王昊 孔令榮 竇如鳳

摘 要：實踐教學(xué)作為應(yīng)用型本科教育體系中的必備環(huán)節(jié)，對人才質(zhì)量培養(yǎng)具有重要影響。文章將傳感器與虛擬儀器等課程協(xié)同打造課程群，以項目化為主線，借助Labview軟件和NI myDAQ數(shù)據(jù)采集卡，豐富實踐內(nèi)容、細化實踐層次，考核向?qū)嵺`傾斜，打破原有教學(xué)實踐環(huán)節(jié)固化和薄弱的現(xiàn)狀，進一步完善學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，坐實應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：傳感器；虛擬儀器；項目化

中圖分類號：G642.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）07-0042-02

“傳感器與檢測技術(shù)”是南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院電子信息工程專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課程。課程重點講授傳感器的工作原理與使用方法，旨在培養(yǎng)學(xué)生傳感器選型和系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用的能力。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器作為信息采集、處理、分析的前端，在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，如何更好地開展傳感器教學(xué)，拓展學(xué)生的應(yīng)用和創(chuàng)新能力，適應(yīng)重點領(lǐng)域的發(fā)展，成為教學(xué)改革的重點。

一、傳感器課程教學(xué)現(xiàn)狀

“傳感器與檢測技術(shù)”課程采取理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩步走模式，即先講解傳感器原理，后傳感器實踐教學(xué)。傳感器原理講解，主要講述各種傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理。傳感器實踐教學(xué)，則依托浙江大學(xué)開發(fā)的教學(xué)儀器產(chǎn)品CSY 3000型開展。隨著國家對應(yīng)用型本科建設(shè)的推進和對創(chuàng)新型人才需要的增長，現(xiàn)有的教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（一）知識分散，與實際缺乏關(guān)聯(lián)性

理論教學(xué)知識點多而且分散，存在教師講得費力，學(xué)生接受較少的問題。同時，書本中傳感器與實際使用的傳感器型號缺檔，造成學(xué)生應(yīng)用障礙。

（二）實踐單一，缺乏創(chuàng)新性

CSY 3000型實驗平臺與微機數(shù)據(jù)接口能力較弱；學(xué)生實踐過程中更多是按實驗指導(dǎo)書要求進行接線，無法培養(yǎng)數(shù)據(jù)處理能力，且存在實踐內(nèi)容單一、模式固化問題，不能很好地發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。

（三）課程孤立，缺少聯(lián)動

數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計是傳感器應(yīng)用的重點內(nèi)容，涉及“數(shù)字邏輯電路”“模擬電子線路”等課程知識?，F(xiàn)有課程無法開展數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計，造成與其他課程聯(lián)系薄弱，影響學(xué)生綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)的效果。

二、課程群建設(shè)思路

課程群建設(shè)，是將與傳感器相關(guān)的課程進行一體化建設(shè)，發(fā)揮群優(yōu)勢，在教學(xué)內(nèi)容和模式上進行改革，更好地進行應(yīng)用型人才培養(yǎng)。傳感器與虛擬儀器課程群建設(shè)，緊隨學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，按照“虛實結(jié)合”的教學(xué)模式[1]，以項目化為主線，強化學(xué)生實踐能力，落實應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)要求。

建設(shè)中，引入現(xiàn)今主流的虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建“傳感器與檢測技術(shù)”“虛擬儀器技術(shù)”“檢測技術(shù)綜合實訓(xùn)”課程群?！皞鞲衅髋c檢測技術(shù)”側(cè)重傳感器原理講解；“虛擬儀器技術(shù)”側(cè)重軟件操作和數(shù)據(jù)采集講解；“檢測技術(shù)綜合實訓(xùn)”須同時運用傳感器、虛擬儀器、數(shù)電、模電知識，完成傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示整套實踐過程，做到“教—學(xué)—做”一體。

三、虛擬儀器平臺

對原有的傳感器實驗室進行改造，增設(shè)虛擬儀器平臺：Labview軟件和NI myDAQ 數(shù)據(jù)采集卡。借助該平臺，完成傳感器信號接收、調(diào)理、整形、轉(zhuǎn)換、過濾，微機處理整套流程。

