朱笑花

（漳州師范學(xué)院物理與電子信息工程系，福建漳州 363000）

“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革探討

朱笑花

（漳州師范學(xué)院物理與電子信息工程系，福建漳州 363000）

“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科。筆者針對(duì)“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，從“硬件”和“軟件”兩方面做一些教學(xué)改革探討，旨在提高學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

傳感器與檢測(cè)技術(shù)；教學(xué)改革；軟件和硬件

“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”是電子信息、自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化等工程類專業(yè)的一門專業(yè)必修基礎(chǔ)課程。該課程的特點(diǎn)是各章內(nèi)容分散、應(yīng)用性強(qiáng)，可見實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括電容傳感器、電感傳感器、箔式電阻應(yīng)變片、熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光纖傳感器等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析和解決問題的能力、理論與實(shí)際相結(jié)合的能力起到了非常重要的作用。因此，建立適用于人才發(fā)展需要的新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，形成一套相對(duì)獨(dú)立和完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的應(yīng)用性和研究性人才是非常重要的[1-2]。

1 “傳感器與檢測(cè)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)現(xiàn)狀分析

近年來，隨著各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與應(yīng)用也不斷發(fā)展，智能、集成化、多功能化新型傳感器層出不窮，虛擬儀器技術(shù)、軟測(cè)量技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)等都得到快速發(fā)展和應(yīng)用。但實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻跟不上步伐，如筆者所在學(xué)校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面大多沿用普通大學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式：教師依據(jù)教學(xué)大綱對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行安排，組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)過程中教師先進(jìn)行講解和演示，學(xué)生再進(jìn)行操作，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入統(tǒng)一格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種按部就班操作的教學(xué)模式存在很多問題，如教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)單陳舊，一般做5到8個(gè)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏設(shè)計(jì)性綜合性創(chuàng)新性要求，與工程實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重；教學(xué)方式單調(diào)枯燥，實(shí)驗(yàn)手段和設(shè)備落伍；學(xué)生思想上不重視，缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性；學(xué)生獨(dú)立分析解決問題能力不足，依賴?yán)蠋?。為改變上述狀況，適應(yīng)高等教育發(fā)展的要求[3-4]，筆者對(duì)“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革從“硬件”和“軟件”兩方面改革進(jìn)行了探討。

2 “傳感器與檢測(cè)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革的探討

2.1 “硬件”——管理和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)化

2.1.1 開發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)的傳感器實(shí)驗(yàn)綜合教學(xué)平臺(tái)

傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)室都是配備一些已開發(fā)好的實(shí)驗(yàn)儀器，如漳州師范學(xué)院采用的是浙大儀器系開發(fā)的CSY10A傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀、示波器。實(shí)驗(yàn)室存在的一個(gè)嚴(yán)重不足就是設(shè)備更新慢、容易損壞。虛擬儀器技術(shù)就是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)（可以是工控機(jī)也可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)），配上相應(yīng)的硬件(如數(shù)據(jù)采集卡)和專用軟件，構(gòu)成既有傳統(tǒng)儀器的基本功能，又有一些特殊功能的新型儀器。引進(jìn)該技術(shù)，用戶就可根據(jù)自己的要求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)。因此，筆者提出將虛擬儀器技術(shù)引入傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣有利于完善實(shí)驗(yàn)設(shè)備，又可大大節(jié)約學(xué)校更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備所需的投資[5]。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)綜合教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)包括硬件和軟件開發(fā)兩部分工作。硬件包括已有的傳感器實(shí)驗(yàn)儀CSY10A、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)。虛擬儀器的軟件平臺(tái)采用的是LabVIEW。它是一種圖形化編程語言，通常稱為“G”編程語言，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最好、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。軟件開發(fā)需要完成以下功能：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處理、前面板設(shè)計(jì)、后面板設(shè)計(jì)、結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?；谔摂M儀器的傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 基于虛擬儀器的傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，筆者選取一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（光電傳感器的應(yīng)用—光電轉(zhuǎn)速測(cè)試）作為研究對(duì)象。在系統(tǒng)平臺(tái)上選擇要做的實(shí)驗(yàn)，開啟電機(jī)，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳送到安裝有LabVIEW程序的上位機(jī)。上位機(jī)的LabVIEW接收數(shù)據(jù)，傳感器輸出波形（也即采集到的信號(hào)波形），波形的觀察無需使用示波器，而是用自行開發(fā)的虛擬示波器。對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)速的計(jì)算通過LabVIEW程序來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)學(xué)生可結(jié)合自己的知識(shí)進(jìn)行修改或是開發(fā)新的LabVIEW程序，也即開發(fā)或是修改前面板或是后面板。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化時(shí)，即有新的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)來時(shí)，會(huì)啟動(dòng)LabVIEW程序計(jì)算電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)更新。

