案例探究式教學(xué)在傳感器與儀表課程中的應(yīng)用

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[摘 要]基于學(xué)生對傳感器與儀表課程認(rèn)知和解決復(fù)雜工程問題能力不足的現(xiàn)狀，文章探討了案例探究式教學(xué)模式的具體應(yīng)用策略，以增強學(xué)生對傳感器實物的認(rèn)知，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，即以實際工程項目案例作為理論和實踐的橋梁，輔以虛擬儀器的仿真技術(shù)，設(shè)計開放性的實驗進行工程問題的方案設(shè)計、實施和驗證，以達到使學(xué)生在仿真和實踐中對理論知識融會貫通的目的。

[關(guān)鍵詞]傳感器;復(fù)雜工程問題;案例;虛擬儀器

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）05-0130-03

隨著新工科建設(shè)理念的提出，各大高校開始對傳統(tǒng)工科專業(yè)進行升級改造，例如一些針對新興產(chǎn)業(yè)而設(shè)立的新專業(yè)：人工智能、智能制造、機器人、云計算等[1-2]。這類新專業(yè)的設(shè)立會讓傳感器這類課程成為必要的基礎(chǔ)課程，因為所有與智能相關(guān)的領(lǐng)域都離不開大數(shù)據(jù)，而大數(shù)據(jù)的獲取必須依靠傳感器去感知[3]。傳感器與儀表是武漢科技大學(xué)（以下簡稱“我校”）自動化專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)必修課，是學(xué)習(xí)和了解自動控制過程不可缺少的課程。而這門課在教學(xué)過程中常面臨學(xué)生知識吸收少、實踐能力弱等問題。文章結(jié)合我校自動化專業(yè)特色背景，探討基于案例探究式的傳感器與儀表課程教學(xué)改革。

一、課程教學(xué)過程面臨的問題

（一）缺乏對傳感器實物的認(rèn)知

傳感器與儀表是一門綜合性很強的課程，涉及電路技術(shù)、信號處理技術(shù)、自動控制技術(shù)等，教學(xué)內(nèi)容繁多，課程涉及的各類傳感器多達十幾種。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，傳感器教學(xué)以理論教學(xué)為主，教材更多的是對基礎(chǔ)電路的分析，這使學(xué)生缺乏對傳感器實物的認(rèn)知，難以學(xué)以致用[4]。

（二）實踐能力不足

傳感器與儀表是一門理論與實踐緊密結(jié)合的課程，用以解決現(xiàn)代科學(xué)與工程中的復(fù)雜工程問題。傳統(tǒng)教學(xué)由于課時限制，實踐環(huán)節(jié)偏少，且大多是針對傳感器特性開展的驗證性實驗，例如應(yīng)變片電橋性能實驗、電容式傳感器的位移特性實驗、壓力傳感器的壓力特性實驗等[5-6]。這些實踐雖然可以加深學(xué)生對傳感器原理的理解，但是由于缺乏自主實驗的設(shè)計，對如何培養(yǎng)學(xué)生利用傳感器解決復(fù)雜工程問題的能力方面仍有所欠缺。

二、案例探究式的課程教學(xué)改革

案例探究式教學(xué)模式主要通過構(gòu)建教學(xué)案例庫和實驗案例庫引導(dǎo)學(xué)生主動探索和學(xué)習(xí)，并最終采用多元化的考核機制進行考核[7-8]。

傳感器與儀表課程需要教師具有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實際工程經(jīng)驗，能將傳感器的典型應(yīng)用案例引入課堂，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考并解決復(fù)雜的工程問題。我校在鋼鐵冶金行業(yè)的自動化控制和監(jiān)測上具有較強的應(yīng)用背景，本團隊在冶金機械的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷上積累了豐富的理論知識和工程經(jīng)驗，基本涵蓋了課程中各類傳感器的應(yīng)用。這對課程的教學(xué)和實驗案例庫的構(gòu)建具有重要的指導(dǎo)意義。

（一）教學(xué)案例庫搭建

該課程主要包含三個部分，即各類傳感器的原理及應(yīng)用、自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用、虛擬儀器技術(shù)。其中各類傳感器的原理及應(yīng)用涉及傳統(tǒng)傳感器和新型傳感器，傳統(tǒng)傳感器涉及電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器等，新型傳感器涉及光電式傳感器、光纖傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器等[9]。