（一）Labview軟件

Labview軟件，使用圖形化編輯語言G語言編程，集成各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具，大大提高了編程效率[2]，為學(xué)生開展檢測技術(shù)綜合實訓(xùn)提供軟件編程支撐。

（二）NI myDAQ數(shù)據(jù)采集卡

NI myDAQ數(shù)據(jù)采集卡，具有模擬輸入/輸出、數(shù)字輸入/輸出、音頻、電源和數(shù)字萬用表函數(shù)功能，可提供8種基于計算機的實驗室儀器。其與Labview軟件結(jié)合，可完美實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、處理、分析和顯示的功能。對于基礎(chǔ)的傳感器實驗，單個的NI myDAQ數(shù)據(jù)采集卡即可完成連線操作；對于提高的傳感器實驗，連線較多，則可借助配套面包和NI myDAQ協(xié)同工作，很好滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求[3]。

四、構(gòu)建“虛實結(jié)合”的課程群教學(xué)模式

“虛實結(jié)合”，即利用虛擬儀器這一虛擬仿真平臺，坐實應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)。借助項目化，串接“傳感器與檢測技術(shù)”等三門課程；借助虛擬仿真平臺的通用性、多樣性，完善實驗項目。

（一）項目驅(qū)動，貫穿課程群體系

項目驅(qū)動，在教師的指導(dǎo)下，將一個相對獨立的項目交由學(xué)生完成。學(xué)生以團隊的形式，收集信息，設(shè)計方案，項目實施并進行最終評價[4]。具體實施方法包括“項目導(dǎo)入”“實施計劃”和“展示與評價”三個環(huán)節(jié)，以此增強教師、學(xué)生互動，提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力和興趣。

1.“項目導(dǎo)入”環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)。“傳感器與檢測技術(shù)”課程教學(xué)，設(shè)置項目案例。圍繞案例講解傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、使用方法，提升課堂的生動性、活潑性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主體性。然后導(dǎo)入項目任務(wù)及目標(biāo)，讓學(xué)生自主查詢具體的傳感器型號，完成自主項目案例設(shè)計。

2.“實施計劃”環(huán)節(jié)，學(xué)生為主。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作學(xué)習(xí)等方式，對項目的任務(wù)目標(biāo)進行分析，完成項目初始設(shè)計，包括傳感器選型、外部采集電路設(shè)計等?！皺z測技術(shù)綜合實訓(xùn)”課程中，帶著做好的項目方案，借助虛擬儀器平臺，完成硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，進行調(diào)試，觀察實驗效果。

3.“展示與評價”環(huán)節(jié)，教師與學(xué)生互動。學(xué)生利用虛擬儀器平臺展示自己的項目成果，然后接受他人的評價和教師的反饋。同時，學(xué)生在匯報和聽取同學(xué)匯報的過程中，通過對比自己與其他同學(xué)的成果，查找不足，反思其成敗。

以光電傳感器教學(xué)為例，設(shè)置項目案例：智能路燈控制系統(tǒng)。為什么路燈白天自動關(guān)閉，天黑自動打開？激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望。教師講解系統(tǒng)實現(xiàn)過程，核心器件光電傳感器的工作原理，然后布置任務(wù)：學(xué)生給出自主智能路燈實現(xiàn)方案。學(xué)生根據(jù)自己的方案借助網(wǎng)絡(luò)、圖書館查閱實際光電傳感器產(chǎn)品，引腳功能，設(shè)計傳感器外圍電路。實訓(xùn)課程中，利用Labview軟件完成界面設(shè)計、程序編寫，面包板上搭建傳感器和外圍電路，NI myDAQ配置端口采集信號，觀察實驗現(xiàn)象。有效解決了原傳感器實踐教學(xué)“插線式”和任務(wù)雷同問題。

