“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”項(xiàng)目教學(xué)法探索與實(shí)踐

鄭春嬌　趙越嶺　姜丕杰

摘要：針對(duì)“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程的內(nèi)容和特點(diǎn)，提出基礎(chǔ)層—應(yīng)用層—?jiǎng)?chuàng)新層三位一體的項(xiàng)目教學(xué)法。以“熱電式傳感器綜合測(cè)量與控制溫度”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，詳細(xì)分析了基礎(chǔ)層、應(yīng)用層、創(chuàng)新層的教學(xué)方法及在此過程中突出培養(yǎng)了學(xué)生哪些方面的知識(shí)和能力。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，采用此項(xiàng)目教學(xué)法可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、綜合知識(shí)水平、實(shí)踐動(dòng)手能力，達(dá)到培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人員的要求。

關(guān)鍵詞：傳感器與檢測(cè)技術(shù)；項(xiàng)目教學(xué)法；溫度測(cè)量與控制；創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）31-0149-02

“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”是電子信息類專業(yè)非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)必修課，該課程涉及的傳感器技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)，是多學(xué)科交叉和多種技術(shù)的綜合應(yīng)用[1，2]。傳感器作為自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分與工程實(shí)踐緊密結(jié)合[3，4]。傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式已經(jīng)不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求，需要進(jìn)行“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”的教學(xué)改革[5，6]。論文提出基礎(chǔ)層—應(yīng)用層—?jiǎng)?chuàng)新層三位一體的項(xiàng)目教學(xué)法，在基礎(chǔ)層優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系；在應(yīng)用層以參數(shù)檢測(cè)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)壓力、位移、轉(zhuǎn)速、溫度、濕敏與氣敏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；在創(chuàng)新層以開放實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新項(xiàng)目為載體，設(shè)計(jì)綜合性和設(shè)計(jì)性的項(xiàng)目。

一、課程的主要內(nèi)容

本課程按照專業(yè)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱的要求，進(jìn)行了課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使課程內(nèi)容既能充分展示本課程的核心領(lǐng)域知識(shí)，又能緊密結(jié)合工程實(shí)踐，以前沿技術(shù)提升課程內(nèi)涵，并與其他的后續(xù)課程有效銜接[1]。課程理論教學(xué)44學(xué)時(shí)，主要內(nèi)容有：（1）傳感器原理：講授各種傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路、應(yīng)用等。（2）檢測(cè)技術(shù)：主要講授參數(shù)檢測(cè)、測(cè)量不確定度與回歸分析。（3）檢測(cè)系統(tǒng)：主要講授自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成、軟件和硬件設(shè)計(jì)方法、典型系統(tǒng)的應(yīng)用舉例。

二、項(xiàng)目教學(xué)法的改革方法

一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括目的要求、確定方案、知識(shí)講解、收集資料、制作與調(diào)試等幾個(gè)模塊，其中目的要求、確定方案、知識(shí)講解由教師在理論課上講解，收集資料由學(xué)生在課外完成，制作與調(diào)試由教師指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上完成。項(xiàng)目的組織實(shí)施主要有以下三個(gè)層次：

（一）基礎(chǔ)層

這一階段的主要特點(diǎn)是強(qiáng)化學(xué)生的理論知識(shí)基礎(chǔ)，教師講授課程的過程中減少傳感器原理的講解，增加傳感器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中所用的傳感器的特點(diǎn)、測(cè)量電路、調(diào)試方法的講解。

（二）應(yīng)用層

考慮原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、與工程實(shí)踐脫節(jié)等問題，設(shè)計(jì)綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，即電阻應(yīng)變式測(cè)壓力、電容式和電渦流式傳感器測(cè)位移、熱電式傳感器綜合測(cè)量與控制溫度、霍爾式和光電式傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速、氣敏和濕敏傳感器的特性分析。這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用性和綜合性強(qiáng)，涵蓋傳感器測(cè)力、壓力、位移、轉(zhuǎn)速、溫度等過程量的檢測(cè)與控制。