教學(xué)案例庫涵蓋了整個課程的主線，其基礎(chǔ)理論知識以PPT教學(xué)為主，應(yīng)用知識則以PPT和視頻結(jié)合的方式進行，需要驗證和探索的知識則以仿真實驗的方式進行。仿真環(huán)節(jié)主要基于虛擬儀器平臺Lab VIEW進行開發(fā)，一方面可以讓學(xué)生熟悉虛擬儀器軟件的操作，快速入門并自主搭建簡單的檢測系統(tǒng);另一方面仿真環(huán)節(jié)的加入，可以引導(dǎo)學(xué)生在課下進行學(xué)習(xí)和探索，將有限的實驗課時更多地用在探索性實驗上。

各部分內(nèi)容對應(yīng)的案例形式是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容本身的特色所設(shè)計的。

1.傳感器原理等基礎(chǔ)知識需要更強的理論支撐，所以主要以PPT的形式進行設(shè)計，設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、測量電路等，并根據(jù)不同類型的傳感器設(shè)計采用不同類型的案例庫。傳感器的應(yīng)用實例以PPT和視頻結(jié)合的方式進行設(shè)計，并盡可能涉及日常生活和制造業(yè)等。傳感器原理的驗證性實驗則通過開發(fā)仿真系統(tǒng)進行線上實驗，例如各類傳感器的特性實驗等。

2.自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用需要綜合運用傳感器信號處理、自動控制等知識，實踐性偏強，在設(shè)計案例庫時主要以仿真和實踐的形式進行。由于Lab VIEW支持各種類型的模擬量輸入，基于現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)機械故障檢測平臺可構(gòu)建自主探索類案例庫，如轉(zhuǎn)速測量、溫度測量、振動測量、軸偏心測量等案例。學(xué)生通過線上仿真開發(fā)和線下實踐，對自動檢測系統(tǒng)涉及的信號采集、信號處理、自動控制、狀態(tài)監(jiān)測等知識進行探究式學(xué)習(xí)。

3.虛擬儀器技術(shù)的案例庫主要以工業(yè)應(yīng)用為背景進行設(shè)計，以能搭建常用的自動檢測系統(tǒng)為目的，對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示等基本功能進行教學(xué)，復(fù)雜的部分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容可以不在該課程中涉及。結(jié)合前面?zhèn)鞲衅髟砗妥詣訖z測系統(tǒng)設(shè)計的知識，分別設(shè)計簡單的仿真案例：各類傳感器測量電路的搭建、傳感器特性的驗證、模擬量采集和分析（電流、電壓、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等），以及一個能解決實際問題的旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

（二）實驗案例庫的搭建

傳統(tǒng)的傳感器實驗多以不同類型傳感器的特性驗證實驗為主，學(xué)生在實驗過程中缺乏獨立思考和探索的空間[10]。因此，需要設(shè)置開放性的、具有探索空間的實驗案例庫供學(xué)生進行探究式實驗。而原本的特性驗證性實驗則通過虛擬儀器系統(tǒng)以仿真的形式讓學(xué)生進行學(xué)習(xí)。

在實驗案例庫的設(shè)計中，需要借助上述介紹的虛擬儀器仿真平臺。學(xué)生在仿真平臺上開發(fā)自動檢測系統(tǒng)后，最終還是需要在線下進行實踐。實驗案例庫也是圍繞現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)機械故障檢測平臺開展，初級的實驗案例可以設(shè)置轉(zhuǎn)速測量、溫度測量、振動測量、軸偏心測量等;復(fù)雜的實驗案例則可以設(shè)置為旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測。在線下實驗的過程中，學(xué)生對傳感器的選型、模擬信號處理、數(shù)字信號處理、自動檢測等知識，都可以進行系統(tǒng)操作。這樣更加有助于學(xué)生對理論知識的融會貫通，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)機械故障檢測平臺可供學(xué)生選取的放大器有1倍、10倍和100倍，數(shù)據(jù)采集卡具有模擬輸入通道、輸出通道和數(shù)字I/O通道。我們可以此構(gòu)建實驗案例庫。

