“传感器与检测技术”实验课教学改革探讨

朱笑花

（漳州师范学院物理与电子信息工程系，福建漳州 363000）

“传感器与检测技术”实验课教学改革探讨

朱笑花

（漳州师范学院物理与电子信息工程系，福建漳州 363000）

“传感器与检测技术”是一门理论性和实践性都很强的学科。笔者针对“传感器与检测技术”实验教学的现状，从“硬件”和“软件”两方面做一些教学改革探讨，旨在提高学生的动手能力和综合应用知识的能力，培养创新型人才。

传感器与检测技术；教学改革；软件和硬件

“传感器与检测技术”是电子信息、自动化、电气工程及其自动化等工程类专业的一门专业必修基础课程。该课程的特点是各章内容分散、应用性强，可见实验教学显得尤为重要，传统实验内容包括电容传感器、电感传感器、箔式电阻应变片、热电偶传感器、霍尔传感器、光纤传感器等。实验教学环节对培养学生的动手能力、分析和解决问题的能力、理论与实际相结合的能力起到了非常重要的作用。因此，建立适用于人才发展需要的新的实验教学模式，形成一套相对独立和完善的实验教学体系，对于提高实验教学的效率和质量，培养适应社会需求的应用性和研究性人才是非常重要的[1-2]。

1 “传感器与检测技术”实验课教学现状分析

近年来，随着各项科学技术的发展，传感器技术与应用也不断发展，智能、集成化、多功能化新型传感器层出不穷，虚拟仪器技术、软测量技术、多传感器信息融合技术等都得到快速发展和应用。但实验教学却跟不上步伐，如笔者所在学校在实验教学方面大多沿用普通大学的实验教学模式：教师依据教学大纲对实验项目、实验内容、实验时间进行安排，组织实验教学。教学过程中教师先进行讲解和演示，学生再进行操作，并将实验结果填入统一格式的实验报告。这种按部就班操作的教学模式存在很多问题，如教学内容简单陈旧，一般做5到8个实验，以验证性实验为主，缺乏设计性综合性创新性要求，与工程实践脱节严重；教学方式单调枯燥，实验手段和设备落伍；学生思想上不重视，缺乏学习主动性；学生独立分析解决问题能力不足，依赖老师。为改变上述状况，适应高等教育发展的要求[3-4]，笔者对“传感器与检测技术”实验课程教学改革从“硬件”和“软件”两方面改革进行了探讨。

2 “传感器与检测技术”实验课教学改革的探讨

2.1 “硬件”——管理和实验平台的优化

2.1.1 开发基于虚拟仪器技术的传感器实验综合教学平台

传统的传感器实验室都是配备一些已开发好的实验仪器，如漳州师范学院采用的是浙大仪器系开发的CSY10A传感器系统实验仪、示波器。实验室存在的一个严重不足就是设备更新慢、容易损坏。虚拟仪器技术就是利用现有的计算机（可以是工控机也可以是个人计算机），配上相应的硬件(如数据采集卡)和专用软件，构成既有传统仪器的基本功能，又有一些特殊功能的新型仪器。引进该技术，用户就可根据自己的要求，设计自己的仪器系统。因此，笔者提出将虚拟仪器技术引入传感器实验教学，这样有利于完善实验设备，又可大大节约学校更新实验设备所需的投资[5]。

整个实验综合教学平台的开发包括硬件和软件开发两部分工作。硬件包括已有的传感器实验仪CSY10A、信号调理模块、数据采集卡、计算机。虚拟仪器的软件平台采用的是LabVIEW。它是一种图形化编程语言，通常称为“G”编程语言，是目前应用最广、发展最好、功能最强的图形化软件集成开发环境。软件开发需要完成以下功能：数据的采集、数据的处理、前面板设计、后面板设计、结合具体实验开发实验项目。基于虚拟仪器的传感器实验系统框图见图1。

