面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育導(dǎo)向的課程改革

平續(xù)斌　劉永奎

[摘 要] 針對目前“傳感器原理與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容與方法之間、培養(yǎng)學(xué)生傳感器設(shè)計與應(yīng)用能力之間的矛盾，以及理論講授和實驗課程之間脫節(jié)的問題，以面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育為目標，基于案例分析、項目驅(qū)動及虛實結(jié)合進行課程改革。教學(xué)方法以傳感器理論教學(xué)和實驗結(jié)合、傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析和原理認知統(tǒng)一、系統(tǒng)構(gòu)建和測量應(yīng)用關(guān)聯(lián)為關(guān)注點，目的在于培養(yǎng)學(xué)生對傳感器原理的理解認知，以及測量系統(tǒng)設(shè)計和實踐能力。

[關(guān)鍵詞] 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè);傳感器原理與應(yīng)用;課程改革

[基金項目] 2021年度西安電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院“三全育人”綜合改革專項;2020年度中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費西安電子科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)專項“‘傳感器原理與應(yīng)用創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程設(shè)計”（20108206024）;2020年度中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費西安電子科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)專項“融合智能機器人的傳感器課程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育方法研究和探索”（20108206056）

[作者簡介] 平續(xù)斌（1982—），男，陜西西安人，工學(xué)博士，西安電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院講師（通信作者），碩士生導(dǎo)師，主要從事狀態(tài)檢測估計與魯棒最優(yōu)控制研究;劉永奎（1981—），男，河南新鄭人，工學(xué)博士，西安電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事智能制造、智能工廠及智能機器人研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）45-0071-04? ?[收稿日期] 2021-02-23

隨著電子計算機、機器人、自動檢測技術(shù)等的迅速發(fā)展，使得傳感器技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域中的地位變得越來越重要，并且已經(jīng)成為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大技術(shù)（計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)）之一[1]。“傳感器原理與應(yīng)用”課程（以下簡稱傳感器課程）是電子信息、自動化、電氣工程和儀器儀表等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，該課程具有學(xué)科綜合性、多學(xué)科交叉的特點，有助于培養(yǎng)具有跨學(xué)科知識結(jié)構(gòu)和綜合能力的應(yīng)用型人才[2，3]。傳感器課程培養(yǎng)學(xué)生掌握量測對象，以及測控系統(tǒng)的非電量到電量測量的原理和技術(shù)，該門課程的教學(xué)理論講授和實驗操作實踐注重培養(yǎng)學(xué)生對測控系統(tǒng)的分析及綜合設(shè)計能力[4]，但是傳統(tǒng)傳感器的教學(xué)內(nèi)容和方法往往難以滿足學(xué)生掌握傳感器基本原理及其應(yīng)用的需求，并且難以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方面的知識與技能。

一、傳感器教學(xué)方面存在的問題

1.教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力之間的矛盾。傳感器課程的理論教學(xué)的難點和重點主要集中在原理分析上，但是大量物理模型和公式推導(dǎo)難以有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，因此在實際課程教學(xué)中大部分都集中在給學(xué)生灌輸理論知識內(nèi)容上，而課程中所包含的理論知識結(jié)構(gòu)比較抽象，學(xué)生往往會很難理解傳感器系統(tǒng)理論和具體傳感器器件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。雖然教材中每章都會介紹傳感器的應(yīng)用實例，但是往往實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容不同于課本中的實例介紹，因此難以將課本中的實例進行驗真分析。例如在課堂講授傳感器原理分析方面，往往只關(guān)注靈敏度等傳感器系統(tǒng)的靜態(tài)特性，針對傳感器的動態(tài)特性涉及比較少。而實際傳感器在應(yīng)用中主要是以測量動態(tài)信號為主，從而記錄動態(tài)信號的變化過程，并進行信號的穩(wěn)定性和延時誤差分析。此外，傳感器理論教學(xué)中課程內(nèi)容組織松散，其主要原因在于傳感器課程不同章節(jié)的講述基于不同原理所構(gòu)建的傳感器量測系統(tǒng)，但是各章節(jié)的傳感器基于不同原理講述，知識結(jié)構(gòu)相對獨立且缺乏系統(tǒng)性和連貫性，因此使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時難以抓住每章的重點，從而將各章內(nèi)容有機結(jié)合起來，不利于學(xué)生創(chuàng)新性能力和實踐應(yīng)用能力的提高。