1.溫度監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)提供的儀器設(shè)備搭建軸承溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的傳感器主要為溫度傳感器。可供學(xué)生選擇的傳感器類型有熱電偶溫度傳感器、玻璃管液體溫度傳感器、光纖溫度傳感器、紅外測溫傳感器等。該實驗案例庫可以鍛煉學(xué)生用Lab VIEW編寫簡單的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的能力。在采集卡的支持下，該軟件系統(tǒng)編寫比較簡單，主要涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示。而在線下實驗中，學(xué)生需要根據(jù)所學(xué)知識和被測對象選擇傳感器類型、合適的被測量范圍等。

2.轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)提供的儀器設(shè)備搭建軸承轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的傳感器主要為轉(zhuǎn)速傳感器。可供學(xué)生選擇的傳感器類型有激光式轉(zhuǎn)速傳感器、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。在采集卡的支持下，軟件編程簡單。在線下實驗中，學(xué)生可以進一步學(xué)習(xí)和掌握不同轉(zhuǎn)速傳感器的測試原理和方式。

3.振動監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)提供的儀器設(shè)備搭建軸承振動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的傳感器主要為振動傳感器?？晒W(xué)生選擇的傳感器類型有聲發(fā)射傳感器、壓電式振動加速度傳感器、電容式振動加速度傳感器等。在采集卡的支持下，軟件編程簡單。在線下實驗中，學(xué)生可以進一步學(xué)習(xí)和掌握采樣定理、傳感器安裝等知識。

4.偏差監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)提供的儀器設(shè)備搭建軸承偏差監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的傳感器主要為位移傳感器?？晒W(xué)生選擇的傳感器類型有電感式位移傳感器、應(yīng)變式位移傳感器、光柵位移傳感器。在采集卡的支持下，軟件編程簡單。在線下實驗中，學(xué)生可以進一步學(xué)習(xí)和掌握傳感器原理和安裝等知識。

5.旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)提供的傳感器和各狀態(tài)指標(biāo)的異常閾值搭建復(fù)雜的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并對異常狀態(tài)進行報警。該案例庫可以培養(yǎng)學(xué)生從方案制訂、系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)完善到系統(tǒng)上線的工程全流程的能力。系統(tǒng)的編程，難度適中。線下實驗可以培養(yǎng)學(xué)生在實踐中解決異常問題的能力。

實驗案例庫的數(shù)量適中，前面4個實驗案例都是單指標(biāo)監(jiān)測，主要了解各物理量的檢測方法、傳感器選擇、傳感器安裝、信號預(yù)處理等知識，入門比較容易。而最后的實驗案例庫，更多的是培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力。

這些實驗大多可以有不同的解決方案，學(xué)生的參與度非常高，在實驗過程中的教育收獲也比簡單的驗證實驗要多。此外，不需要改變現(xiàn)有的理論教學(xué)和實踐教學(xué)的時間比例。

（三）探究式學(xué)習(xí)機制

由于傳感器課程的理論知識比較枯燥，自動化專業(yè)更需要培養(yǎng)的是學(xué)生根據(jù)傳感器的原理進行自動檢測系統(tǒng)搭建的能力，而非制作傳感器的能力，在這種情況下，灌輸式的教學(xué)模式很難讓學(xué)生真正掌握傳感器的應(yīng)用知識。甚至在缺乏實際操作的情況下，部分學(xué)生對模擬信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換的工程意義還比較模糊。通過探究式學(xué)習(xí)機制，教師根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容的進度，可以下達仿真實驗的任務(wù);學(xué)生根據(jù)任務(wù)進行分組討論并完成任務(wù);教師再根據(jù)學(xué)生完成任務(wù)的情況進行答疑和評定。在這個過程中，初級仿真實驗的難度不是很高，從特性驗證到搭建簡單的單指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，這些都是可以在不占用特別多的課外時間的情況下分組完成。而旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由于涉及多指標(biāo)的監(jiān)測，更能培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作、方案制訂、方案實施、方案完善等綜合能力。

在一個個由淺入深的仿真實驗的完成過程中，學(xué)生會不斷收獲成就感，增加課程學(xué)習(xí)的代入感，提高課程學(xué)習(xí)的興趣，最終提高解決復(fù)雜工程問題的能力。

