王昊 孔令榮 竇如鳳

摘 要：實(shí)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(duì)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(xiàng)目化為主線，借助Labview軟件和NI myDAQ數(shù)據(jù)采集卡，豐富實(shí)踐內(nèi)容、細(xì)化實(shí)踐層次，考核向?qū)嵺`傾斜，打破原有教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)固化和薄弱的現(xiàn)狀，進(jìn)一步完善學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，坐實(shí)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：傳感器；虛擬儀器；項(xiàng)目化

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2018）07-0042-02

“傳感器與檢測(cè)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(mén)重要的專業(yè)必修課程。課程重點(diǎn)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(jì)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(lái)越重要的作用。因此，如何更好地開(kāi)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(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)展，成為教學(xué)改革的重點(diǎn)。

一、傳感器課程教學(xué)現(xiàn)狀

“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程采取理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩步走模式，即先講解傳感器原理，后傳感器實(shí)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(shí)踐教學(xué)，則依托浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)的教學(xué)儀器產(chǎn)品CSY 3000型開(kāi)展。隨著國(guó)家對(duì)應(yīng)用型本科建設(shè)的推進(jìn)和對(duì)創(chuàng)新型人才需要的增長(zhǎng)，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(shí)分散，與實(shí)際缺乏關(guān)聯(lián)性

理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)多而且分散，存在教師講得費(fèi)力，學(xué)生接受較少的問(wèn)題。同時(shí)，書(shū)本中傳感器與實(shí)際使用的傳感器型號(hào)缺檔，造成學(xué)生應(yīng)用障礙。

（二）實(shí)踐單一，缺乏創(chuàng)新性

CSY 3000型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與微機(jī)數(shù)據(jù)接口能力較弱；學(xué)生實(shí)踐過(guò)程中更多是按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)要求進(jìn)行接線，無(wú)法培養(yǎng)數(shù)據(jù)處理能力，且存在實(shí)踐內(nèi)容單一、模式固化問(wèn)題，不能很好地發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

（三）課程孤立，缺少聯(lián)動(dòng)

數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)是傳感器應(yīng)用的重點(diǎn)內(nèi)容，涉及“數(shù)字邏輯電路”“模擬電子線路”等課程知識(shí)?，F(xiàn)有課程無(wú)法開(kāi)展數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計(jì)，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(jìn)行一體化建設(shè)，發(fā)揮群優(yōu)勢(shì)，在教學(xué)內(nèi)容和模式上進(jìn)行改革，更好地進(jìn)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(shí)結(jié)合”的教學(xué)模式[1]，以項(xiàng)目化為主線，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力，落實(shí)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(cè)技術(shù)”“虛擬儀器技術(shù)”“檢測(cè)技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)”課程群。“傳感器與檢測(cè)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(cè)技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)”須同時(shí)運(yùn)用傳感器、虛擬儀器、數(shù)電、模電知識(shí)，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(shí)踐過(guò)程，做到“教—學(xué)—做”一體。

三、虛擬儀器平臺(tái)

對(duì)原有的傳感器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造，增設(shè)虛擬儀器平臺(tái)：Labview軟件和NI myDAQ 數(shù)據(jù)采集卡。借助該平臺(tái)，完成傳感器信號(hào)接收、調(diào)理、整形、轉(zhuǎn)換、過(guò)濾，微機(jī)處理整套流程。

（一）Labview軟件

Labview軟件，使用圖形化編輯語(yǔ)言G語(yǔ)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(kāi)展檢測(cè)技術(shù)綜合實(shí)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(wàn)用表函數(shù)功能，可提供8種基于計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)室儀器。其與Labview軟件結(jié)合，可完美實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、處理、分析和顯示的功能。對(duì)于基礎(chǔ)的傳感器實(shí)驗(yàn)，單個(gè)的NI myDAQ數(shù)據(jù)采集卡即可完成連線操作；對(duì)于提高的傳感器實(shí)驗(yàn)，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(shí)結(jié)合”的課程群教學(xué)模式

“虛實(shí)結(jié)合”，即利用虛擬儀器這一虛擬仿真平臺(tái)，坐實(shí)應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)。借助項(xiàng)目化，串接“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”等三門(mén)課程；借助虛擬仿真平臺(tái)的通用性、多樣性，完善實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（一）項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，貫穿課程群體系

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，在教師的指導(dǎo)下，將一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的項(xiàng)目交由學(xué)生完成。學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式，收集信息，設(shè)計(jì)方案，項(xiàng)目實(shí)施并進(jìn)行最終評(píng)價(jià)[4]。具體實(shí)施方法包括“項(xiàng)目導(dǎo)入”“實(shí)施計(jì)劃”和“展示與評(píng)價(jià)”三個(gè)環(huán)節(jié)，以此增強(qiáng)教師、學(xué)生互動(dòng)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力和興趣。

1.“項(xiàng)目導(dǎo)入”環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)?！皞鞲衅髋c檢測(cè)技術(shù)”課程教學(xué)，設(shè)置項(xiàng)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(dòng)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(xiàng)目任務(wù)及目標(biāo)，讓學(xué)生自主查詢具體的傳感器型號(hào)，完成自主項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)。