（三）創(chuàng)新層

通過基礎(chǔ)層和應(yīng)用層的訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)基本具備了傳感器與檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試能力。在創(chuàng)新層通過開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，進(jìn)一步鞏固和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐應(yīng)用。在這些項(xiàng)目中，需要學(xué)生從文獻(xiàn)查閱、制定方案、可行性分析、設(shè)計(jì)、仿真、實(shí)驗(yàn)調(diào)試等方面獨(dú)立的開展工作，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，提高學(xué)生分析問題解決問題的能力。

三、項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施過程

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)與組織實(shí)施是項(xiàng)目教學(xué)法成敗的關(guān)鍵，主講教師和實(shí)驗(yàn)教師經(jīng)過多方調(diào)研設(shè)計(jì)了5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以溫度傳感器測(cè)量與控制溫度來說明項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施過程。

1.基礎(chǔ)層。在熱電式傳感器一章中設(shè)計(jì)“熱電式傳感器綜合測(cè)量與控制溫度”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，針對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目展開的理論教學(xué)內(nèi)容有：（1）PT100熱電阻的測(cè)溫范圍、阻值與溫度的關(guān)系式、分度號(hào)、測(cè)量電路、測(cè)量誤差。（2）集成溫度傳感器AD590的測(cè)溫范圍、工作電源、輸出特性、測(cè)量電路。（3）溫度控制原理框圖，如圖1所示。理解閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的概念。

2.應(yīng)用層。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用圖2的測(cè)量電路。溫度傳感器為AD590接在左側(cè)的電橋上，完成電流到電壓的轉(zhuǎn)換與放大，經(jīng)過后級(jí)的差動(dòng)運(yùn)算放大，輸出電壓Vo2顯示在電壓表上。

在此部分，需要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力包括：（1）溫度源的工作原理和操作方法；（2）調(diào)節(jié)儀的參數(shù)設(shè)置方法和操作方法；（3）萬用表測(cè)量電阻和電壓的方法。

溫度是一個(gè)慣性大、動(dòng)態(tài)過程復(fù)雜的過程量，相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，主要有以下調(diào)整：（1）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性提高；（2）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的時(shí)間，增加到4學(xué)時(shí)。當(dāng)溫度檢測(cè)值上升到設(shè)定值時(shí)，會(huì)在慣性的作用超調(diào)、振蕩，然后衰減直至收斂穩(wěn)定，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要一個(gè)15-20分鐘的調(diào)節(jié)時(shí)間，足夠的時(shí)間是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的保證；（3）增加實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。測(cè)量用的傳感器增加為AD590和PT100兩種。AD590是電流輸出的傳感器，PT100是電壓輸出的傳感器，分析兩種傳感器輸出特性的異同；（4）數(shù)據(jù)的分析與處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，繪制AD590和PT100的輸出特性曲線，計(jì)算靜態(tài)特性指標(biāo)。

學(xué)生經(jīng)過基礎(chǔ)層的理論學(xué)習(xí)，應(yīng)用層的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，已經(jīng)初步掌握了常用的測(cè)溫傳感器的基本工作原理、特性、測(cè)量電路、誤差分析等知識(shí)，具備了一定的設(shè)計(jì)調(diào)試電路的能力，為在實(shí)踐中的創(chuàng)新應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.創(chuàng)新層。針對(duì)如上的基礎(chǔ)層和創(chuàng)新層的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可以在開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、大學(xué)生科技競(jìng)賽、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)中對(duì)前一階段知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新和升華。以完成“溫度表的設(shè)計(jì)制作”為例，需要完成設(shè)計(jì)方案、選擇傳感器、選擇單片機(jī)及外圍接口電路、制作硬件電路、編寫并調(diào)試程序等工作。

四、結(jié)論

經(jīng)過實(shí)踐教學(xué)表明，這種基礎(chǔ)層-應(yīng)用層-創(chuàng)新層三位一體的項(xiàng)目教學(xué)法，在基礎(chǔ)層明確了理論知識(shí)的教學(xué)方向，在應(yīng)用層加強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐技能的培養(yǎng)，在創(chuàng)新層提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力，學(xué)生反饋意見良好，因此可以在前期工作的基礎(chǔ)上，豐富實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的種類和內(nèi)容，培養(yǎng)更多基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)人員。

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