何赟澤 丁美有 王洪金 胡祥超 黃鵬翔

(1. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 長沙 410082)

(2. 湖南德開物聯(lián)科技有限公司, 長沙 410013)

傳感器類課程是工學(xué)類專業(yè)的核心課程,理論與應(yīng)用并重,在課程體系中具有舉足輕重的作用[1]。課程的教學(xué)目標(biāo)是講授傳感器工作原理,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用傳感器解決實(shí)際問題的能力。除了課堂講授,還會(huì)安排課后實(shí)驗(yàn),包括電阻式、電容式、電感式和光電式等傳感器的測量和檢測實(shí)驗(yàn)[1-2]。

當(dāng)前,“以學(xué)生發(fā)展為中心”教學(xué)理念深入人心[3]。依據(jù)該教學(xué)理念,經(jīng)過廣泛調(diào)研和分析自身差距,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在課堂教學(xué)普遍存在一個(gè)痛點(diǎn)問題:課堂知識用不好。具體表現(xiàn)在:課后實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主,學(xué)生很難接觸到實(shí)際的工業(yè)傳感器及應(yīng)用環(huán)境。而且,課堂教學(xué)和課后實(shí)驗(yàn)是分開進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)教師不參與課堂教學(xué),任課教師也很少參與實(shí)驗(yàn)教學(xué),課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)之間出現(xiàn)裂縫[4-5]。這些弊端導(dǎo)致學(xué)生在課堂教學(xué)中很難真實(shí)掌握工業(yè)傳感器的實(shí)際應(yīng)用,這導(dǎo)致了學(xué)生解決工業(yè)環(huán)境復(fù)雜工程問題能力得不到很好的培養(yǎng)。近兩年受疫情的影響,教師們廣泛采用MOOC、SPOC[6]、超星爾雅[7]、雨課堂[8]等教學(xué)工具,更是影響了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此,開發(fā)具有現(xiàn)場演示或遠(yuǎn)程直播功能的傳感器示教平臺就顯得尤其重要。另外,現(xiàn)有的國內(nèi)高校傳感器教學(xué),大部分都是基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺[9]或者虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺[10]對傳感器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué),對于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺而言,學(xué)生可以自己動(dòng)手進(jìn)行傳感器測量,但卻無法兼顧所有學(xué)生,不適合人數(shù)眾多的課堂;對于虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺而言,學(xué)生可以在虛擬平臺上用傳感器進(jìn)行測量,但卻無法看到真實(shí)的傳感器,也無法真實(shí)地參與到傳感器教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

為了解決現(xiàn)在教學(xué)中的痛點(diǎn)問題,在提出“四維一貫”模型的基礎(chǔ)上,自主開發(fā)了具有知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)傳感器示教平臺,在課堂上創(chuàng)設(shè)工業(yè)教學(xué)環(huán)境,現(xiàn)場演示或遠(yuǎn)程直播工業(yè)級傳感器的測量教學(xué)實(shí)驗(yàn),在課堂上培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和解決實(shí)際問題的能力。

1 “四維一貫”創(chuàng)新理念

在自身多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地提出“混合學(xué)習(xí)夯基礎(chǔ)-課堂實(shí)驗(yàn)提能力-產(chǎn)學(xué)教研拓思維-糾錯(cuò)辯論促升華-數(shù)據(jù)反饋知成效”的“四維一貫”(Four Dimensions and One Penetration, 4D1P)教學(xué)模型。如圖1所示,“四維”指混合式學(xué)習(xí)、工業(yè)傳感實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)學(xué)教研融合和糾錯(cuò)辯論式總結(jié)等四個(gè)維度,目的分別是夯基礎(chǔ)、提能力、拓思維和促升華?！耙回灐敝肛炌ń虒W(xué)全過程的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)教評價(jià),目的是科學(xué)評估教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度和教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)際效果。

該理念重要的創(chuàng)新是設(shè)計(jì)工業(yè)級傳感器示教平臺,在課堂上創(chuàng)設(shè)工業(yè)教學(xué)環(huán)境,開展工業(yè)級傳感器互動(dòng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式,讓理論和實(shí)踐結(jié)合得更加緊密,讓學(xué)生把學(xué)到的傳感器理論知識用得更好。

2 開發(fā)示教平臺,創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了在課堂上培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力,自主開發(fā)了具有知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)傳感器示教平臺,在課堂上創(chuàng)設(shè)了工業(yè)教學(xué)環(huán)境,如圖2(a)所示,整個(gè)示教平臺由工業(yè)傳感器、硬件和軟件三部分組成。硬件部分包括采集終端和通信模塊兩部分,先通過采集終端采集傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),再通過通信模塊中的RS485和5G模塊將采集的數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)浇處煻撕蛯W(xué)生端電腦上;軟件部分是通過Python+PyQt編程將教師端電腦拍攝的操作視頻遠(yuǎn)程直播給學(xué)生端電腦,并且還可以通過討論室功能與課堂上的學(xué)生們進(jìn)行實(shí)時(shí)的聊天和文件傳輸。整個(gè)示教平臺的實(shí)物連接照片如圖2(b)所示。