2.“實(shí)施計(jì)劃”環(huán)節(jié)，學(xué)生為主。學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作學(xué)習(xí)等方式，對(duì)項(xiàng)目的任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行分析，完成項(xiàng)目初始設(shè)計(jì)，包括傳感器選型、外部采集電路設(shè)計(jì)等?！皺z測(cè)技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)”課程中，帶著做好的項(xiàng)目方案，借助虛擬儀器平臺(tái)，完成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)行調(diào)試，觀察實(shí)驗(yàn)效果。

3.“展示與評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)，教師與學(xué)生互動(dòng)。學(xué)生利用虛擬儀器平臺(tái)展示自己的項(xiàng)目成果，然后接受他人的評(píng)價(jià)和教師的反饋。同時(shí)，學(xué)生在匯報(bào)和聽(tīng)取同學(xué)匯報(bào)的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)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(xiàng)目案例：智能路燈控制系統(tǒng)。為什么路燈白天自動(dòng)關(guān)閉，天黑自動(dòng)打開(kāi)？激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望。教師講解系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)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(shí)現(xiàn)方案。學(xué)生根據(jù)自己的方案借助網(wǎng)絡(luò)、圖書(shū)館查閱實(shí)際光電傳感器產(chǎn)品，引腳功能，設(shè)計(jì)傳感器外圍電路。實(shí)訓(xùn)課程中，利用Labview軟件完成界面設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)，面包板上搭建傳感器和外圍電路，NI myDAQ配置端口采集信號(hào)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。有效解決了原傳感器實(shí)踐教學(xué)“插線式”和任務(wù)雷同問(wèn)題。

（二）實(shí)驗(yàn)分梯度，注重創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

學(xué)生接收知識(shí)并應(yīng)用需要一個(gè)過(guò)程，并且每個(gè)學(xué)生經(jīng)歷這一過(guò)程的時(shí)間有長(zhǎng)短之分。針對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)的情況，實(shí)驗(yàn)設(shè)置注重階梯難度，分為基礎(chǔ)性和綜合性實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生邊學(xué)邊做，除完成基本功能外還需完成擴(kuò)展功能，訓(xùn)練單個(gè)傳感器項(xiàng)目模塊。例如，在講解溫度傳感器時(shí)，引入室內(nèi)測(cè)溫項(xiàng)目案例。學(xué)生結(jié)合單個(gè)溫度傳感器完成基礎(chǔ)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)。能否設(shè)置超閾值報(bào)警判斷溫度過(guò)高或過(guò)低？過(guò)高，能否控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)降溫；過(guò)低，能否控制電阻絲加熱升溫，在基本功能實(shí)現(xiàn)后，通過(guò)設(shè)置實(shí)驗(yàn)，拓展學(xué)生思維，讓單個(gè)項(xiàng)目模塊更貼近生活、生產(chǎn)實(shí)際。綜合性實(shí)驗(yàn)，變單個(gè)傳感器為多傳感器項(xiàng)目應(yīng)用。例如，引入智慧農(nóng)業(yè)智能大棚項(xiàng)目案例。項(xiàng)目要求：滿足大棚內(nèi)的植物自動(dòng)灌溉、自動(dòng)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(kāi)發(fā)等工作。功能實(shí)現(xiàn)后，能否自主進(jìn)行大棚功能拓展，完成相應(yīng)電路和程序設(shè)計(jì)。一步一步，層層深入，綜合考查學(xué)生對(duì)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(tái)極強(qiáng)的開(kāi)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(kuò)展、創(chuàng)造，搭建自己的傳感器檢測(cè)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(diǎn)打造相應(yīng)的電子系統(tǒng)或產(chǎn)品，挖掘?qū)W生的個(gè)性化和創(chuàng)新性。

（三）課程聯(lián)動(dòng)，打通知識(shí)壁壘

加強(qiáng)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(qiáng)數(shù)據(jù)處理電路原理講解，特別是信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、惠斯通電橋電路等講解。實(shí)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(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理電路[5]。因此，從理論到實(shí)踐，時(shí)刻需要數(shù)字邏輯電路、模擬電子線路等課程知識(shí)，讓學(xué)生活學(xué)活用，避免知識(shí)點(diǎn)、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(shí)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(mén)課程聯(lián)合考察。綜合理論和實(shí)踐兩大部分，給出最終成績(jī)，避免之前一卷定分的弊端。同時(shí)加大實(shí)踐能力考核權(quán)重，對(duì)完成綜合實(shí)驗(yàn)，并能夠自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)功能擴(kuò)展的學(xué)生采用加分機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生實(shí)踐多動(dòng)手，多動(dòng)腦。

傳感器與虛擬儀器課程群建設(shè)，以項(xiàng)目化貫穿教學(xué)始終，增加實(shí)踐課程學(xué)分比重，學(xué)生考評(píng)向?qū)嵺`能力側(cè)重，有效提升學(xué)生主動(dòng)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(jì)的能力。此外，隨著實(shí)踐教學(xué)的深入，教師也在提升自身工程實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)向“雙師雙能型”轉(zhuǎn)型，真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。

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