǒng)籌安排，從而提高實驗室管理效率。

4 革新考評體系

實驗教學(xué)目的是為了培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗操作技能和嚴謹?shù)难芯克刭|(zhì)，提高學(xué)生的科研能力，因而必須具有較完備的綜合評價考核體系，即根據(jù)實驗操作技能、實驗報告、綜合設(shè)計實驗等方面情況進行綜合考核。實驗操作技能可反映學(xué)生實驗操作基本功，占15%；綜合設(shè)計實驗可反映學(xué)生綜合實踐能力，占35%；實驗報告可反映實驗過程進展、實驗結(jié)果、思考與探索等內(nèi)容，對培養(yǎng)學(xué)生一個良好的實驗習(xí)慣有重要作用，因而該部分占50%。除此之外，還可以單獨設(shè)立了創(chuàng)新性加分和團隊協(xié)作加分，創(chuàng)新性加分一方面是為了調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)造積極性，另一方面也是對學(xué)生勞動的認可；團隊協(xié)作加分是為了鼓勵團隊協(xié)作。從學(xué)生反饋的情況來看，這種評分機制確實能夠調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性。

5 結(jié) 語

筆者根據(jù)多年教學(xué)實踐經(jīng)驗，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實驗裝備、考評體系等對 《傳感器與控制》實驗教學(xué)進行了探討。實踐結(jié)果表明，通過 《傳感器與控制》實驗教學(xué)可以鞏固學(xué)生學(xué)習(xí) 《傳感器技術(shù)》與 《自動控制原理》的理論知識，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力具有重要作用。由于實驗課教學(xué)改革涉及面廣，在今后的教學(xué)實踐工作中，應(yīng)加大探索力度，進一步提高實驗教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)新人才作出貢獻。

[1]秦嶺 .“傳感器與檢測技術(shù)”實驗教學(xué)改革探討 [J].中國電力教育，2010（1）：147-148.

[2]張懷，陳富軍，楊勇，等 .傳感器實驗教學(xué)改革的探討 [J].電腦知識與技術(shù)，2007（18）：1739-1740.