改革傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)

劉玉燕，傅彩芬

改革傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)

劉玉燕，傅彩芬

（華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206）

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是新時(shí)期各類院校肩負(fù)的重要使命，文中結(jié)合華北電力大學(xué)多年來從事科研和教學(xué)的積累，針對(duì)目前傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，分析現(xiàn)狀，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。以激發(fā)實(shí)驗(yàn)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)為目標(biāo)，分別從教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容、成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等五個(gè)方面進(jìn)行探討，并提出具體措施。實(shí)踐證明，這些新的舉措改變了學(xué)生對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，改善了學(xué)生機(jī)械式按部就班地做實(shí)驗(yàn)的局面，能夠提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和創(chuàng)新性，能很好地為創(chuàng)新實(shí)踐型人才培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

傳感器；實(shí)驗(yàn)；興趣；創(chuàng)新

為了適應(yīng)21世紀(jì)科技迅速發(fā)展的需要，高等院校培養(yǎng)的人才必須具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、出色的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰陀掠陂_拓的創(chuàng)新精神［1］。培養(yǎng)創(chuàng)新人才是高校的基本任務(wù)，華北電力大學(xué)也將“創(chuàng)新”二字作為校訓(xùn)。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有直觀性、綜合性和創(chuàng)新性，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在訓(xùn)練科學(xué)思維方法和培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面起著不可替代的作用，因此培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基地在實(shí)驗(yàn)室［2－3］。正確認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)人才培養(yǎng)的作用，充分肯定實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校整個(gè)教學(xué)工作中的地位，將對(duì)提高培養(yǎng)人才的質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。因此，各高校均將實(shí)踐教學(xué)放到了重要的地位［4］，我校也完善了“四模塊”實(shí)踐教學(xué)體系，進(jìn)一步凸顯了“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、強(qiáng)能力”的人才培養(yǎng)特色。

1 目前存在的問題

傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是要求學(xué)生按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的步驟操作；實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊；實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段單一；實(shí)驗(yàn)設(shè)備落伍。近十年主要都在用CSY系列傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀，一般只能做一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少。這往往束縛了學(xué)生的手腳，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)［4］。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室缺乏研究創(chuàng)新的氛圍，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室主要為本科教學(xué)服務(wù)，很少有專業(yè)教師和研究生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做科學(xué)研究；而實(shí)驗(yàn)員對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)等工作也很難得到量化。因此，目前實(shí)驗(yàn)室尚未形成濃厚的科學(xué)研究和創(chuàng)新實(shí)踐氛圍，設(shè)備利用率不高［4］。

2 改進(jìn)措施

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

美國(guó)大學(xué)不斷進(jìn)行教育創(chuàng)新，即以學(xué)生為中心，逐漸形成了獨(dú)具特色的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，值得我們認(rèn)真學(xué)習(xí)和借鑒。以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，以實(shí)時(shí)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，強(qiáng)化學(xué)生的中心地位，重視個(gè)性培養(yǎng)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，這符合教育規(guī)律和人才成長(zhǎng)規(guī)律［5］。教師的指導(dǎo)只有在不斷的交流與溝通中才能更好地發(fā)揮作用，做到真正的相互啟發(fā)、教學(xué)相長(zhǎng)。這種教學(xué)方式，以激發(fā)學(xué)生的興趣和潛能為重點(diǎn)、以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)為目的。在一所研究型大學(xué)，研究與教學(xué)有一種辯證的關(guān)系［5］。學(xué)習(xí)和借鑒美國(guó)大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，無疑將有助于我們培養(yǎng)更多的具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多樣化、層次化

大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)本著“以人為本、因材施教”的原則，為學(xué)生提供多層次的選擇，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化培養(yǎng)的目標(biāo)。給學(xué)生形成一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從預(yù)備到創(chuàng)新的氛圍，循序漸進(jìn)地了解和掌握實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)“遞進(jìn)式”。設(shè)立一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)施分層次教學(xué)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)反映課程體系的預(yù)備性實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力的綜合性實(shí)驗(yàn)及培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性科研項(xiàng)目，形成“預(yù)備性——基礎(chǔ)性—綜合性—設(shè)計(jì)性—?jiǎng)?chuàng)新性”5個(gè)層次遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)體系，強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力培養(yǎng)的漸進(jìn)性、系統(tǒng)性和科學(xué)性［4］。

1）預(yù)備性實(shí)驗(yàn)。面向?qū)嶒?yàn)基礎(chǔ)差的學(xué)生，開設(shè)一定學(xué)時(shí)的預(yù)備性實(shí)驗(yàn)。我們的實(shí)驗(yàn)室是開放的，學(xué)生可以通過預(yù)約來實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)差的同學(xué)可以提前來實(shí)驗(yàn)室預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

2）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要由課程對(duì)應(yīng)的必修實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主，以大綱規(guī)定的基本要求為教學(xué)目標(biāo)，以正常進(jìn)度完成基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最好提出一個(gè)具體的目標(biāo)任務(wù)。比如電渦流傳感器特性實(shí)驗(yàn)，要求測(cè)出手機(jī)電池的重量，這樣可以加深學(xué)生對(duì)此次實(shí)驗(yàn)的印象。