（二）實驗分梯度，注重創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

學(xué)生接收知識并應(yīng)用需要一個過程，并且每個學(xué)生經(jīng)歷這一過程的時間有長短之分。針對學(xué)生掌握知識的情況，實驗設(shè)置注重階梯難度，分為基礎(chǔ)性和綜合性實驗。基礎(chǔ)性實驗，學(xué)生邊學(xué)邊做，除完成基本功能外還需完成擴展功能，訓(xùn)練單個傳感器項目模塊。例如，在講解溫度傳感器時，引入室內(nèi)測溫項目案例。學(xué)生結(jié)合單個溫度傳感器完成基礎(chǔ)測溫實驗。能否設(shè)置超閾值報警判斷溫度過高或過低？過高，能否控制電機轉(zhuǎn)動降溫；過低，能否控制電阻絲加熱升溫，在基本功能實現(xiàn)后，通過設(shè)置實驗，拓展學(xué)生思維，讓單個項目模塊更貼近生活、生產(chǎn)實際。綜合性實驗，變單個傳感器為多傳感器項目應(yīng)用。例如，引入智慧農(nóng)業(yè)智能大棚項目案例。項目要求：滿足大棚內(nèi)的植物自動灌溉、自動采光要求。需要學(xué)生自主完成傳感器選型，多傳感器數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)界面開發(fā)等工作。功能實現(xiàn)后，能否自主進行大棚功能拓展，完成相應(yīng)電路和程序設(shè)計。一步一步，層層深入，綜合考查學(xué)生對溫度傳感器、濕度傳感器和光電傳感器等工作原理和應(yīng)用的掌握情況。

傳感器應(yīng)用系統(tǒng)從單傳感器向多傳感器飛速發(fā)展。借助虛擬儀器平臺極強的開放性和與多傳感器結(jié)合的便利性，更好地培養(yǎng)學(xué)生能夠自制、擴展、創(chuàng)造，搭建自己的傳感器檢測系統(tǒng)能力，讓學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)意，根據(jù)自己特點打造相應(yīng)的電子系統(tǒng)或產(chǎn)品，挖掘?qū)W生的個性化和創(chuàng)新性。

（三）課程聯(lián)動，打通知識壁壘

加強傳感器課程與數(shù)字邏輯電路、模擬電子線路等課程的銜接。理論教學(xué)加強數(shù)據(jù)處理電路原理講解，特別是信號放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、惠斯通電橋電路等講解。實踐教學(xué)，要求學(xué)生在面包板上利用電子元器件、杜邦線搭建簡單的數(shù)據(jù)處理電路[5]。因此，從理論到實踐，時刻需要數(shù)字邏輯電路、模擬電子線路等課程知識，讓學(xué)生活學(xué)活用，避免知識點、各課程之間的脫節(jié)。

（四）學(xué)生考核改革，向?qū)嵺`能力傾斜

傳統(tǒng)的傳感器課程，采用標(biāo)準(zhǔn)試卷，一卷定分，更多注重知識記憶的考察，忽視了應(yīng)用能力的考察。課程群建設(shè)中，三門課程聯(lián)合考察。綜合理論和實踐兩大部分，給出最終成績，避免之前一卷定分的弊端。同時加大實踐能力考核權(quán)重，對完成綜合實驗，并能夠自主進行實驗功能擴展的學(xué)生采用加分機制，鼓勵學(xué)生實踐多動手，多動腦。

傳感器與虛擬儀器課程群建設(shè)，以項目化貫穿教學(xué)始終，增加實踐課程學(xué)分比重，學(xué)生考評向?qū)嵺`能力側(cè)重，有效提升學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生傳感器的應(yīng)用能力，虛擬儀器軟件的編程操作能力和軟硬件電路聯(lián)合設(shè)計的能力。此外，隨著實踐教學(xué)的深入，教師也在提升自身工程實踐能力，實現(xiàn)向“雙師雙能型”轉(zhuǎn)型，真正實現(xiàn)教學(xué)相長。

參考文獻：

[1]李菲.傳感器實驗教學(xué)模式的探索與改革[J].中國現(xiàn)代教 育裝備，2014，（1）.

[2]蘭明.基于LabVIEW的傳感器測試實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn) [J].江西科技師范大學(xué)學(xué)報，2014，（6）.

[3]樂建華，黃家才.檢測技術(shù)與虛擬儀器實驗室建設(shè)[J]. 實 驗室研究與探索，2016，（12）.

[4]張鵬，吳東艷，張凌志.項目教學(xué)法與傳感器課程改革探 索[J].中國電力教育，2014，（5）.

[5]尤麗華，周洋.基于虛擬儀器的測試技術(shù)實驗教學(xué)系統(tǒng)建 立[J].實驗技術(shù)與管理，2011，（2）.