2.理論講授和實驗課程之間脫節(jié)。傳統(tǒng)傳感器教學(xué)往往給出了在理想環(huán)境、理想模型下傳感器系統(tǒng)的等效電路圖，然后根據(jù)電路與系統(tǒng)之間的關(guān)系，定性分析傳感器的輸入輸出特性，因此缺乏定量分析，使得學(xué)生難以直觀理解傳感器的工作原理。通常課堂講解理論化、模型化公式的推導(dǎo)，使學(xué)生難以將抽象的理論和實際設(shè)備相互關(guān)聯(lián)。例如講述傳感器的理論課程側(cè)重原理分析，但是在實際中，對于傳感器如何設(shè)計、如何使用、如何分析存在不足，如何對測量誤差進行補償?shù)人鶎?yīng)的系統(tǒng)器件方面欠缺認知。而傳感器實驗設(shè)備大多為封裝的實驗臺或?qū)嶒炏?，這種設(shè)備對學(xué)生開放程度低，造成學(xué)生往往將傳感器實驗設(shè)備當作“黑盒形式”分析。實驗過程大都是以連線方式的傳感器簡單原理驗證為主，而忽略了實驗中傳感器內(nèi)部模塊如何構(gòu)建，以及如何和傳感器的原理相對應(yīng)，因而造成實驗過程中學(xué)生只關(guān)注如何根據(jù)實驗手冊進行連線，從而盡快記錄實驗數(shù)據(jù)。此外，缺少傳感器實際應(yīng)用案例相關(guān)的實驗、傳感器設(shè)計和傳感器綜合實驗，造成學(xué)生在設(shè)計傳感器和傳感器綜合分析及應(yīng)用方面存在問題，難以培養(yǎng)學(xué)生在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方面的能力。

二、面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的傳感器課程改革

培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)應(yīng)用型人才是高校培養(yǎng)學(xué)生的重要目標之一，而綜合理論和實踐是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)的重要途徑。綜合筆者近六年主講“傳感器原理與應(yīng)用”理論教學(xué)和傳感器實驗指導(dǎo)的教學(xué)經(jīng)驗，以及所指導(dǎo)的十余名與傳感器相關(guān)的本科畢業(yè)生的設(shè)計工作，探討面向自動化專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的傳感器課程改革，包括綜合案例分析研究性教學(xué)、項目驅(qū)動式教學(xué)及虛實結(jié)合的傳感器教學(xué)。

1.綜合案例分析研究性教學(xué)。通過案例分析研究性教學(xué)使得學(xué)生掌握傳感器測量原理、測量電路原理和器件構(gòu)成，具備常用傳感器實驗系統(tǒng)構(gòu)建，以及對測量系統(tǒng)進行輸入和輸出特性分析的能力。將研究性思想貫穿于整個傳感器教學(xué)和實驗之中，重點在理論教學(xué)過程中側(cè)重針對每種典型的傳感器測量案例，從系統(tǒng)組成方面分析傳感器每個構(gòu)成器件的工作原理和方式，包括研究傳感器每個器件獨自內(nèi)部工作機制及器件之間的輸入輸出關(guān)系，從模型化建立和參數(shù)確定等方面研究分析傳感器的工作原理，從而克服目前傳感器教學(xué)中只側(cè)重將傳感器作為理想的簡單輸入輸出系統(tǒng)形式。在實驗指導(dǎo)中，從實驗過程中傳感器器件組成原理、器件實際工作機制、器件參數(shù)選擇、測量誤差源產(chǎn)生、測量誤差補償?shù)确矫孢M行分析。實驗進展過程中貫穿研究性思想的重點在于將“黑盒”形式的模塊化封裝的傳感器量測模塊更多地是從“白盒”角度上理解和分析器件的組成和原理，從而避免學(xué)生在做實驗時只注重結(jié)果而不注重實驗原理的不足。