3）綜合性實(shí)驗(yàn)。綜合性教學(xué)環(huán)節(jié)主要由獨(dú)立設(shè)置的綜合性實(shí)驗(yàn)組成。一般學(xué)期末有1～2周的傳感器綜合實(shí)驗(yàn)，提供給學(xué)生多個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)題目，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣，自己選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。注重多種傳感器實(shí)驗(yàn)特性的比較，例如，我們固定電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，用光纖傳感器和電渦流傳感器分別測(cè)量，觀察比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形，得出結(jié)論。

4）設(shè)計(jì)性實(shí)踐。設(shè)計(jì)性實(shí)踐環(huán)節(jié)主要由設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)組成。下面以兩個(gè)例子進(jìn)行說明：

（1）基于浙江大學(xué)儀器系生產(chǎn)的CSY10A傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀。例如，差動(dòng)變面積電容傳感器特性實(shí)驗(yàn)的動(dòng)片和靜片都是長(zhǎng)方形的，此實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，原理和操作都簡(jiǎn)單，學(xué)生短時(shí)間內(nèi)可以完成。那么我們可以提示學(xué)生如果動(dòng)片和靜片不是長(zhǎng)方形的，例如三角形，圓形，扇形等等結(jié)果會(huì)是怎樣？大家給出理論分析，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的結(jié)論。

（2）設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)溫儀。利用鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系來設(shè)計(jì)電路，制作測(cè)溫范圍為0℃～100℃的測(cè)溫儀。要求掌握鉑電阻測(cè)溫的原理，根據(jù)鉑電阻與溫度的關(guān)系建立模型，掌握鉑電阻常用的測(cè)溫電路，并進(jìn)行設(shè)計(jì)電路和焊接。

通過這樣的實(shí)驗(yàn)安排，讓學(xué)生自主地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，從而發(fā)現(xiàn)理論和實(shí)踐的距離，強(qiáng)化其對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

5）創(chuàng)新性實(shí)踐。創(chuàng)新性實(shí)踐環(huán)節(jié)包括各類創(chuàng)新比賽等。通過增設(shè)一些內(nèi)容新、綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)題目，作為“選修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群”。供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)好、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生選擇，或者學(xué)生自己帶著課題，想要解決的問題來實(shí)驗(yàn)室探討，這樣就為學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性的發(fā)揮創(chuàng)造了廣闊的空間，使傳感器實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的需要［4］。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段現(xiàn)代化

隨著21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的崛起，各學(xué)科知識(shí)之間的相互交叉，原有的實(shí)驗(yàn)室體制已不能滿足時(shí)代和社會(huì)的需要，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力?；谏鐣?huì)和電力行業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的需求，不斷探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。利用先進(jìn)的教育技術(shù)手段輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，注重虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，推進(jìn)學(xué)生自主性學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)。

2.3.1 利用MATLAB軟件和誤差理論知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)

MATLAB是一款科學(xué)與工程計(jì)算軟件，集成了計(jì)算、可視化和程序編制等工程，它使用方便、簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)大。在傳感器實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常測(cè)量外界非電量與電壓的關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)通常采用最小二乘法擬合得到標(biāo)定曲線，并且計(jì)算靈敏度和非線性誤差，傳感器的標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理很重要且計(jì)算量大。學(xué)生通常采用坐標(biāo)紙繪圖，計(jì)算器運(yùn)算，效果不理想。針對(duì)這個(gè)問題，利用MATLAB軟件和誤差理論知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用擬合函數(shù)polyfit進(jìn)行最小二乘擬合可以得到最高9次多項(xiàng)式的擬合［6］，利用cftool工具箱可以計(jì)算非線性誤差、靈敏度和滯后誤差等傳感器靜態(tài)標(biāo)定指標(biāo)，也可以擬合、繪圖和建模。MATLAB軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果簡(jiǎn)單直觀，一方面解決實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和標(biāo)定困難的問題，可以提升學(xué)生做傳感器實(shí)驗(yàn)的積極性［7］；另一方面豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如在傳感器綜合實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生掌握傳感器靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，輸入信號(hào)分別采用為階躍信號(hào)和正弦信號(hào)，對(duì)二階傳感器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行Matlab/Simulink仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行討論［8］。

2.3.2 基于虛擬儀器的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬儀器是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［9］。在這一領(lǐng)域使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司的LabVIEW，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將硬件與軟件相結(jié)合，學(xué)生采用圖形化編程語(yǔ)言，就可以設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，給學(xué)生提供了一個(gè)充分發(fā)揮自己想象力、創(chuàng)造力的空間，使思維得到了拓展。實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上模擬實(shí)驗(yàn)，并將結(jié)果以數(shù)字或圖像形式表示出來。這樣有助于學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)過程，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)效果，直觀有趣的交互界面，課堂教學(xué)生動(dòng)形象，激發(fā)學(xué)生興趣，比搭建純硬件實(shí)驗(yàn)要快，這樣就有更多的時(shí)間開展設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

