李 菲

邵陽學院 湖南邵陽 422000

實驗教學是課程教學必不可少的實踐環(huán)節(jié)，理論知識需要通過實驗才能加深印象，幫助消化和理解，理論知識才能得以鞏固。所謂“紙上談兵”的教學模式是不可取的，必須通過不斷的實驗，反復驗證，才能達到較好的教學效果。因此，如何開展實驗教學也是課程教學中至關重要的一個環(huán)節(jié)[1]。

任何實驗的開展都建立在實驗儀器的基礎上，實驗儀器直接影響到實驗教學質(zhì)量。所以長期以來，不管是高等院校還是科研單位，實驗設備的投資都需要重點考慮。

1 現(xiàn)有傳感器實驗教學存在的弊端

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，由傳感技術、通信技術、處理技術和控制技術組成的信息技術也得到了極大的推進。作為信息技術之首的傳感技術在各個領域的作用也日益突顯，所以，在電子信息類專業(yè)開設關于傳感技術的課程必不可少。但由于傳感器技術的不斷發(fā)展，傳感器實驗也逐漸顯現(xiàn)出一些弊端。

1.1 弊端的分析

(1)近幾年，由于技術的融合，新傳感器大多結構較復雜，通常是多個學科交叉結合的產(chǎn)物，原理較深奧，應用領域廣泛，但價格也較昂貴，因此，實驗室不可能配備全套產(chǎn)品供學生實驗，而僅通過理論研究，不能讓學生產(chǎn)生相對直觀的印象。

(2)實驗室現(xiàn)有設備，不管是單獨的傳感器，還是傳感器模塊，大多是密封的，其內(nèi)部結構、材料等如同黑匣子，我們從外部無法探知，學生缺乏感性認識。

(3)傳感器的信號調(diào)理復雜多樣，不同的傳感器應用于不同領域時，可根據(jù)不同的技術指標采用不同的轉換電路。但從現(xiàn)有設備情況分析，信號調(diào)理電路是封裝在特定的模塊內(nèi)，不只功能單一，而且具體參數(shù)指標都無法得知，不利于學生學習和創(chuàng)新。

(4)現(xiàn)有傳感器實驗大多只對應幾種簡單的傳感器，而且大部分重心放在信號采集過程，對于傳感器的信號特性分析較少。

1.2 改革的需要

鑒于上述弊端，對傳感器實驗教學模式進行改革是非常必要的。

教育部在《關于全面提高高等職業(yè)教育教學質(zhì)量若干意見》(教高[2006]16號)文件中提出：“要充分利用現(xiàn)代信息技術，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗等?！币虼耍覀円恢痹诳紤]將傳感器實驗與虛擬技術相結合。

根據(jù)近年的觀察與調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)新的智能化傳感器層出不窮，微處理器和網(wǎng)絡與傳感器的融合技術快速發(fā)展，虛擬儀器技術也越來越多地被應用到信號檢測領域[2]。

我們提出構建虛實結合的立體化開放實驗平臺，利用虛擬儀器技術完善實驗內(nèi)容，促進傳感器課程的實驗教學改革，促進學生知識、能力及素質(zhì)的全面發(fā)展。

2 虛擬儀器技術

虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術相結合的產(chǎn)物，是兩門學科最新技術的結晶。

2.1 技術特點

虛擬儀器技術融合測試理論、儀器原理和技術、計算機接口技術、高速總線技術以及圖形軟件編程技術于一體[3]，它利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件完成各種測試、測量與自動化，具有性能高、擴展性強、開發(fā)時間短以及無縫集成等特點。

2.2 應用于傳感器實驗中的意義

虛擬儀器中最常用的開發(fā)工具是Labview軟件，目前已廣泛應用于工業(yè)界、學術界和研究性實驗室。Labview軟件使用圖形化編程語言，采用能編譯成機器代碼的圖形框圖編程，在很多場合可以進行多種參量的分析(如溫度、壓力等)，然后根據(jù)分析結果控制某一個目標，其與檢測信號所用傳感器是密不可分的。

3 構建虛實結合的傳感器實驗教學模式

本著重基礎、重應用、重創(chuàng)新的方針，構建虛實結合的開放實驗教學模式，促進學生實踐能力和創(chuàng)新素質(zhì)的全面發(fā)展[4]。該實驗教學模式的具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 傳感器實驗教學模式改革

