“傳感器與檢測技術”實驗課教學改革探討

朱笑花

（漳州師范學院物理與電子信息工程系，福建漳州 363000）

“傳感器與檢測技術”實驗課教學改革探討

朱笑花

（漳州師范學院物理與電子信息工程系，福建漳州 363000）

“傳感器與檢測技術”是一門理論性和實踐性都很強的學科。筆者針對“傳感器與檢測技術”實驗教學的現(xiàn)狀，從“硬件”和“軟件”兩方面做一些教學改革探討，旨在提高學生的動手能力和綜合應用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

傳感器與檢測技術；教學改革；軟件和硬件

“傳感器與檢測技術”是電子信息、自動化、電氣工程及其自動化等工程類專業(yè)的一門專業(yè)必修基礎課程。該課程的特點是各章內容分散、應用性強，可見實驗教學顯得尤為重要，傳統(tǒng)實驗內容包括電容傳感器、電感傳感器、箔式電阻應變片、熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光纖傳感器等。實驗教學環(huán)節(jié)對培養(yǎng)學生的動手能力、分析和解決問題的能力、理論與實際相結合的能力起到了非常重要的作用。因此，建立適用于人才發(fā)展需要的新的實驗教學模式，形成一套相對獨立和完善的實驗教學體系，對于提高實驗教學的效率和質量，培養(yǎng)適應社會需求的應用性和研究性人才是非常重要的[1-2]。

1 “傳感器與檢測技術”實驗課教學現(xiàn)狀分析

近年來，隨著各項科學技術的發(fā)展，傳感器技術與應用也不斷發(fā)展，智能、集成化、多功能化新型傳感器層出不窮，虛擬儀器技術、軟測量技術、多傳感器信息融合技術等都得到快速發(fā)展和應用。但實驗教學卻跟不上步伐，如筆者所在學校在實驗教學方面大多沿用普通大學的實驗教學模式：教師依據(jù)教學大綱對實驗項目、實驗內容、實驗時間進行安排，組織實驗教學。教學過程中教師先進行講解和演示，學生再進行操作，并將實驗結果填入統(tǒng)一格式的實驗報告。這種按部就班操作的教學模式存在很多問題，如教學內容簡單陳舊，一般做5到8個實驗，以驗證性實驗為主，缺乏設計性綜合性創(chuàng)新性要求，與工程實踐脫節(jié)嚴重；教學方式單調枯燥，實驗手段和設備落伍；學生思想上不重視，缺乏學習主動性；學生獨立分析解決問題能力不足，依賴老師。為改變上述狀況，適應高等教育發(fā)展的要求[3-4]，筆者對“傳感器與檢測技術”實驗課程教學改革從“硬件”和“軟件”兩方面改革進行了探討。

2 “傳感器與檢測技術”實驗課教學改革的探討

2.1 “硬件”——管理和實驗平臺的優(yōu)化

2.1.1 開發(fā)基于虛擬儀器技術的傳感器實驗綜合教學平臺

傳統(tǒng)的傳感器實驗室都是配備一些已開發(fā)好的實驗儀器，如漳州師范學院采用的是浙大儀器系開發(fā)的CSY10A傳感器系統(tǒng)實驗儀、示波器。實驗室存在的一個嚴重不足就是設備更新慢、容易損壞。虛擬儀器技術就是利用現(xiàn)有的計算機（可以是工控機也可以是個人計算機），配上相應的硬件(如數(shù)據(jù)采集卡)和專用軟件，構成既有傳統(tǒng)儀器的基本功能，又有一些特殊功能的新型儀器。引進該技術，用戶就可根據(jù)自己的要求，設計自己的儀器系統(tǒng)。因此，筆者提出將虛擬儀器技術引入傳感器實驗教學，這樣有利于完善實驗設備，又可大大節(jié)約學校更新實驗設備所需的投資[5]。

整個實驗綜合教學平臺的開發(fā)包括硬件和軟件開發(fā)兩部分工作。硬件包括已有的傳感器實驗儀CSY10A、信號調理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、計算機。虛擬儀器的軟件平臺采用的是LabVIEW。它是一種圖形化編程語言，通常稱為“G”編程語言，是目前應用最廣、發(fā)展最好、功能最強的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。軟件開發(fā)需要完成以下功能：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處理、前面板設計、后面板設計、結合具體實驗開發(fā)實驗項目?；谔摂M儀器的傳感器實驗系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 基于虛擬儀器的傳感器實驗系統(tǒng)框圖

