基于虛實(shí)結(jié)合的傳感器原理與應(yīng)用教學(xué)研究與探索

張 總，劉 哲，王春梅，王 輝

（蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050）

0 引言

《傳感器原理與應(yīng)用》是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的課程體系中起到承上啟下的作用[1]，主要介紹了傳感器的一般特性、常見傳感器和新型傳感器[2]。也是其它如自動(dòng)化、機(jī)械電子工程等專業(yè)一門比較重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，根據(jù)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及《傳感器原理及應(yīng)用》教學(xué)訓(xùn)練大綱要求，該課程的主要任務(wù)是通過課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂探討等環(huán)節(jié)，使學(xué)生了解傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理以及常見的工程應(yīng)用，奠定傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用思想、創(chuàng)新實(shí)踐和創(chuàng)新思維能力基礎(chǔ)。為將來從事測(cè)控專業(yè)的工程設(shè)計(jì)、改造和維修打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)存問題

目前，教學(xué)中的突出問題主要反映在兩個(gè)方面。一是理論教學(xué)方式陳舊，以PPT 為媒體，教師主講學(xué)生輔聽的純理論知識(shí)灌輸類型，與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所使用的傳感器聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生感覺枯燥乏味，課堂的參與度不高，教學(xué)效果不好；二是實(shí)驗(yàn)方式單調(diào)枯燥，實(shí)驗(yàn)手段和設(shè)備落伍，缺乏設(shè)計(jì)性、綜合性要求，與工程實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重。多數(shù)情況是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書機(jī)械完成，對(duì)于結(jié)果是否合理沒有思考，實(shí)驗(yàn)報(bào)告也僅僅是現(xiàn)象的堆積，無理論分析和反思。整個(gè)過程中，學(xué)生只是一個(gè)驗(yàn)證工具，完全缺乏自主性，學(xué)生思考不足。還因?qū)嶒?yàn)條件的限制，學(xué)生參與度不夠全面，且實(shí)踐與理論教學(xué)脫節(jié)，學(xué)生的完整知識(shí)結(jié)構(gòu)體系無法統(tǒng)一構(gòu)建。

目前，由于各學(xué)校學(xué)時(shí)量的總體壓縮，該課程教學(xué)內(nèi)容在有限的學(xué)時(shí)下更趨向側(cè)重傳感器的基礎(chǔ)理論，不可能開設(shè)大量的實(shí)踐課程。因此，如何提升和擴(kuò)展理論及實(shí)踐教學(xué)效果，如何吸引并提升學(xué)生參與度及對(duì)所學(xué)知識(shí)的思考，是提高教學(xué)質(zhì)量迫切需要解決的問題。本文從兩方面進(jìn)行探索，一是從理論課入手，講授中采用Multisim 電路仿真軟件直觀顯示傳感器轉(zhuǎn)換電路后的輸出結(jié)果，使學(xué)生理解傳感器在工程實(shí)際中的應(yīng)用；二從實(shí)驗(yàn)教學(xué)入手，采用全新的ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用虛擬電路設(shè)計(jì)及實(shí)體硬件連接，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，做到學(xué)以致用。

2 虛擬設(shè)計(jì)在教學(xué)中的應(yīng)用

NI Multisim 是一款以Windows 操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的電路仿真工具，可以交互式地搭建電路原理圖，利用其直觀的圖形界面，豐富的元件資源，眾多的虛擬儀表和完備的仿真分析，在NI Multisim 電路仿真的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀表套件（ELVIS Ⅲ）的虛實(shí)結(jié)合方式應(yīng)用于傳感器測(cè)量電路的理論教學(xué)中[3]。利用NI ELVIS Ⅲ平臺(tái)上搭建實(shí)際電路，其所包含的電路原理圖圖形輸入方式，學(xué)生可以很快進(jìn)行電路繪制，進(jìn)行捕獲、仿真和分析，理解其工作目標(biāo)，圖像化的測(cè)量解決了學(xué)生對(duì)測(cè)量結(jié)果抽象、PPT枯燥、應(yīng)用較為困難的問題，可以更深刻地理解和學(xué)習(xí)傳感器原理和應(yīng)用的知識(shí)。

LabVIEW 是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，廣泛地為工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所利用，其中內(nèi)置了多種軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，可以依據(jù)工程任務(wù)或教學(xué)需求，方便地利用其圖形化的界面建立虛擬儀器，使得使用過程生動(dòng)有趣，符合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)[5]。