3.1 實驗內(nèi)容整合，以項目式教學為導向

實驗不再圍繞具體的傳感器開展，而是采用項目式教學的模式執(zhí)行，驗證性的實驗內(nèi)容大幅度減少，綜合性和設計性實驗所占比例提升到85%以上。如實驗項目為：溫度測量、轉速測量等。實驗室提供相關的傳感器或信號調(diào)理電路模塊，學生可依據(jù)自己的設計指標選擇傳感器或具體的信號調(diào)理電路。這樣做可能在某種程度上提高了教學的難度，但這種模式更有利于學生的發(fā)展，更能激發(fā)學生的思考能力。

3.2 打破傳統(tǒng)“一體”式實驗平臺，實現(xiàn)模塊化的開放實驗平臺

現(xiàn)在部分實驗課程仍采用“一體”式實驗平臺。所謂“一體”式，即所有的實驗項目都在一臺實驗儀器或實驗箱上完成，學生只需根據(jù)實驗指導書上的說明，用連接線從*號插孔連接到*號插孔即可，有些同學甚至不明白實驗原理也能完成實驗內(nèi)容，這樣的實驗教學形式不僅不能使理論知識得到應用與鞏固，而且無法鍛煉學生的動手與創(chuàng)新能力。因此，為了加強對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，我們不再拘泥于傳統(tǒng)的“一機”式實驗方式，而是采用模塊化的教學方法。

所謂模塊化傳感器實驗教學是指將實驗中相關的主體電路做成小型模塊，不再有專門、完整的實驗電路，學生可以根據(jù)需要自行搭配電路。如信號調(diào)理電路中常用的差動放大電路、濾波電路等，這些都不再封裝于專門的模塊上，而是單獨設立。如果進行溫度測量設計型實驗，學生可根據(jù)相關的小模塊自行設計方案，如方案1：熱電偶+差動放大器；方案2：PT100鉑熱電阻+電橋+差動放大器等。這樣大大提高了學生的自主創(chuàng)新能力，也避免了依葫蘆畫瓢的現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 引入虛擬儀器技術，構建虛實結合的實驗模式

將虛擬儀器技術引入實驗教學中，主要可以進行以下三方面的改革：

3.3.1 對傳感器采集后的數(shù)據(jù)進行分析和處理

學生使用傳感器檢測的數(shù)據(jù)信號，可在專門的VI測試面板中進行分析和處理，如采樣頻率、采樣長度等。通過對數(shù)據(jù)的各種分析，使學生更加了解傳感器的性能。

3.3.2 自主開發(fā)與二次開發(fā)

一般情況下，實驗室所具備的測試系統(tǒng)比較有限，而且較為常用。如果有學生需要測量一些特殊環(huán)境的參量，可根據(jù)實際的采集環(huán)境，基于Labview圖形編輯軟件，開發(fā)出具體的測試系統(tǒng)。此外，學生也可以在原有的測試系統(tǒng)上增加或刪減功能模塊，使自主開發(fā)和二次開發(fā)得以實現(xiàn)。

3.3.3 節(jié)約成本

信號檢測需較多的測量儀器，通過虛擬儀器技術可以模擬出大多數(shù)的測量儀器，這樣不僅大大降低實驗設備的成本，也可避免實驗設備損壞或老化。

4 結束語

目前，越來越多的國內(nèi)外院校致力于研究基于虛擬儀器技術的實驗教學系統(tǒng)。筆者提出的實驗教學模式仍有很大的改善空間。今后，可考慮與其他課程結合，形成一個基于完整工程鏈的學習體系，如傳感器+模擬電子線路+單片機+PCB設計+制版焊接+常用測量儀器的使用與系統(tǒng)調(diào)試。

[1]張臣文.基于虛擬儀器的數(shù)字化實驗模式研究[J].襄樊學院學報,2010,31(2):74-78.

[2]舒筠佳.基于虛擬儀器的高校電子實驗平臺開發(fā)[J].上海電力學報,2009,25(3):253-256.

[3]施敏敏.虛擬儀器在電工電子實驗教學中的應用[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2011,34:211-213.

[4]魏宏波.基于虛擬儀器技術的實驗教學改革探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009(11):92-94.