通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和新的傳感器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的對(duì)比，可以看出新平臺(tái)的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)基于虛擬儀器系統(tǒng)的傳感器綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生清楚地掌握傳感器原理及應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過的多門課程知識(shí)和技能(如傳感器原理、VB語言設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、labVIEW等)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)際工程應(yīng)用密切相關(guān)。(2)從實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)比較可看出，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)具有傳統(tǒng)儀器實(shí)驗(yàn)不具備的一些優(yōu)勢(shì)，如無需給每個(gè)實(shí)驗(yàn)組配備價(jià)格較貴的示波器、用軟件方法來計(jì)算電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，由計(jì)算機(jī)顯示代替CSY10A型傳感器實(shí)驗(yàn)儀上的硬件位LED顯示，獲得更高的測(cè)量和顯示精度。(3)在基于虛擬儀器的傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上可以開設(shè)絕大多數(shù)原來CYS10A型傳感器實(shí)驗(yàn)儀上開設(shè)的實(shí)驗(yàn)，還可以開發(fā)新的綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)已經(jīng)在漳州師范學(xué)院2009級(jí)各班中開展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)，學(xué)生反映較強(qiáng)烈，興趣很高。根據(jù)學(xué)生自己的設(shè)想，設(shè)計(jì)了很多富有個(gè)性的實(shí)驗(yàn)儀器面板，效果很理想。

2.1.2 通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的合理管理

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)的管理，即利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的監(jiān)控。通過TCP/IP通信，采用TCP協(xié)議，C/S結(jié)構(gòu)模式，老師機(jī)是服務(wù)器(Server)方，學(xué)生機(jī)是客戶(Client)方，將客戶機(jī)(學(xué)生機(jī))接入服務(wù)器(老師機(jī))上。在啟動(dòng)客戶機(jī)(學(xué)生機(jī))之前，必須啟動(dòng)服務(wù)器(老師機(jī))的監(jiān)控軟件。客戶機(jī)(學(xué)生機(jī))數(shù)據(jù)采集軟件采集學(xué)生每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作的信息，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器(老師機(jī))，在服務(wù)器(老師機(jī))將接收到相應(yīng)的操作信息。學(xué)生也可通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行提問等。老師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，服務(wù)器(老師機(jī))通過發(fā)送消息，通知客戶端(學(xué)生機(jī))終止實(shí)驗(yàn)。從以上幾點(diǎn)可以看出：老師可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的有效監(jiān)控，學(xué)生在這樣的監(jiān)控環(huán)境下積極性也更高，實(shí)驗(yàn)效率也更高。