通過虛擬儀器結(jié)合NI ELVIS 虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一體化。由于體積小巧、便于攜帶，在理論教學(xué)過程中隨時(shí)作為教具使用，且相同于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐設(shè)備，因而學(xué)生便于參與，易于接受。NI ELVIS 包括硬件和軟件兩部分：硬件包括一臺(tái)可運(yùn)行LabVIEW 的計(jì)算機(jī)和NI ELVIS 教學(xué)實(shí)驗(yàn)操控工作臺(tái)；軟件包括LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，是可以針對(duì)ELVIS 硬件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的虛擬儀器軟件包[6]。NI ELVIS 與Quanser 不同板載卡構(gòu)建成多個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)功能。開放性的軟硬件教學(xué)及實(shí)驗(yàn)條件，使教師講授更加靈活，工程實(shí)例更加直觀，學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐更加多樣，不再受教學(xué)硬件實(shí)驗(yàn)的限制，可以自行虛擬設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，硬件組件可以獨(dú)立重疊，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以協(xié)同調(diào)試運(yùn)行。這種教學(xué)方法可以充分發(fā)揮教師教學(xué)的靈活性和學(xué)生的主觀能動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、思考能力和解決問題的能力。

3 虛實(shí)結(jié)合、理論實(shí)踐互補(bǔ)的教學(xué)設(shè)計(jì)

傳感器原理與應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容主要涵蓋3 部分：傳感器的工作原理與類型、轉(zhuǎn)換電路和應(yīng)用舉例。其中，電路部分教學(xué)較為抽象，特別是工程實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生掌握較為困難，以電阻應(yīng)變式傳感器理論課為例。

1）理論課教學(xué)

① 在復(fù)習(xí)傳感器的基本概念、傳感器的性能指標(biāo)時(shí)，通過提問學(xué)生完成，內(nèi)容以此部分重點(diǎn)和難點(diǎn)為提問點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的復(fù)習(xí)。

② 新課引入：以近期涉及傳感器技術(shù)的熱點(diǎn)問題入手，結(jié)合國(guó)家發(fā)展重要文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)視頻資料，并加入思政內(nèi)容，引領(lǐng)學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)目標(biāo)。為拉近學(xué)生與傳感器技術(shù)的距離，指出傳感器工作原理已經(jīng)被學(xué)生很早接觸，且最為常用的傳感器是電阻式傳感器，降低學(xué)生對(duì)傳感器知識(shí)的陌生感，為學(xué)生提供一個(gè)參與學(xué)習(xí)的契機(jī)。

③ 內(nèi)容講述：電阻式傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)、原理及其結(jié)構(gòu)，采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式完成，參與人員通過隨機(jī)抽取產(chǎn)生，促進(jìn)學(xué)生課前預(yù)習(xí)。講解過程中教師強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)：電阻應(yīng)變片的工作原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，對(duì)于金屬導(dǎo)體，電阻變化率?R/R的應(yīng)變效應(yīng)為：

式（1）中，μ為材料的泊松系數(shù)；ε為應(yīng)變量。對(duì)于金屬導(dǎo)體，把單位應(yīng)變引起的電阻值相對(duì)變化k作為電阻絲的靈敏系數(shù)，其表達(dá)式為：

引入虛擬電路設(shè)計(jì)軟件ultisim，利用其所提供的壓控電阻來模擬應(yīng)變片受力后電阻值的變化。操作過程中與同學(xué)一起查找并放置元件繪制電路，對(duì)電阻應(yīng)變式傳感器原理和常用工作電路進(jìn)行仿真；電阻應(yīng)變片的壓控電阻等效電路及全橋仿真電路如圖1、圖2 所示。

圖1 金屬應(yīng)變片仿真電路Fig.1 Simulation circuit of metal strain gauge

圖2 電阻應(yīng)變片全橋仿真電路Fig.2 Full bridge simulation circuit of resistance strain gauge

④ 課程小結(jié)：總結(jié)課堂重難點(diǎn)知識(shí)，評(píng)價(jià)學(xué)生課堂表現(xiàn)，并布置相關(guān)習(xí)題。

實(shí)驗(yàn)課是對(duì)理論知識(shí)的鞏固及提升，鞏固電阻應(yīng)變片原理及理解電橋?qū)W習(xí)。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)同樣由理論課教師來指導(dǎo)，或者在理論課教師全程參與的模式下進(jìn)行，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，可隨時(shí)解答實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和強(qiáng)化理論知識(shí)，開設(shè)的電阻應(yīng)變片半橋全橋性能實(shí)驗(yàn)，鑒于學(xué)生動(dòng)手能力層次不齊。實(shí)驗(yàn)前，將實(shí)驗(yàn)分成兩批次完成。

2）實(shí)驗(yàn)課教學(xué)

動(dòng)手能力較弱的同學(xué)在NI Elvis 實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，通過Quanser 機(jī)電一體化傳感器板并利用電位計(jì)加載砝碼完成電橋?qū)嶒?yàn)。主要涉及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)講解，理解實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)以及實(shí)驗(yàn)基本操作。