在具體課程環(huán)節(jié)安排中，從理論講授上側(cè)重傳感器結(jié)構(gòu)和組成、每個器件作為獨立子系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系，子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)后所存在的耦合關(guān)系，所構(gòu)建的傳感器系統(tǒng)從開環(huán)和閉環(huán)的角度上非電量輸入和系統(tǒng)電量輸出之間的關(guān)系，傳感器的每個模塊如何搭建及工作原理（如非電量信號的產(chǎn)生、敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理電路）等關(guān)系中，在認知到系統(tǒng)模塊組成的基礎(chǔ)上理解傳感器的整體結(jié)構(gòu)和功能。然后進一步進行實驗?zāi)K組合和工作原理展示，通過系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)讓學(xué)生明白每個環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換原理。在實驗環(huán)節(jié)讓學(xué)生從電路與系統(tǒng)的角度分析傳感器的輸入和輸出之間如何定量化實現(xiàn)。針對實驗中出現(xiàn)系統(tǒng)輸出非線性、零點漂移、時變、延遲等特性，引導(dǎo)學(xué)生思考產(chǎn)生的原因及補償方法，從而激發(fā)學(xué)生對傳感器系統(tǒng)內(nèi)部器件的興趣。在實施過程中，以小組協(xié)同的形式進行討論、描述系統(tǒng)搭建、工作原理解析、輸入輸出數(shù)據(jù)處理方法、系統(tǒng)誤差產(chǎn)生機制分析、補償方法設(shè)計等環(huán)節(jié)，從而綜合理解傳感器的工作原理和應(yīng)用。課程內(nèi)容中需要重點了解傳感器內(nèi)部器件參數(shù)受非電量影響對傳感器輸出的影響及各種信號的變換環(huán)節(jié)。需要結(jié)合“自動控制原理”“信號與系統(tǒng)”“電路分析”等課程，使得學(xué)生更加深刻地理解傳感器在閉環(huán)反饋系統(tǒng)中的作用和意義，以及傳感器電路系統(tǒng)的工作機制和原理。通過理論分析和實際實驗設(shè)備工作原理的驗證，將傳感器實驗中所遇到的“黑盒”系統(tǒng)化問題轉(zhuǎn)化為學(xué)生針對傳感器每個環(huán)節(jié)分析和認知的“白盒”系統(tǒng)，最終實現(xiàn)各種傳感器系統(tǒng)中非電量信號到電信號的轉(zhuǎn)換和過程的原理，通過數(shù)學(xué)建模和電路分析，確立傳感器系統(tǒng)的輸入和輸出特性關(guān)系。