图1 基于虚拟仪器的传感器实验系统框图

由于实验项目较多，笔者选取一个实验项目（光电传感器的应用—光电转速测试）作为研究对象。在系统平台上选择要做的实验，开启电机，调节其转速，数据采集卡进行实时测量，同时数据采集卡将数据传送到安装有LabVIEW程序的上位机。上位机的LabVIEW接收数据，传感器输出波形（也即采集到的信号波形），波形的观察无需使用示波器，而是用自行开发的虚拟示波器。对电机旋转频率和转速的计算通过LabVIEW程序来实现，同时学生可结合自己的知识进行修改或是开发新的LabVIEW程序，也即开发或是修改前面板或是后面板。当采集的数据产生变化时，即有新的采样数据进来时，会启动LabVIEW程序计算电机的旋转频率和转速，实现信号的实时更新。

通过传统实验平台和新的传感器综合实验平台的对比，可以看出新平台的几个优点：(1)基于虚拟仪器系统的传感器综合实验，使学生清楚地掌握传感器原理及应用，在实验中要求学生综合运用所学过的多门课程知识和技能(如传感器原理、VB语言设计、实验数据处理、labVIEW等)。整个实验设计与实际工程应用密切相关。(2)从实验环节比较可看出，虚拟仪器实验具有传统仪器实验不具备的一些优势，如无需给每个实验组配备价格较贵的示波器、用软件方法来计算电机旋转频率和转速的关系，由计算机显示代替CSY10A型传感器实验仪上的硬件位LED显示，获得更高的测量和显示精度。(3)在基于虚拟仪器的传感器实验系统上可以开设绝大多数原来CYS10A型传感器实验仪上开设的实验，还可以开发新的综合性设计性实验，该系统已经在漳州师范学院2009级各班中开展了实验教学体验，学生反映较强烈，兴趣很高。根据学生自己的设想，设计了很多富有个性的实验仪器面板，效果很理想。

2.1.2 通过网络实现实验室的合理管理

随着网络技术的发展，可将网络技术引入到实验的管理，即利用网络技术实现对学生的监控。通过TCP/IP通信，采用TCP协议，C/S结构模式，老师机是服务器(Server)方，学生机是客户(Client)方，将客户机(学生机)接入服务器(老师机)上。在启动客户机(学生机)之前，必须启动服务器(老师机)的监控软件。客户机(学生机)数据采集软件采集学生每一项实验操作的信息，通过网络将数据传送给服务器(老师机)，在服务器(老师机)将接收到相应的操作信息。学生也可通过网络平台进行提问等。老师可根据实验的时间，服务器(老师机)通过发送消息，通知客户端(学生机)终止实验。从以上几点可以看出：老师可通过网络实现对学生的有效监控，学生在这样的监控环境下积极性也更高，实验效率也更高。

2.2 “软件”——改革教学内容和考核方法

2.2.1 优化教学内容

传统实验项目内容以理论课教学中的理论或定律的验证为主，与工程实际应用严重脱节，很难开设涉及各课程之间的综合性、设汁性实验内容。因此，实验教学内容可根据人才培养目标分为基础性实验、设计性实验、综合性实验三个层次。(1)基础性实验是为了使学生巩固所学课程的基本理论知识，让学生在实验过程中学习各种仪器的使用方法，学习实验数据处理的基本方法。可开设的基础性实验有箔式应变片三种桥路性能比较、电容式传感器特性试验、差动变压器特性、霍尔式传感器的直交流激励特性等[6-7]。(2)设计性实验目的在于培养学生的设计和综合能力，激发学生的主动性和创造性，提高学生认识能力及组织能力和开拓创新的意识。设计性实验中只列出实验目的以及仪器清单，学生灵活运用所学知识和技能，独立设计出符合要求的实验步骤以及实验电路、自拟实验表格等，以培养学生的实际操作能力和工程设计能力。因此，设计性实验项目主要是一些传感器的工程性应用项目。可开设的实验有物位测量控制系统、压力测量控制系统、温度测量控制系统、振动测量控制系统等。(3)综合性实验的目的是培养学生运用知识的能力，也是对学生综合实践能力的全面考核和检验。由于实验条件的限制，综合性实验主要采取课程设计模式进行，并与多门课程进行结合，如单片机技术、电子技术、自动控制技术等，以提高综合应用各门课程知识的能力。在学期初，教师提供相应的综合性设计题目及要求，题目也可自己选择，第一次上课时发给学生，学生可利用各种方案完成，可以利用软件进行虚拟仿真，也可以做成电子硬件作品。在此期间可以找教师指导，作品要形成报告形式，包括设计方案、原理、电路、实验数据及分析、作品创新点、改进等内容。可开设的实验有电子秤的设计与制作、多传感器的综合检测系统等。

