謝春利，劉俊杰

(大連民族大學(xué) 機電工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

傳感器系列課程的教學(xué)改革與實踐

謝春利，劉俊杰

(大連民族大學(xué) 機電工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

針對目前測控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)中存在的問題，對傳感器系列課程的課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等進行了一系列的改革與探索。構(gòu)建了以傳感器原理與技術(shù)、測控電路、微機原理與接口技術(shù)和檢測技術(shù)為主線的理論教學(xué)體系；以傳感器、測控技術(shù)與系統(tǒng)綜合、儀表設(shè)計、單片機系統(tǒng)課程設(shè)計和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力實訓(xùn)為主題的實驗、實踐教學(xué)體系。改革相應(yīng)的教學(xué)方法與手段，實施多元化考核方式，建立系統(tǒng)分析與設(shè)計、工程應(yīng)用及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新模式。

傳感器系列課程；教學(xué)改革；創(chuàng)新能力；實踐能力

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防建設(shè)和日常生活中，人們需要測量外部世界的一切非電量，這些都離不開傳感技術(shù)。傳感技術(shù)是關(guān)于從外部世界獲取信息，并進行處理和應(yīng)用的一門現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)，具體包括信息的采集、分析、處理、顯示和應(yīng)用等方面的內(nèi)容[1]。其中傳感器是實現(xiàn)信息采集的器件，是自動檢測系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)[2]。為了及時、準(zhǔn)確地獲取信息，就必須合理地選擇和應(yīng)用各種傳感器與檢測儀表[3]。

傳感器系列課程是學(xué)習(xí)和掌握傳感技術(shù)的重要課程，也是高校中自動化類相關(guān)專業(yè)的必修課程。該系列課程中的儀表設(shè)計與實踐、傳感器原理與技術(shù)、測控電路和檢測技術(shù)等課程是學(xué)習(xí)和掌握傳感技術(shù)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，課程教學(xué)內(nèi)容與方式是否合理，直接關(guān)系到專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。同時，該系列課程涉及到電子、測量和計算機技術(shù)以及信息處理等眾多學(xué)科，其實踐性和應(yīng)用性較強。因此，傳感器系列課程的掌握程度，對學(xué)生專業(yè)技能、工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有十分重要的作用。

針對目前測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程教學(xué)中存在的問題和學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才的定位，在學(xué)校2013級培養(yǎng)方案的修訂中，以專業(yè)類(專業(yè)基礎(chǔ))教育和專業(yè)教育課程為平臺，對傳感器與檢測技術(shù)的相關(guān)理論、實驗和實踐課程進行優(yōu)化整合，具有十分重要的意義。

1 傳感器系列課程教學(xué)現(xiàn)狀

以大連民族大學(xué)傳感器系列課程教學(xué)現(xiàn)狀為例，大連民族大學(xué)于2008年設(shè)立測控技術(shù)與儀器本科專業(yè)，自招生以來，在培養(yǎng)方案和課程體系建設(shè)過程中都取得了一定的成績，但是由于專業(yè)建設(shè)時間較短，相關(guān)的系列課程在內(nèi)容、教學(xué)和考核方式等環(huán)節(jié)仍存在一些不足之處：

(1)理論課程之間相對獨立，關(guān)聯(lián)性不強。

(2)課程內(nèi)容缺乏相互融合，沒有做好系列課程教學(xué)內(nèi)容之間的銜接和配合，欠缺對學(xué)生專業(yè)知識結(jié)構(gòu)、工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的系統(tǒng)考慮。

(3)實驗和集中實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容安排相對獨立，沒有從自動檢測系統(tǒng)的分析、設(shè)計、仿真調(diào)試和系統(tǒng)功能調(diào)試的整個過程來進行整體規(guī)劃。而目前的應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)中，學(xué)生能力的培養(yǎng)關(guān)鍵在于實驗和實踐環(huán)節(jié)的計劃和組織實施。

(4)在2009級專業(yè)培養(yǎng)方案的執(zhí)行過程中，專業(yè)教師不斷對課程建設(shè)和教學(xué)環(huán)節(jié)進行改革，在教學(xué)方法上進行了一些有益的嘗試，并取得了一定的效果。但是沒有從系統(tǒng)優(yōu)化的角度開展研究，不能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

(5)課程考核方式單一，主要以期末閉卷考試為主，考試成績占總成績的70 %～80 %，缺少對學(xué)生系統(tǒng)分析與設(shè)計能力、工程實踐與創(chuàng)新能力等方面的量化考核。

