传感器实验教学模式的探索与改革

2014-11-28李菲

中国现代教育装备 2014年1期

李菲

邵阳学院湖南邵阳 422000

实验教学是课程教学必不可少的实践环节，理论知识需要通过实验才能加深印象，帮助消化和理解，理论知识才能得以巩固。所谓“纸上谈兵”的教学模式是不可取的，必须通过不断的实验，反复验证，才能达到较好的教学效果。因此，如何开展实验教学也是课程教学中至关重要的一个环节[1]。

任何实验的开展都建立在实验仪器的基础上，实验仪器直接影响到实验教学质量。所以长期以来，不管是高等院校还是科研单位，实验设备的投资都需要重点考虑。

1 现有传感器实验教学存在的弊端

随着现代科技的高速发展，由传感技术、通信技术、处理技术和控制技术组成的信息技术也得到了极大的推进。作为信息技术之首的传感技术在各个领域的作用也日益突显，所以，在电子信息类专业开设关于传感技术的课程必不可少。但由于传感器技术的不断发展，传感器实验也逐渐显现出一些弊端。

1.1 弊端的分析

(1)近几年，由于技术的融合，新传感器大多结构较复杂，通常是多个学科交叉结合的产物，原理较深奥，应用领域广泛，但价格也较昂贵，因此，实验室不可能配备全套产品供学生实验，而仅通过理论研究，不能让学生产生相对直观的印象。

(2)实验室现有设备，不管是单独的传感器，还是传感器模块，大多是密封的，其内部结构、材料等如同黑匣子，我们从外部无法探知，学生缺乏感性认识。

(3)传感器的信号调理复杂多样，不同的传感器应用于不同领域时，可根据不同的技术指标采用不同的转换电路。但从现有设备情况分析，信号调理电路是封装在特定的模块内，不只功能单一，而且具体参数指标都无法得知，不利于学生学习和创新。

(4)现有传感器实验大多只对应几种简单的传感器，而且大部分重心放在信号采集过程，对于传感器的信号特性分析较少。

1.2 改革的需要

鉴于上述弊端，对传感器实验教学模式进行改革是非常必要的。

教育部在《关于全面提高高等职业教育教学质量若干意见》(教高[2006]16号)文件中提出：“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验等。”因此，我们一直在考虑将传感器实验与虚拟技术相结合。

根据近年的观察与调研，我们发现新的智能化传感器层出不穷，微处理器和网络与传感器的融合技术快速发展，虚拟仪器技术也越来越多地被应用到信号检测领域[2]。

我们提出构建虚实结合的立体化开放实验平台，利用虚拟仪器技术完善实验内容，促进传感器课程的实验教学改革，促进学生知识、能力及素质的全面发展。

2 虚拟仪器技术

虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科最新技术的结晶。

2.1 技术特点

虚拟仪器技术融合测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体[3]，它利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件完成各种测试、测量与自动化，具有性能高、扩展性强、开发时间短以及无缝集成等特点。

2.2 应用于传感器实验中的意义

虚拟仪器中最常用的开发工具是Labview软件，目前已广泛应用于工业界、学术界和研究性实验室。Labview软件使用图形化编程语言，采用能编译成机器代码的图形框图编程，在很多场合可以进行多种参量的分析(如温度、压力等)，然后根据分析结果控制某一个目标，其与检测信号所用传感器是密不可分的。

3 构建虚实结合的传感器实验教学模式

本着重基础、重应用、重创新的方针，构建虚实结合的开放实验教学模式，促进学生实践能力和创新素质的全面发展[4]。该实验教学模式的具体内容如图1所示。

图1 传感器实验教学模式改革

3.1 实验内容整合，以项目式教学为导向

实验不再围绕具体的传感器开展，而是采用项目式教学的模式执行，验证性的实验内容大幅度减少，综合性和设计性实验所占比例提升到85%以上。如实验项目为：温度测量、转速测量等。实验室提供相关的传感器或信号调理电路模块，学生可依据自己的设计指标选择传感器或具体的信号调理电路。这样做可能在某种程度上提高了教学的难度，但这种模式更有利于学生的发展，更能激发学生的思考能力。

3.2 打破传统“一体”式实验平台，实现模块化的开放实验平台

现在部分实验课程仍采用“一体”式实验平台。所谓“一体”式，即所有的实验项目都在一台实验仪器或实验箱上完成，学生只需根据实验指导书上的说明，用连接线从*号插孔连接到*号插孔即可，有些同学甚至不明白实验原理也能完成实验内容，这样的实验教学形式不仅不能使理论知识得到应用与巩固，而且无法锻炼学生的动手与创新能力。因此，为了加强对学生创新能力的培养，我们不再拘泥于传统的“一机”式实验方式，而是采用模块化的教学方法。

所谓模块化传感器实验教学是指将实验中相关的主体电路做成小型模块，不再有专门、完整的实验电路，学生可以根据需要自行搭配电路。如信号调理电路中常用的差动放大电路、滤波电路等，这些都不再封装于专门的模块上，而是单独设立。如果进行温度测量设计型实验，学生可根据相关的小模块自行设计方案，如方案1：热电偶+差动放大器；方案2：PT100铂热电阻+电桥+差动放大器等。这样大大提高了学生的自主创新能力，也避免了依葫芦画瓢的现象发生。