(b) 示教平臺實(shí)物照片圖2 示教平臺

該示教平臺適用于工業(yè)級數(shù)字量傳感器和輸出為4～20 mA的工業(yè)級模擬量傳感器。筆者目前采購了十種工業(yè)級模擬量傳感器,如表1所示,這些傳感器基本覆蓋了《傳感與檢測技術(shù)》一書中大部分的傳感器知識點(diǎn),傳感器照片如圖3所示。

表1 十種傳感器介紹

圖3 示教平臺傳感器展示

示教平臺硬件部分由采集終端和通信模塊組成,其主要功能是對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸。采集終端是針對工業(yè)現(xiàn)場測量數(shù)字信號、模擬信號輸出控制而研制的多通道物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端。采集終端由2通道模擬量輸入、2通道數(shù)字量輸入、RTC模塊、看門狗模塊組成。各個(gè)模塊采用TVS管和RTC進(jìn)行保護(hù),模塊與模塊之間采用級聯(lián)保護(hù)并采用多層PCB設(shè)計(jì)ESD接口保護(hù)。通信模塊由RS485通信模塊和5G模塊組成。RS485模塊的抗噪聲干擾能力強(qiáng),可以將采集終端采集的數(shù)據(jù)通過USB接口高質(zhì)量地傳輸?shù)浇處煻穗娔X上;5G模塊大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量,可以確保遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)地顯示在學(xué)生端電腦上。

示教平臺軟件部分是基于python和PyQt自主編寫的程序。對于采集終端收集的傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),為了讓數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地顯示在軟件界面,需要先對數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn),進(jìn)而得到傳感器采集數(shù)據(jù)與輸出電流信號的線性測量模型,其模型公式如式(1)所示:

y=kx+b

(1)

式中y為被測物理量,x為電流大小,其范圍為4～20 mA。為了方便實(shí)驗(yàn),校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)線性測量模型將會(huì)保存到自建的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中,以便下次演示實(shí)驗(yàn)時(shí)直接使用,表2為表1介紹的10種傳感器的線性測量模型公式,其編號為一一對應(yīng)關(guān)系。

表2 傳感器測量模型

為了更生動(dòng)形象地將采集終端采集的數(shù)據(jù)展示在課堂上,通過GUI編程設(shè)計(jì)了一個(gè)可視化界面來展示采集的數(shù)據(jù),同時(shí)后臺會(huì)自動(dòng)把整個(gè)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)制作成折線圖,可供教師和學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用Socket套接字來實(shí)現(xiàn)將教師端電腦所拍攝的傳感器操作畫面實(shí)時(shí)地傳輸?shù)綄W(xué)生端電腦,學(xué)生可以通過觀看操作視頻來感受工業(yè)級傳感器的工作環(huán)境,方便在實(shí)際生活中使用。為了讓遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教師更好地與課堂上的學(xué)生進(jìn)行交流互動(dòng),軟件部分通過Socket套接字和Thread多線程開發(fā)了討論室和文件傳輸功能,討論室功能可以讓學(xué)生和教師在課堂上對操作實(shí)驗(yàn)的任何疑問及時(shí)地進(jìn)行交流,讓學(xué)生在課堂上就可以加深對于傳感器的理解,提升學(xué)生對于傳感器課程的興趣,同時(shí)文件傳輸功能也能方便教師將相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分享給學(xué)生。

3 課堂測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

以應(yīng)用為導(dǎo)向,利用平臺的多通道測試功能,設(shè)計(jì)了多個(gè)測量實(shí)驗(yàn),如距離、溫度、液位、振動(dòng)、等。本節(jié)將重點(diǎn)介紹距離、溫度和液位的測量對比實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以通過對比體會(huì)各傳感器原理和特點(diǎn)。如圖5所示展示了利用本示教平臺開展的三個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

(a)距離測量實(shí)驗(yàn)

(c)液位測量實(shí)驗(yàn)圖5 教學(xué)實(shí)驗(yàn)展示

3.1 距離測量實(shí)驗(yàn)