圖3 簡(jiǎn)易電子秤圖示Fig.3 Diagram of simple electronic scale

能力較強(qiáng)的同學(xué)，在掌握NI Elvis 實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上，改變傳統(tǒng)一體化實(shí)驗(yàn)臺(tái)使學(xué)生僅模仿實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書連線、運(yùn)行以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書記錄現(xiàn)象的模式；探索由學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室所提供的單橋和半橋應(yīng)變片、運(yùn)算放大器、滑動(dòng)變阻器、電阻等電子元器件及鋼板尺及砝碼，結(jié)合Multisim 仿真電路圖，自己動(dòng)手完成如圖3 所示的簡(jiǎn)易電子秤，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊(cè)并撰寫心得。

實(shí)際執(zhí)行過程中，大部分同學(xué)提前就電子秤的制作進(jìn)行了準(zhǔn)備，也完成了NI Elvis 實(shí)驗(yàn)操作。具有挑戰(zhàn)的課題，也有助于學(xué)生攻堅(jiān)克難精神的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。

虛實(shí)結(jié)合、理論和實(shí)踐互補(bǔ)的傳感器使原本枯燥的理論教學(xué)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為貼近工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的一體化教學(xué)，且因材施教并充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和想象力，也合理地利用了實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源。

4 課后教學(xué)延續(xù)

課程后設(shè)置涉及傳感器的小科技作品，學(xué)生通過市場(chǎng)調(diào)研，自主完成相關(guān)題目的傳感器選型、Multisim 測(cè)量電路的虛擬設(shè)計(jì)、基于NI ELVIS 和myDAQ 實(shí)物檢測(cè)平臺(tái)的搭建以及后續(xù)信號(hào)的采集和處理。最后，學(xué)生以兩人為一小組將作品成果以報(bào)告和實(shí)物的方式展現(xiàn)給指導(dǎo)教師和同學(xué)，并讓指導(dǎo)教師給出指導(dǎo)意見，同學(xué)參與互評(píng)。部分參考題目如下所示：

① 防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì)

② 心率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

③ 肺活量測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

④ 太陽能采暖控制器的設(shè)計(jì)

⑤ 電動(dòng)車速度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

⑥ 風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

圖4 學(xué)生制作參與及部分作品Fig.4 Students' participation in production and some works

表1 實(shí)驗(yàn)考核Table 1 Experimental assessment

⑦ 應(yīng)變式加速度傳感器的設(shè)計(jì)

將傳感器原理與應(yīng)用的學(xué)習(xí)內(nèi)容融匯貫通到科技作品輸出，注重學(xué)生在參與項(xiàng)目的過程中對(duì)傳感器知識(shí)的繼續(xù)學(xué)習(xí)，理論與工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，理論與實(shí)踐互補(bǔ)。一方面，幫助學(xué)生掌握理論知識(shí)，使理論與工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合；另一方面，可以通過做項(xiàng)目的方式促進(jìn)學(xué)生之間的合作，提高學(xué)生的合作能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)，為他們未來的職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。學(xué)生參與及部分作品如圖4 所示。

5 考核

課程考核包含實(shí)驗(yàn)考核和過程考核，最終歸到總成績(jī)?cè)u(píng)定。其中，本課程共有4 個(gè)實(shí)驗(yàn)，均為必做。實(shí)驗(yàn)考核由出勤與紀(jì)律、實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量3 個(gè)環(huán)節(jié)組成，成績(jī)以百分計(jì)，滿分100 分?？己艘笠姳?。

表2 成績(jī)?cè)u(píng)定考核Table 2 Performance evaluation

本課程成績(jī)?cè)u(píng)定環(huán)節(jié)包括過程考核和期末考試，總評(píng)成績(jī)以百分計(jì)，滿分100 分?？己艘笠姳?。

6 結(jié)束語

隨著國(guó)家的快速發(fā)展，傳感器的需求和應(yīng)用越來越多，傳感器類技術(shù)人才的需求也越來越多，為適應(yīng)需要對(duì)傳感器原理與應(yīng)用課程教學(xué)進(jìn)行改革，以便使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)學(xué)習(xí)，被動(dòng)理解到主動(dòng)思考。本文從理論課和實(shí)驗(yàn)課兩方面探討了采用NI Multisim 電路仿真軟件、LabVIEW虛擬儀器及NI Elvis 虛擬實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合、理論和實(shí)踐互補(bǔ)的傳感器原理與應(yīng)用教學(xué)設(shè)計(jì)，使該門課程教學(xué)易學(xué)、易懂、概念具體，工程應(yīng)用直觀。以上對(duì)于該課程教學(xué)方法的探討，在教學(xué)中取得了良好的效果，學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容增加，興趣和動(dòng)力得以提高，同時(shí)培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力，使他們?cè)趯W(xué)校接觸和使用到工程實(shí)際中應(yīng)用的先進(jìn)設(shè)備，滿足崗位需求，也達(dá)到了該課程的教學(xué)目標(biāo)。