2 加強理論基礎(chǔ)建設(shè)，優(yōu)化系列課程教學(xué)體系

針對目前傳感器系列課程在課程建設(shè)與實施環(huán)節(jié)中存在的問題,以2013級專業(yè)培養(yǎng)方案的修訂工作為契機, 對傳感器與檢測技術(shù)相關(guān)的理論課程體系、實驗和實踐課程體系進行了整體優(yōu)化。

2.1 理論課程體系的優(yōu)化

構(gòu)建以傳感器原理與技術(shù)、測控電路、檢測技術(shù)和微機原理與接口技術(shù)等課程為主線的理論課程體系，具體做法如下：

傳感器原理與技術(shù)的課程教學(xué)中確定了下列主要知識點：①典型傳感器的工作原理、檢測電路及工程應(yīng)用，包括應(yīng)變式傳感器、電抗式傳感器、光電式傳感器、電動勢傳感器；②傳感器的測量電路，包括直流和交流電橋、相敏檢波、濾波、整形放大、儀表放大電路、光柵辨向等；③信號分析處理技術(shù)，包括數(shù)據(jù)的誤差處理、傳感器選型計算、傳感器輸入輸出特性標(biāo)定、信號頻譜分析等；④自動檢測系統(tǒng)設(shè)計。

測控電路的課程教學(xué)是在傳感器原理與技術(shù)和電子技術(shù)課程的基礎(chǔ)上，提煉出各類傳感器中共性的檢測電路，如儀用放大電路、信號轉(zhuǎn)換電路和信號細分與辨向電路等。以面向工程應(yīng)用為目標(biāo)，針對上述電路進行分析、設(shè)計、仿真調(diào)試和實物測試，將測控電路的理論分析、仿真調(diào)試和實物測試進行有機結(jié)合，為后續(xù)自動檢測系統(tǒng)的分析、設(shè)計、仿真調(diào)試和系統(tǒng)測試奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

檢測技術(shù)的課程教學(xué)按照信號檢測、信息處理、信息傳輸、顯示和控制四個方面確定課程體系，以測量知識、檢測技術(shù)和工程應(yīng)用來安排教學(xué)內(nèi)容，減少理論推導(dǎo)與設(shè)計計算，增加信號處理的工程應(yīng)用案例分析，加強各種參數(shù)檢測方法的工程應(yīng)用性。

微機原理與接口技術(shù)的課程教學(xué)目的是使學(xué)生熟悉微型計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，了解微型計算機的工作原理，掌握指令系統(tǒng)與匯編語言程序設(shè)計、硬件接口技術(shù)、總線技術(shù)和微機應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)，建立微機系統(tǒng)的整體概念。讓學(xué)生明確微型計算機是自動檢測系統(tǒng)中完成信息處理和顯示的核心設(shè)備。

2.2 實踐教學(xué)體系的優(yōu)化

建立以傳感器原理與技術(shù)實驗、儀表設(shè)計與實踐、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力實踐訓(xùn)練、單片機系統(tǒng)課程設(shè)計和測控技術(shù)與系統(tǒng)綜合實驗為主題的實驗、實踐教學(xué)體系。主要目標(biāo)是使學(xué)生熟悉計算機測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，掌握各種傳感器的選型、硬件電路設(shè)計及仿真調(diào)試、軟件設(shè)計及編程、軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試、計算機測控系統(tǒng)的安裝與測試運行等方法。實踐教學(xué)體系的教學(xué)目標(biāo)采用模塊化結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1。學(xué)生通過各個模塊的實驗、實踐訓(xùn)練，能夠更好地掌握計算機測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的能力。

圖1 實踐教學(xué)體系教學(xué)目標(biāo)的模塊化結(jié)構(gòu)

其中，傳感器實驗主要完成傳感器模塊的選型工作。針對確定的被檢測對象，通過查閱互聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)專業(yè)手冊資料，初步確定所選擇傳感器的資料。然后對搜集的資料進行分析和整理，如比較各種傳感器的量程范圍、測量精度和性價比等，同時通過對相關(guān)傳感器進行實驗測試，最終確定合適的傳感器類型。

儀表設(shè)計與實踐環(huán)節(jié)主要完成信號調(diào)理模塊和直流電源模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。信號調(diào)理模塊的功能以信號放大為主，并考慮硬件濾波、信號轉(zhuǎn)換、負(fù)載匹配等功能。電路系統(tǒng)要完善工作，必須具備滿足不同要求的基準(zhǔn)電源模塊。直流電源主要是提供給信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行器模塊和系統(tǒng)的分析控制模塊。因此，直流電源設(shè)計也是儀器儀表設(shè)計與實踐的重要組成部分。在儀表設(shè)計與實踐環(huán)節(jié)過程中，需要學(xué)生根據(jù)不同的電源要求，利用220 V AC交流電源、變壓器、整流二極管和電容器件設(shè)計并實現(xiàn)直流電源設(shè)計與實現(xiàn)，同時也要考慮用電安全問題。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)主要引導(dǎo)學(xué)生完成數(shù)據(jù)采集通道模塊和執(zhí)行器模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。此部分內(nèi)容訓(xùn)練學(xué)生模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入輸出通道的硬件設(shè)計、交直流電機的驅(qū)動與控制、外部設(shè)備與單片機的接口電路設(shè)計及相應(yīng)的軟件編程能力。