距離是衡量物體到物體之間長度的物理量。在日常生活,可以采用多種類型的傳感器對距離進(jìn)行測量,本節(jié)采用渦流式傳感器和激光測距傳感器對距離進(jìn)行測量,這兩種傳感器介紹如表3所示。對于激光測距傳感器,接通電源后傳感器發(fā)射出紅外線,經(jīng)過物體反射后被傳感器接收,這段時(shí)間的長短就可以通過轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)化為物體實(shí)際距離大小。對于渦流式傳感器,需將金屬片靠近傳感器,通過渦流效應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流,再通過轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成物體實(shí)際距離大小。圖5(a)為真實(shí)課堂上學(xué)生用渦流式傳感器進(jìn)行距離測量的演示實(shí)驗(yàn)。

表3 兩種測距傳感器介紹

3.2 溫度測量實(shí)驗(yàn)

溫度是表示物體冷熱程度的物理量。溫度可以通過多種傳感器進(jìn)行測量。本實(shí)驗(yàn)采用熱電偶溫度傳感器和紅外輻射溫度傳感器對不同溫度液體進(jìn)行測量,這兩種傳感器的介紹如表4所示。對于紅外輻射溫度傳感器,只需將傳感器靠近被測液體,被測液體自身產(chǎn)生的熱輻射就可以被傳感器所接收,通過線性測量模型公式轉(zhuǎn)換后軟件就可以顯示實(shí)時(shí)溫度。對于熱電偶溫度傳感器,需將傳感器的金屬頭完整地放入到被測液體中,靜置一會(huì)后,教師端軟件就會(huì)顯示杯中液體的溫度。圖5(b)展示了學(xué)生在課后通過熱電偶溫度傳感器對杯中液體進(jìn)行溫度測量實(shí)驗(yàn)。

表4 兩種測溫傳感器介紹

3.3 液位測量實(shí)驗(yàn)

液位是指液體的深度。對于不同液體的測量所采用的傳感器也不同,對于導(dǎo)電液體,可以采用壓阻式傳感器、單電極電容式傳感器和雙電極電容式傳感器;對于不導(dǎo)電液體,可以采用雙電極電容式傳感器。這三種傳感器的介紹如表5所示。對于壓阻式傳感器,將整個(gè)傳感器投入被測液體中,軟件就會(huì)顯示傳感器被測端距離液面的距離。對于單電極電容式傳感器和雙電極電容式傳感器,將傳感器緩緩插入被測液體,電腦就會(huì)實(shí)時(shí)顯示傳感器底端的深度。圖5(c)為學(xué)生利用示教平臺進(jìn)行教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的場景。

表5 三種測液位傳感器介紹

4 結(jié)語

自主開發(fā)了具有知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)傳感器示教平臺,在課堂上創(chuàng)設(shè)工業(yè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,開展工業(yè)級傳感器的測量實(shí)驗(yàn),讓理論和實(shí)踐結(jié)合得更加緊密,讓學(xué)生能把學(xué)到的理論知識用得更好。開發(fā)的硬件具有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(4～20 mA)的通用接口,適配符合規(guī)范的工業(yè)傳感器。軟件采用Python+PyQt編制,具有采集、校準(zhǔn)、顯示和互動(dòng)等功能。根據(jù)工業(yè)級電阻應(yīng)變式傳感器、壓阻式傳感器、電容式傳感器、渦流式傳感器、壓電式傳感器、紅外輻射傳感器等十余款工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)了距離、溫度、液位、壓力等物理量的現(xiàn)場演示和互動(dòng)實(shí)驗(yàn)。在課堂上學(xué)生可以參與這些實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行針對性的討論。針對有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較大、不易搬遷的情況,還開發(fā)了遠(yuǎn)程直播和聊天互動(dòng)等功能,把工業(yè)場景下的實(shí)驗(yàn)搬遷到課堂上。利用該平臺,大幅提升了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力,解決了課堂知識用不好的問題。授權(quán)軟件著作權(quán)2項(xiàng),已申報(bào)實(shí)用新型專利。學(xué)生實(shí)踐能力得到大幅提升,獲得國家級SIT、省虛擬儀器大賽一等獎(jiǎng)、全國機(jī)器人大賽一等獎(jiǎng)、中國傳感器創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽二等獎(jiǎng)等競賽獎(jiǎng)項(xiàng)。21屆本科生的就業(yè)率達(dá)到87.95%。部分學(xué)生科研能力得到提高,在IEEE Sensors Journal國際知名期刊發(fā)表高水平論文10余篇,10余人獲得愛丁堡大學(xué)等國內(nèi)外頂尖學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的錄取通知書。21屆本科生的深造率達(dá)到41.6%。該平臺助力學(xué)院電氣、自動(dòng)化、測控和電子等四個(gè)專業(yè)兩次通過工程教育專業(yè)認(rèn)證,助力電氣、自動(dòng)化和測控等三個(gè)專業(yè)入選國家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn),助力電氣工程入選國家“雙一流”建設(shè)學(xué)科。