2.2 “軟件”——改革教學(xué)內(nèi)容和考核方法

2.2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容以理論課教學(xué)中的理論或定律的驗(yàn)證為主，與工程實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，很難開設(shè)涉及各課程之間的綜合性、設(shè)汁性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容可根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次。(1)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)是為了使學(xué)生鞏固所學(xué)課程的基本理論知識(shí)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)習(xí)各種儀器的使用方法，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的基本方法?？砷_設(shè)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)有箔式應(yīng)變片三種橋路性能比較、電容式傳感器特性試驗(yàn)、差動(dòng)變壓器特性、霍爾式傳感器的直交流激勵(lì)特性等[6-7]。(2)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谂囵B(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)和綜合能力，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生認(rèn)識(shí)能力及組織能力和開拓創(chuàng)新的意識(shí)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中只列出實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约皟x器清單，學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能，獨(dú)立設(shè)計(jì)出符合要求的實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)電路、自擬實(shí)驗(yàn)表格等，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和工程設(shè)計(jì)能力。因此，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是一些傳感器的工程性應(yīng)用項(xiàng)目?？砷_設(shè)的實(shí)驗(yàn)有物位測(cè)量控制系統(tǒng)、壓力測(cè)量控制系統(tǒng)、溫度測(cè)量控制系統(tǒng)、振動(dòng)測(cè)量控制系統(tǒng)等。(3)綜合性實(shí)驗(yàn)的目的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力，也是對(duì)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的全面考核和檢驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，綜合性實(shí)驗(yàn)主要采取課程設(shè)計(jì)模式進(jìn)行，并與多門課程進(jìn)行結(jié)合，如單片機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，以提高綜合應(yīng)用各門課程知識(shí)的能力。在學(xué)期初，教師提供相應(yīng)的綜合性設(shè)計(jì)題目及要求，題目也可自己選擇，第一次上課時(shí)發(fā)給學(xué)生，學(xué)生可利用各種方案完成，可以利用軟件進(jìn)行虛擬仿真，也可以做成電子硬件作品。在此期間可以找教師指導(dǎo)，作品要形成報(bào)告形式，包括設(shè)計(jì)方案、原理、電路、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析、作品創(chuàng)新點(diǎn)、改進(jìn)等內(nèi)容?？砷_設(shè)的實(shí)驗(yàn)有電子秤的設(shè)計(jì)與制作、多傳感器的綜合檢測(cè)系統(tǒng)等。

2.2.2 建立全面的考核制度

目前，大部分高校還是按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定方法，即以期末考試成績(jī)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果(實(shí)驗(yàn)報(bào)告)為主要標(biāo)準(zhǔn)，這種單純以某一方面的表現(xiàn)作為評(píng)價(jià)結(jié)果的方法，導(dǎo)致學(xué)生為完成實(shí)驗(yàn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)甚至出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)報(bào)告抄襲的現(xiàn)象，嚴(yán)重挫傷了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造力。因此，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定要貫穿在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，也即“強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程，淡化實(shí)驗(yàn)結(jié)果”[8-9]。合理而科學(xué)的實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核方案應(yīng)該是對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、綜合運(yùn)用知識(shí)來解決實(shí)際問題的能力等的綜合評(píng)估[10-11]。實(shí)驗(yàn)室搭建的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是進(jìn)行合理考核的一個(gè)重要的手段和工具。教師可以根據(jù)學(xué)生的操作過程記錄進(jìn)行給分，如實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確（20%）、實(shí)驗(yàn)過程是否進(jìn)行主動(dòng)思考、自主設(shè)計(jì)和提問（30%）、實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展部分內(nèi)容完成情況（20%）、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否進(jìn)行正確的處理（30%）等。這樣的評(píng)價(jià)體系是對(duì)學(xué)生能力的一個(gè)合理的綜合評(píng)價(jià)，它能引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成主動(dòng)思考、主動(dòng)實(shí)踐的習(xí)慣。

3 結(jié)語

筆者根據(jù)6年來的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從“硬件”、“軟件”兩個(gè)方面對(duì)“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革進(jìn)行探討。實(shí)踐結(jié)果表明，教學(xué)改革是提高該課程教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)重要保障，它對(duì)鞏固學(xué)生的理論知識(shí)、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力具有很重要作用?！皞鞲衅髋c檢測(cè)技術(shù)”是一門發(fā)展迅速的綜合性和應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，還有許多地方需要繼續(xù)改進(jìn)，如將軟測(cè)量技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)、無線傳感器、智能傳感器等新技術(shù)融入到實(shí)驗(yàn)中，做到理論和實(shí)踐與時(shí)俱進(jìn)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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On the Teaching Reform of“Sensor and Detection Technology”Experimental Course

ZHUXiao-hua

（Department ofPhysics and Electronic Information Engineering，Zhangzhou Normal University,Zhangzhou Fujian 363000,China）

“Sensor and detection technology”is a theoretical and practical discipline.Accordingtothe teachingstatus ofthe“sensor and detection technology”experimental course,the writer dicussed the teachingreformfromthe aspects of hardware and software in order to improve students’practice ability and comprehensive ability of applying knowledge,and cultivate innovative talents.

Key words：sensor and detection technology；teachingreform；hardware and software

TP212

A

1008-178X（2013）01-0135-03

2012-11-01

漳州師范學(xué)院教改項(xiàng)目（JG200815）。

朱笑花（1980-），女，福建漳平人，漳州師范學(xué)院物理與電子信息工程系講師，碩士研究生，從事最優(yōu)控制與信息處理研究。