單片機系統(tǒng)課程設(shè)計環(huán)節(jié)主要完成測量數(shù)據(jù)顯示與控制模塊的設(shè)計及實現(xiàn)。此部分內(nèi)容旨在培養(yǎng)并提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力、理論與實際相結(jié)合的綜合素質(zhì)、單片機系統(tǒng)硬件設(shè)計能力、軟件編程技巧、軟硬件聯(lián)合調(diào)試技巧及技能等實踐能力。

測控技術(shù)與系統(tǒng)綜合實驗環(huán)節(jié)主要是綜合利用前序?qū)嵺`環(huán)節(jié)的成果，再輔助一些實驗設(shè)備，如ADAM模塊、溫度變送器、壓力變送器、上位機組態(tài)軟件等進行系統(tǒng)集成。具體就是針對電阻爐、一階水槽、流體壓力、交直流電機等被控對象，利用上述模塊設(shè)備進行系統(tǒng)集成，建立計算機測控系統(tǒng)，并進行系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及運行。

3 課程教學(xué)方法與手段的改革

在課程教學(xué)中教師應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用，只有逐步地改進教學(xué)方法與手段，才能確保課程的教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提高。針對課程教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的具體情況，靈活采用案例與研究式學(xué)習(xí)、注重比較方法、多樣化教學(xué)方式相接合、互動式學(xué)習(xí)和課外項目驅(qū)動方法等多種教學(xué)方法與手段，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，使學(xué)生成為課堂學(xué)習(xí)的主體。

(1)基于案例與研究式學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。針對傳感器系列課程的能力培養(yǎng)要求和重點知識，將相關(guān)的重點知識分解到具有實際工程應(yīng)用背景的案例中，采用啟發(fā)與引導(dǎo)式教學(xué)[4]和課堂討論相結(jié)合的方式，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，課后進行研究式學(xué)習(xí)并進行總結(jié)歸納。

(2)注重比較方法教學(xué)[5]。傳感器的種類多，涉及到的轉(zhuǎn)換原理也多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用廣泛。即使是同一種傳感器，其轉(zhuǎn)換原理、結(jié)構(gòu)形式、測量范圍等也有所不同。當(dāng)學(xué)習(xí)了多種傳感器后，學(xué)生不知道如何在實際應(yīng)用中選擇最合適的傳感器來完成檢測任務(wù)。為此，在教學(xué)中注重采用比較的方式進行講授，以便幫助學(xué)生更加全面、準(zhǔn)確和深刻地理解與掌握各種傳感器的原理、選型及應(yīng)用。

(3)多樣化教學(xué)手段相結(jié)合與互動式學(xué)習(xí)。在課堂教學(xué)過程中，考慮到板書授課內(nèi)容的局限性以及多媒體課件教學(xué)的信息量大卻不能保證學(xué)生思維同步的不利因素，采用黑板板書、多媒體課件和實驗演示三者相結(jié)合的教學(xué)方式。與此同時，充分利用大連民族大學(xué)校內(nèi)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化平臺，開展互動式學(xué)習(xí)。

(4)實施項目驅(qū)動的課外教學(xué)手段。在課程教學(xué)過程中，針對實踐性強的教學(xué)內(nèi)容，由老師結(jié)合實際的工程項目擬定若干個實踐課題，每個課題由3名同學(xué)組建項目小組，利用課余時間完成項目的分析、設(shè)計、仿真調(diào)試及實物測試。通過參與項目，能有效提高學(xué)生在系統(tǒng)分析、文獻檢索與整理、方案比較與設(shè)計、仿真調(diào)試、實物測試以及項目報告撰寫等方面的能力。

(5)靈活的調(diào)整教學(xué)場所。根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容，可以適當(dāng)?shù)陌咽谡n地點調(diào)整到實驗室，結(jié)合專業(yè)實驗室中具有的各種傳感器、變送器、硬件電路與單片機系統(tǒng)等，開展具有實踐性的演示教學(xué)，加深學(xué)生的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 實施課程的多元化考核評價體系