由于實驗項目較多，筆者選取一個實驗項目（光電傳感器的應用—光電轉速測試）作為研究對象。在系統(tǒng)平臺上選擇要做的實驗，開啟電機，調節(jié)其轉速，數(shù)據(jù)采集卡進行實時測量，同時數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳送到安裝有LabVIEW程序的上位機。上位機的LabVIEW接收數(shù)據(jù)，傳感器輸出波形（也即采集到的信號波形），波形的觀察無需使用示波器，而是用自行開發(fā)的虛擬示波器。對電機旋轉頻率和轉速的計算通過LabVIEW程序來實現(xiàn)，同時學生可結合自己的知識進行修改或是開發(fā)新的LabVIEW程序，也即開發(fā)或是修改前面板或是后面板。當采集的數(shù)據(jù)產生變化時，即有新的采樣數(shù)據(jù)進來時，會啟動LabVIEW程序計算電機的旋轉頻率和轉速，實現(xiàn)信號的實時更新。

通過傳統(tǒng)實驗平臺和新的傳感器綜合實驗平臺的對比，可以看出新平臺的幾個優(yōu)點：(1)基于虛擬儀器系統(tǒng)的傳感器綜合實驗，使學生清楚地掌握傳感器原理及應用，在實驗中要求學生綜合運用所學過的多門課程知識和技能(如傳感器原理、VB語言設計、實驗數(shù)據(jù)處理、labVIEW等)。整個實驗設計與實際工程應用密切相關。(2)從實驗環(huán)節(jié)比較可看出，虛擬儀器實驗具有傳統(tǒng)儀器實驗不具備的一些優(yōu)勢，如無需給每個實驗組配備價格較貴的示波器、用軟件方法來計算電機旋轉頻率和轉速的關系，由計算機顯示代替CSY10A型傳感器實驗儀上的硬件位LED顯示，獲得更高的測量和顯示精度。(3)在基于虛擬儀器的傳感器實驗系統(tǒng)上可以開設絕大多數(shù)原來CYS10A型傳感器實驗儀上開設的實驗，還可以開發(fā)新的綜合性設計性實驗，該系統(tǒng)已經在漳州師范學院2009級各班中開展了實驗教學體驗，學生反映較強烈，興趣很高。根據(jù)學生自己的設想，設計了很多富有個性的實驗儀器面板，效果很理想。

2.1.2 通過網絡實現(xiàn)實驗室的合理管理

隨著網絡技術的發(fā)展，可將網絡技術引入到實驗的管理，即利用網絡技術實現(xiàn)對學生的監(jiān)控。通過TCP/IP通信，采用TCP協(xié)議，C/S結構模式，老師機是服務器(Server)方，學生機是客戶(Client)方，將客戶機(學生機)接入服務器(老師機)上。在啟動客戶機(學生機)之前，必須啟動服務器(老師機)的監(jiān)控軟件?？蛻魴C(學生機)數(shù)據(jù)采集軟件采集學生每一項實驗操作的信息，通過網絡將數(shù)據(jù)傳送給服務器(老師機)，在服務器(老師機)將接收到相應的操作信息。學生也可通過網絡平臺進行提問等。老師可根據(jù)實驗的時間，服務器(老師機)通過發(fā)送消息，通知客戶端(學生機)終止實驗。從以上幾點可以看出：老師可通過網絡實現(xiàn)對學生的有效監(jiān)控，學生在這樣的監(jiān)控環(huán)境下積極性也更高，實驗效率也更高。

2.2 “軟件”——改革教學內容和考核方法

2.2.1 優(yōu)化教學內容

傳統(tǒng)實驗項目內容以理論課教學中的理論或定律的驗證為主，與工程實際應用嚴重脫節(jié)，很難開設涉及各課程之間的綜合性、設汁性實驗內容。因此，實驗教學內容可根據(jù)人才培養(yǎng)目標分為基礎性實驗、設計性實驗、綜合性實驗三個層次。(1)基礎性實驗是為了使學生鞏固所學課程的基本理論知識，讓學生在實驗過程中學習各種儀器的使用方法，學習實驗數(shù)據(jù)處理的基本方法?？砷_設的基礎性實驗有箔式應變片三種橋路性能比較、電容式傳感器特性試驗、差動變壓器特性、霍爾式傳感器的直交流激勵特性等[6-7]。(2)設計性實驗目的在于培養(yǎng)學生的設計和綜合能力，激發(fā)學生的主動性和創(chuàng)造性，提高學生認識能力及組織能力和開拓創(chuàng)新的意識。設計性實驗中只列出實驗目的以及儀器清單，學生靈活運用所學知識和技能，獨立設計出符合要求的實驗步驟以及實驗電路、自擬實驗表格等，以培養(yǎng)學生的實際操作能力和工程設計能力。因此，設計性實驗項目主要是一些傳感器的工程性應用項目?？砷_設的實驗有物位測量控制系統(tǒng)、壓力測量控制系統(tǒng)、溫度測量控制系統(tǒng)、振動測量控制系統(tǒng)等。(3)綜合性實驗的目的是培養(yǎng)學生運用知識的能力，也是對學生綜合實踐能力的全面考核和檢驗。由于實驗條件的限制，綜合性實驗主要采取課程設計模式進行，并與多門課程進行結合，如單片機技術、電子技術、自動控制技術等，以提高綜合應用各門課程知識的能力。在學期初，教師提供相應的綜合性設計題目及要求，題目也可自己選擇，第一次上課時發(fā)給學生，學生可利用各種方案完成，可以利用軟件進行虛擬仿真，也可以做成電子硬件作品。在此期間可以找教師指導，作品要形成報告形式，包括設計方案、原理、電路、實驗數(shù)據(jù)及分析、作品創(chuàng)新點、改進等內容?？砷_設的實驗有電子秤的設計與制作、多傳感器的綜合檢測系統(tǒng)等。