2.2.2 建立全面的考核制度

目前，大部分高校还是按照传统的实验成绩评定方法，即以期末考试成绩或实验结果(实验报告)为主要标准，这种单纯以某一方面的表现作为评价结果的方法，导致学生为完成实验而进行实验甚至出现实验或实验报告抄袭的现象，严重挫伤了学生的学习主动性、积极性和创造力。因此，学生的实验成绩评定要贯穿在整个实验过程，也即“强调实验过程，淡化实验结果”[8-9]。合理而科学的实验成绩考核方案应该是对学生实践动手能力、综合运用知识来解决实际问题的能力等的综合评估[10-11]。实验室搭建的互联网平台是进行合理考核的一个重要的手段和工具。教师可以根据学生的操作过程记录进行给分，如实验结果是否正确（20%）、实验过程是否进行主动思考、自主设计和提问（30%）、实验扩展部分内容完成情况（20%）、实验数据是否进行正确的处理（30%）等。这样的评价体系是对学生能力的一个合理的综合评价，它能引导学生养成主动思考、主动实践的习惯。

3 结语

笔者根据6年来的教学实践经验，从“硬件”、“软件”两个方面对“传感器与检测技术”实验教学的改革进行探讨。实践结果表明，教学改革是提高该课程教学质量的一个重要保障，它对巩固学生的理论知识、提高学生的学习主动性和积极性、培养学生的创新和实践能力具有很重要作用。“传感器与检测技术”是一门发展迅速的综合性和应用性较强的课程，还有许多地方需要继续改进，如将软测量技术、多传感器信息融合技术、无线传感器、智能传感器等新技术融入到实验中，做到理论和实践与时俱进。

[参 考 文 献]

[1]王立忠,黄涛,刘洪波,等.传感器原理及应用》课程教学的改革与实践[J].廊坊师范学院学报,2010,10(4):116-118.

[2]王春凤,李旭春,薛文轩,等.正弦波逆变电路实验的设计与实践[J].实验技术与管理,2010,27(8):135-138.

[3]黄扬帆,甘平,刘晓,等.高频电路实验教学改革的探索[J].实验室研究与探索,2011,30(7):285-287.

[4]蔡红娟,蔡苗,翟晟.独立学院电子线路实验教学改革探索[J].实验室研究与探索,2011,30(9):287-289.

[5]李山国,陈永会,李海虹,等.基于LabVIEW和PCI-8333的采集与分析系统的研究与实现[J].机床与液压,2011(10):107-109.

[6]张波,贯会明.开放性实验在实验教学体系构建中的作用[J].实验室研究与探索,2010,29(9):135-137.

[7]马冬梅,朱正伟,陈树越,等.电工电子实验教学示范中心的建设与实践[J].实验室研究与探索,2011,30(2):95-103.

[8]于泽德,张艳琼.强化实验教学过程管理,提高实验教学质量[J].实验科学与技术,2010,8(4):129-130.

[9]刘葵,汪建民,孙华.建立实验成绩综合评价体系的探索与实践[J].高校实验室工作研究,2010(2):32-33.

[10]秦岭.“传感器与检测技术”实验教学改革探讨[J].中国电力教育,2010(3):147-148.

[11]张铮,吴琼水.传感器原理实验课程教学改革探讨[J].长江大学学报,2011,8(7):127-128.

On the Teaching Reform of“Sensor and Detection Technology”Experimental Course

ZHUXiao-hua

（Department ofPhysics and Electronic Information Engineering，Zhangzhou Normal University,Zhangzhou Fujian 363000,China）

“Sensor and detection technology”is a theoretical and practical discipline.Accordingtothe teachingstatus ofthe“sensor and detection technology”experimental course,the writer dicussed the teachingreformfromthe aspects of hardware and software in order to improve students’practice ability and comprehensive ability of applying knowledge,and cultivate innovative talents.

Key words：sensor and detection technology；teachingreform；hardware and software

TP212

A

1008-178X（2013）01-0135-03

2012-11-01

漳州师范学院教改项目（JG200815）。

朱笑花（1980-），女，福建漳平人，漳州师范学院物理与电子信息工程系讲师，硕士研究生，从事最优控制与信息处理研究。