2.項目驅(qū)動形式的傳感器教學(xué)。側(cè)重以傳感器量測非電量為驅(qū)動的理論和實驗綜合教學(xué)方式，突破已有課堂原理認知和實驗驗證方式傳感器教學(xué)方式的不足。項目教學(xué)方式包括：基于每章傳感器原理，設(shè)計針對不同非電量的測量方法;根據(jù)不同章節(jié)傳感器原理，設(shè)計針對同一待測量傳感器，認知不同類型傳感器之間的相關(guān)和不同之處，從而綜合課堂橫向章節(jié)知識理解及縱向的實驗項目設(shè)計教學(xué)，幫助學(xué)生梳理每章重點及不同章節(jié)的關(guān)聯(lián)之處。綜合形式的實驗設(shè)計可以使學(xué)生將松散的知識進行縱向的相關(guān)聯(lián)的對比和分析，構(gòu)建知識之間的連貫性。項目驅(qū)動過程中綜合實驗和設(shè)計實驗的開設(shè)，構(gòu)建傳感器和相關(guān)學(xué)科及領(lǐng)域之間的關(guān)系，有益于自動化專業(yè)學(xué)生從系統(tǒng)測量和閉環(huán)控制等方面看待傳感器的功能和意義。重點在于設(shè)計適合不同類型傳感器之間可行的項目內(nèi)容，使得學(xué)生能夠理解項目的設(shè)計要求、進行項目仿真系統(tǒng)建立、實驗系統(tǒng)搭建和分析、系統(tǒng)輸入和輸出的考察和研究、綜合傳感器相關(guān)課程的結(jié)合知識點及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)，進行綜合性和開發(fā)性的實驗設(shè)計，從而使得學(xué)生易于掌握傳感器中測量誤差的產(chǎn)生原因及常用的補償方法，并且了解實際中常見傳感器的工作原理及傳感器的應(yīng)用選擇。

項目驅(qū)動形式的傳感器教學(xué)主要側(cè)重建立在基礎(chǔ)驗證類傳感器實驗基礎(chǔ)上，以任務(wù)驅(qū)動形式開設(shè)綜合類實驗和設(shè)計類實驗（見圖1）?；A(chǔ)驗證性實驗?zāi)壳翱梢酝ㄟ^傳感器實驗臺完成，主要鍛煉學(xué)生的物理測量能力及實驗儀器使用能力。通過綜合性實驗的開設(shè)增加學(xué)生的實驗系統(tǒng)認知能力及分析和解決問題的能力，而通過設(shè)計實驗更多的是增加創(chuàng)新性和工程應(yīng)用的能力。在任務(wù)驅(qū)動的實驗過程中，更多的啟發(fā)學(xué)生根據(jù)設(shè)定的任務(wù)，選型不同的傳感器，然后通過設(shè)計方法，構(gòu)建相應(yīng)的傳感器框架，進行傳感器的綜合和擴展研究。綜合性實驗題目根據(jù)近年來筆者指導(dǎo)的10余名從事傳感器原理與應(yīng)用的本科畢業(yè)生的設(shè)計工作為基礎(chǔ)進行開設(shè)，包括電子秤設(shè)計方法研究、霍爾傳感器特性和應(yīng)用研究、溫度傳感器原理和應(yīng)用設(shè)計、光電傳感器原理及其應(yīng)用、霍爾傳感器測量和控制應(yīng)用、溫度傳感器測量和控制應(yīng)用、智能調(diào)節(jié)儀溫度測量和控制應(yīng)用、智能調(diào)節(jié)儀轉(zhuǎn)速測量和控制應(yīng)用、基于智能手機的傳感器實驗設(shè)計與應(yīng)用、基于LabVIEW的傳感器虛擬測試系統(tǒng)設(shè)計等。