2.2.2 建立全面的考核制度

目前，大部分高校還是按照傳統(tǒng)的實驗成績評定方法，即以期末考試成績或實驗結果(實驗報告)為主要標準，這種單純以某一方面的表現(xiàn)作為評價結果的方法，導致學生為完成實驗而進行實驗甚至出現(xiàn)實驗或實驗報告抄襲的現(xiàn)象，嚴重挫傷了學生的學習主動性、積極性和創(chuàng)造力。因此，學生的實驗成績評定要貫穿在整個實驗過程，也即“強調實驗過程，淡化實驗結果”[8-9]。合理而科學的實驗成績考核方案應該是對學生實踐動手能力、綜合運用知識來解決實際問題的能力等的綜合評估[10-11]。實驗室搭建的互聯(lián)網平臺是進行合理考核的一個重要的手段和工具。教師可以根據(jù)學生的操作過程記錄進行給分，如實驗結果是否正確（20%）、實驗過程是否進行主動思考、自主設計和提問（30%）、實驗擴展部分內容完成情況（20%）、實驗數(shù)據(jù)是否進行正確的處理（30%）等。這樣的評價體系是對學生能力的一個合理的綜合評價，它能引導學生養(yǎng)成主動思考、主動實踐的習慣。

3 結語

筆者根據(jù)6年來的教學實踐經驗，從“硬件”、“軟件”兩個方面對“傳感器與檢測技術”實驗教學的改革進行探討。實踐結果表明，教學改革是提高該課程教學質量的一個重要保障，它對鞏固學生的理論知識、提高學生的學習主動性和積極性、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和實踐能力具有很重要作用?！皞鞲衅髋c檢測技術”是一門發(fā)展迅速的綜合性和應用性較強的課程，還有許多地方需要繼續(xù)改進，如將軟測量技術、多傳感器信息融合技術、無線傳感器、智能傳感器等新技術融入到實驗中，做到理論和實踐與時俱進。

[參 考 文 獻]

[1]王立忠,黃濤,劉洪波,等.傳感器原理及應用》課程教學的改革與實踐[J].廊坊師范學院學報,2010,10(4):116-118.

[2]王春鳳,李旭春,薛文軒,等.正弦波逆變電路實驗的設計與實踐[J].實驗技術與管理,2010,27(8):135-138.

[3]黃揚帆,甘平,劉曉,等.高頻電路實驗教學改革的探索[J].實驗室研究與探索,2011,30(7):285-287.

[4]蔡紅娟,蔡苗,翟晟.獨立學院電子線路實驗教學改革探索[J].實驗室研究與探索,2011,30(9):287-289.

[5]李山國,陳永會,李海虹,等.基于LabVIEW和PCI-8333的采集與分析系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].機床與液壓,2011(10):107-109.

[6]張波,貫會明.開放性實驗在實驗教學體系構建中的作用[J].實驗室研究與探索,2010,29(9):135-137.

[7]馬冬梅,朱正偉,陳樹越,等.電工電子實驗教學示范中心的建設與實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(2):95-103.

[8]于澤德,張艷瓊.強化實驗教學過程管理,提高實驗教學質量[J].實驗科學與技術,2010,8(4):129-130.

[9]劉葵,汪建民,孫華.建立實驗成績綜合評價體系的探索與實踐[J].高校實驗室工作研究,2010(2):32-33.

[10]秦嶺.“傳感器與檢測技術”實驗教學改革探討[J].中國電力教育,2010(3):147-148.

[11]張錚,吳瓊水.傳感器原理實驗課程教學改革探討[J].長江大學學報,2011,8(7):127-128.

On the Teaching Reform of“Sensor and Detection Technology”Experimental Course

ZHUXiao-hua

（Department ofPhysics and Electronic Information Engineering，Zhangzhou Normal University,Zhangzhou Fujian 363000,China）

“Sensor and detection technology”is a theoretical and practical discipline.Accordingtothe teachingstatus ofthe“sensor and detection technology”experimental course,the writer dicussed the teachingreformfromthe aspects of hardware and software in order to improve students’practice ability and comprehensive ability of applying knowledge,and cultivate innovative talents.

Key words：sensor and detection technology；teachingreform；hardware and software

TP212

A

1008-178X（2013）01-0135-03

2012-11-01

漳州師范學院教改項目（JG200815）。

朱笑花（1980-），女，福建漳平人，漳州師范學院物理與電子信息工程系講師，碩士研究生，從事最優(yōu)控制與信息處理研究。