若將傳感器課程教學(xué)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，必能更好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和探索精神［9］。虛擬儀器系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中打破了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的局限性，便于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。既提升了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的水平，又避免了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不斷更新。使學(xué)生從傳統(tǒng)的被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動(dòng)學(xué)習(xí)。創(chuàng)新意識(shí)也得到增強(qiáng)，課堂教學(xué)效率提高［10］。利用虛擬儀器系統(tǒng)是高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向。

2.3.3 利用示波器觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用光纖傳感器、電渦流傳感器測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)，雖然實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電壓頻率表可以直接顯示其轉(zhuǎn)速，但是通過示波器觀察波形，有助于對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。分析幅值電壓的差異得出兩個(gè)電機(jī)葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的抖動(dòng)現(xiàn)象，可以有意外的收獲。

2.3.4 NI數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用

一般教學(xué)用的示波器只有8位采集分辨率，而采集卡是16位。因此示波器受限于采集分辨率，基本上不能做出精度比較高的響應(yīng)曲線；另外，NIDAQmx是NI公司開發(fā)的最新數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)于微弱電壓信號(hào)，運(yùn)用Measurement&Automation Explorer（MAX）數(shù)據(jù)記錄軟件，節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和數(shù)據(jù)記錄時(shí)間?；贜IPXI電壓采集卡和MAX軟件做一些實(shí)驗(yàn)，具有操作簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 “多元智能”的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系

將美國(guó)哈佛大學(xué)心理學(xué)教授霍華德·加德納1983年提出的“多元智能理論”應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中，建立“操作+報(bào)告+答辯”的“多元智能”評(píng)價(jià)體系［4］。對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂萍紕?chuàng)新能力給出綜合評(píng)價(jià)，建立一套系統(tǒng)的完整的實(shí)踐教學(xué)體系，激發(fā)學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性，不以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的好壞作為唯一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。這必將為我校工科專業(yè)的人才培養(yǎng)提供一個(gè)更好的平臺(tái)，改變目前學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不重視而導(dǎo)致的動(dòng)手能力差、創(chuàng)新意識(shí)弱等現(xiàn)狀。例如，做差動(dòng)變面積傳感器特性實(shí)驗(yàn)，通過理論分析可得出線性的結(jié)果，有的同學(xué)做的數(shù)據(jù)不理想，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳躍、突變的可能，這時(shí)如果同學(xué)能仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)儀器，查看操作過程，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找到誤差產(chǎn)生的原因；在通過測(cè)微頭帶動(dòng)動(dòng)片上下移動(dòng)過程中可能會(huì)使動(dòng)片不是垂直上下移動(dòng)，稍有傾斜，這樣動(dòng)片和靜片的距離會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致最后得到的電壓值不隨位移線性變化。這樣會(huì)比順利得出漂亮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，當(dāng)然收獲也更大，可以考慮給出更好的成績(jī)，鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手、多動(dòng)腦、遇到問題善于分析問題解決問題的好習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣。

2.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新?lián)Q代

關(guān)注實(shí)驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展，去相關(guān)院校參觀考察，新出的相關(guān)實(shí)驗(yàn)臺(tái)允許的情況下引入一臺(tái)，給學(xué)生做些演示實(shí)驗(yàn)，觀察學(xué)生反應(yīng)，對(duì)于老的實(shí)驗(yàn)臺(tái)每批都要留有一臺(tái)，讓學(xué)生自己拆卸，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也能讓學(xué)生更好地看到實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展和成長(zhǎng)歷程。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題進(jìn)行分析、總結(jié)，分別從五個(gè)方面提出具體措施。經(jīng)過多年的建設(shè)，各項(xiàng)措施已基本落實(shí)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣得到改善、創(chuàng)新意識(shí)得到增強(qiáng)。相信隨著進(jìn)一步深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，傳感器實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的日趨完善，定能使其真正成為培育創(chuàng)新型人才的搖籃，為學(xué)生更好地就業(yè)服務(wù)。

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［10］薛曉穎，高峰.基于虛擬儀器技術(shù)的傳感器綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2008（6）：49－51.

Reform Experiment Teaching of Sensors and Cultivate Students，Innovation

LIU Yuyan，F(xiàn)U Caifen
（School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Beijing102206，China）

The cultivation of innovative talents is an importantmission for all kinds of universities and colleges in new era.Combining with the accumulation of research and teaching，in view of existing situation in the experiment teaching of sensor，the current situation is analyzed and the experiences are summarized.In order to stimulate interest in experiment and cultivate innovation，some concretemeasures are put forward from the teachingmethods，teachingmeans，teaching contents，performance evaluation，experimental equipment and so on five aspects.Practice has proved that these new initiatives changed students'understanding for sensor experiment，improved the experiment situation，can improve the initiative and innovation and can lay a solid foundation for the training of innovation talents.

sensor；experiment；interest；innovation

G642.423；TP212.6

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.061

2014－06－19；修改日期：2014－07－10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（13MS20、13MS28）。

劉玉燕（1980－），女，碩士，工程師，主要從事實(shí)驗(yàn)室管理與實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。