3.虛實結(jié)合的傳感器教學(xué)。傳感器原理的實現(xiàn)主要利用各種典型電路系統(tǒng)，在非電量改變電路系統(tǒng)中器件（如電阻、電容、電感等）參數(shù)下，考察電路系統(tǒng)器件參數(shù)的變化對電路系統(tǒng)中電壓或者電流輸出的影響。因此，針對傳感器原理認知傳感器和設(shè)計，完全可以通過各種電路仿真軟件，綜合虛擬儀器軟件進行虛擬環(huán)境下的傳感器系統(tǒng)仿真。具體可以通過學(xué)生在虛擬儀器軟件LabVIEV系統(tǒng)中搭建虛擬傳感器實驗環(huán)境，然后在虛擬傳感器環(huán)境中驗證設(shè)計結(jié)果，最后到實驗室平臺進行驗證分析。在實驗過程中，學(xué)生可以根據(jù)傳感器實驗室的傳感器器件模塊的電路圖，以及電路圖中電阻、電容、電感、放大器等器件參數(shù)，在電路仿真軟件中搭建相應(yīng)的傳感器系統(tǒng)內(nèi)部電路圖，然后測試系統(tǒng)中非電量改變器件參數(shù)后如何影響傳感器系統(tǒng)的輸出關(guān)系。在實際設(shè)備驗證過程中，針對仿真中和實際設(shè)備中系統(tǒng)的輸入輸出之間的差別進行物理設(shè)備參數(shù)調(diào)整，從而綜合虛擬環(huán)境下傳感器的構(gòu)建和實際設(shè)備之間的對應(yīng)關(guān)系。需要考慮仿真系統(tǒng)構(gòu)建的物理意義和實際傳感器系統(tǒng)之間的結(jié)合，使得仿真意義下理論成果可以用于指導(dǎo)實際傳感器的設(shè)計與分析，為實際傳感器的分析和設(shè)計提供依據(jù)。

三、結(jié)語

將傳感器課程的理論教學(xué)實驗實踐緊密融合，培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才是當前傳感器教學(xué)改革實施的重要內(nèi)容之一。傳感器課程改革重點側(cè)重學(xué)生在已有電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、大學(xué)物理等學(xué)科的基礎(chǔ)上，首先理解傳感器的典型環(huán)節(jié)的工作原理，然后搭建相應(yīng)的傳感器系統(tǒng)，進行綜合類和設(shè)計類傳感器系統(tǒng)構(gòu)建。通過典型案例的研究性教學(xué)進行傳感器的應(yīng)用原理解析和分析，易于理解傳感器的工程應(yīng)用意義和背景;項目驅(qū)動課堂使學(xué)生在理解傳感器原理的基礎(chǔ)上，進行綜合類和設(shè)計類的傳感器設(shè)計和分析;虛實結(jié)合傳感器教學(xué)不僅能加深學(xué)生在虛擬傳感器系統(tǒng)中對傳感器理論知識的理解，而且能幫助學(xué)生在做實際實驗時減少接線錯誤，從而為傳感器系統(tǒng)原理驗證，以及傳感器設(shè)計提供軟件仿真和系統(tǒng)實現(xiàn)基礎(chǔ)。在課程改革過程中，鼓勵學(xué)生參加全國和省級與傳感器相關(guān)的電子設(shè)計大賽、互聯(lián)網(wǎng)+大賽，以及校內(nèi)“星火杯”設(shè)計大賽等，提高學(xué)生基于傳感器課程的思考問題能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。通過傳感器課程改革不僅為傳感器理論和實驗教學(xué)增加了更多的教學(xué)內(nèi)容和知識點，而且通過案例研究、項目驅(qū)動、虛實結(jié)合教學(xué)，增進了學(xué)生對傳感器的理論認知和實踐能力，從而為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)提供了基礎(chǔ)。

參考文獻

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Curriculum Reform Orientated to Innovation and Entrepreneurship Education： Taking “Sensor Principles and Applications” Course as an Example

PING Xu-bin， LIU Yong-kui

（School of Mechano-Electronic Engineering， Xidian University， Xian， Shaanxi 710071， China）

Abstract： Aiming at the current contradictions between the teaching contents and methods in the course of Sensor Principles and Applications， the training of students sensor design and application ability， and the disconnection between theoretical teaching and experimental courses， curriculum reform is carried out based on the case analysis， project-driven， and combination of virtuality and reality， with innovation and entrepreneurship education as the goal. The teaching approach focuses on the combination of sensor theory teaching and experimentation， sensor system structural analysis and principle cognition unification， and system construction and measurement application association. The purpose is to cultivate students understanding and cognition of sensor principle， as well as the design and practice ability of measurement system.

Key words： innovation and entrepreneurship; Sensor Principles and Applications; curriculum reform