（四）多元化考核機制

基于案例式的傳感器與儀表課程的仿真和實驗對學(xué)生的綜合能力反映更加直觀。因此，課程考核不能單憑理論考試的成績決定，而是需要綜合考慮理論知識掌握程度、過程學(xué)習(xí)表現(xiàn)、實踐能力等因素。其中理論知識掌握程度可以通過理論考試進行考核，過程學(xué)習(xí)表現(xiàn)需要綜合考慮學(xué)生在分組進行仿真實驗和線下實驗過程中所表現(xiàn)出來的主動性、團隊協(xié)調(diào)性、方案合理性、總結(jié)與匯報能力等;實踐能力則需要考查學(xué)生在線下實驗過程中所表現(xiàn)的實操能力和解決問題的應(yīng)變能力。

在整個考核過程中，教師的參與尤為重要，只有教師全程參與，才能給出合理的仿真和實踐的考核成績。多元化的考核機制，將學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、團隊協(xié)作能力、實踐能力、解決復(fù)雜工程問題能力作為考核學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)，有助于學(xué)生積極主動地參與到各個教學(xué)環(huán)節(jié)中。

三、結(jié)論及建議

（一）主要結(jié)論

文章對傳感器與儀表課程的案例探究式教學(xué)模式進行了探索，得到了如下結(jié)論。

1.案例探究式教學(xué)和實驗的核心是根據(jù)課程的內(nèi)容構(gòu)建不同類型的案例庫，且案例庫需要難易結(jié)合，逐步增加其復(fù)雜度。

2.案例探究式教學(xué)需要教師給予學(xué)生足夠的學(xué)習(xí)空間去思考、討論和總結(jié)，最終培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

（二）研究建議

雖然案例探究式教學(xué)從教學(xué)方式、實驗設(shè)計等方面進行了改革，可以提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，但仍需要注意以下問題。

1.優(yōu)化課程案例庫。課程案例庫應(yīng)以社會工程的需求為導(dǎo)向，時刻關(guān)注傳感器的前沿知識，特別是新型傳感器的應(yīng)用。同時，需要不斷完善案例庫，以達到與時俱進的目的。

2.控制探究式實驗節(jié)奏。在探究式仿真和實驗的環(huán)節(jié)中，初期的學(xué)生對虛擬儀器系統(tǒng)的應(yīng)用十分生澀，教師需要進行正確的引導(dǎo)，合理安排時間讓學(xué)生完成仿真實驗，后期則可以加快探究式實驗的節(jié)奏。在整個過程中，雖然學(xué)生以探究式學(xué)習(xí)為主，但是教師的及時跟進也很重要，不能放任學(xué)生自己學(xué)習(xí)。整個學(xué)習(xí)過程中，教師必須要做到布置任務(wù)—跟進任務(wù)—評定任務(wù)的閉環(huán)把控。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 蔡劍華，郭杰榮，王先春，等.校企合作中項目式教學(xué)在傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)里的應(yīng)用[J].大學(xué)教育，2015（11）：125-126.

[2] 孫靜.基于工程實踐能力的智能儀器儀表與傳感器教學(xué)改革：以黎明職業(yè)大學(xué)為例[J].黎明職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018（3）：59-62.

[3] 謝春利，劉俊杰.傳感器系列課程的教學(xué)改革與實踐[J].大連民族大學(xué)學(xué)報，2017（1）：83-86.

[4] 陳成軍，李東年.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計案例教學(xué)研究與實踐[J].大學(xué)教育，2017（9）：54-56.

[5] 賈啟生.一體化教學(xué)在傳感器課程中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019（34）：223，225.

[6] 李海崗，白樹全，楊秀芳，等.虛擬仿真技術(shù)在汽車傳感器課程教學(xué)中的研究[J].大學(xué)教育，2020（7）：82-84.

[7] 江勇.基于項目化的傳感器課程改革研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（5）：292.

[8] 敖邦乾，熊飛嶠.探索高校傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)改革[J].大學(xué)教育，2016（8）：177-178.

[9] 牛禮民.測試技術(shù)與信號處理課程案例式教學(xué)探索[J].大學(xué)教育，2017（12）：36-38.

[10] 汪蕾.傳感器課程的混合式教學(xué)模式新探[J].遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2020（3）：39-42.

[責(zé)任編輯：李香蓮]