在傳感器系列課程中逐步實施多元化的考核評價方式：一方面，對課程考核內(nèi)容進行調(diào)整，在重點內(nèi)容考核的基礎(chǔ)上，更加關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新能力的鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課外各項創(chuàng)新實踐活動，如參加遼寧省、全國TI杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽、全國虛擬儀器大賽和全國大學(xué)生測量控制與儀器創(chuàng)新設(shè)計競賽等；另一方面，加強知識的基礎(chǔ)訓(xùn)練與靈活運用，增加課上的提問、討論發(fā)言、項目匯報、課外項目演示等多樣化的考核方式，使學(xué)生主動融入師生的互動教學(xué)過程中。

課程教學(xué)效果的評價主要分為以下幾個方面：

(1)課堂教學(xué)評價。通過教學(xué)模式的改革，在課堂上學(xué)生是否轉(zhuǎn)變了學(xué)習(xí)的角色，由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，課堂氣氛是否活躍，教師與學(xué)生開展的互動討論式課堂的教學(xué)效果等。

(2)實驗教學(xué)評價。實驗教學(xué)過程管理、實驗類型的設(shè)置、實驗教學(xué)效果和開放性實驗開展的情況。

(3)課程學(xué)習(xí)效果的階段性考核和期末總評。平時作業(yè)的完成情況、課堂小測驗的成績和期末考試試卷的成績分析。

(4)教學(xué)對學(xué)生課外項目完成情況的評價。主要依據(jù)項目的方案選擇與確定、計算機測控系統(tǒng)的仿真調(diào)試、基于面包板或萬能板焊接的實物調(diào)試和項目報告四個部分進行。

5 結(jié) 語

傳感器技術(shù)是應(yīng)用在自動檢測和控制系統(tǒng)中，并對系統(tǒng)運行的各項指標(biāo)和功能起到重要作用的一門技術(shù)。隨著自動檢測和控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、扁平化、智能化和綜合化的發(fā)展，對傳感器技術(shù)的發(fā)展也提出了更高和更迫切的需求。因此，應(yīng)用型本科高等學(xué)校擔(dān)負(fù)著為社會培養(yǎng)和輸送具備專業(yè)實踐能力、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的綜合應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才的光榮而艱巨的責(zé)任和使命，同時也對傳感器與檢測技術(shù)系列課程的理論、實驗和實踐教學(xué)工作提出了更高的要求。

改革的創(chuàng)新之處是基于測控技術(shù)與儀器專業(yè)類(專業(yè)基礎(chǔ))教育和專業(yè)教育課程為平臺，通過對傳感器與檢測技術(shù)相關(guān)課程的整體優(yōu)化布局，構(gòu)建傳感器系列課程的內(nèi)容貫通、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論教學(xué)體系和實驗、實踐教學(xué)體系，在此基礎(chǔ)上探索提高學(xué)生專業(yè)技能、工程實踐和創(chuàng)新能力的傳感技術(shù)教學(xué)新模式。

[1] 徐科軍, 馬修水, 李曉林, 等. 傳感器與檢測技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011.

[2] 王化祥, 張淑英. 傳感器原理及應(yīng)用[M]. 第3版. 天津: 天津大學(xué)出版社, 2007.

[3] 徐科軍.“傳感器與檢測技術(shù)”課程建設(shè)探討[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2009, 31(3): 23-24．

[4] 朱維斌. 測控技術(shù)與儀器專業(yè)傳感器系列課程的研究與實踐[J]. 高教論壇, 2009 (7): 83-85.

[5] 徐科軍. 注重比較方法教學(xué) 講授“傳感器與檢測技術(shù)”課程[J]. 教育教學(xué)論壇, 2016 (10) ：170-171.

(責(zé)任編輯 鄒永紅)

Practice and Teaching Reform of Sensors Series Courses

XIE Chun-li, LIU Jun-jie

(School of Electromechanical Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

In view of the problems existing in teaching of measurement and control technology and instrument specialty, a series of reform and exploration on curriculum system, teaching content, teaching method and examination mode of sensors series courses are implemented in this paper. The principle and technology of sensors, control circuit, microcomputer principle and interface technology and detection technology are constructed the main theory teaching system. The experiment and practice teaching system based on sensor experiment, measurement and control technology and system comprehensive experiment, instrument design, single chip computer system practice and innovation and entrepreneurship ability training are established. The new training mode for system analysis and design capability, engineering application and innovation ability is founded through reforming the corresponding teaching methods and means and establishing the diversified assessment methods.

sensors series courses; teaching reform; innovation ability; practical ability

2016-10-24；最后

2016-11-17

遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究一般項目(遼教發(fā)[2016]23號)。

謝春利(1972-)，男，遼寧撫順人，副教授，主要從事非線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制、優(yōu)化求解和圖像處理等研究。

2096-1383(2017)01-0083-04

G642.0

A