改革传感器实验教学，培养学生创新意识

刘玉燕，傅彩芬

改革传感器实验教学，培养学生创新意识

刘玉燕，傅彩芬

（华北电力大学 控制与计算机工程学院，北京 102206）

培养创新型人才是新时期各类院校肩负的重要使命，文中结合华北电力大学多年来从事科研和教学的积累，针对目前传感器实验教学中存在的问题，分析现状，总结经验。以激发实验兴趣、培养创新意识为目标，分别从教学方法、教学手段、教学内容、成绩评价、实验设备等五个方面进行探讨，并提出具体措施。实践证明，这些新的举措改变了学生对传感器实验的认识，改善了学生机械式按部就班地做实验的局面，能够提高学生做实验的主动性和创新性，能很好地为创新实践型人才培养打下坚实基础。

传感器；实验；兴趣；创新

为了适应21世纪科技迅速发展的需要，高等院校培养的人才必须具备扎实的理论基础、出色的科学实验能力和勇于开拓的创新精神［1］。培养创新人才是高校的基本任务，华北电力大学也将“创新”二字作为校训。由于实验教学具有直观性、综合性和创新性，是培养学生创新能力的关键环节，在训练科学思维方法和培养创新能力方面起着不可替代的作用，因此培养创新人才的基地在实验室［2－3］。正确认识实验教学对人才培养的作用，充分肯定实验教学在高校整个教学工作中的地位，将对提高培养人才的质量起到关键作用。因此，各高校均将实践教学放到了重要的地位［4］，我校也完善了“四模块”实践教学体系，进一步凸显了“厚基础、重实践、强能力”的人才培养特色。

1 目前存在的问题

传感器实验教学通常是要求学生按实验指导书上的步骤操作；实验教学内容陈旧；实验教学手段单一；实验设备落伍。近十年主要都在用CSY系列传感器系统实验仪，一般只能做一些验证性实验，综合性、设计性实验少。这往往束缚了学生的手脚，不利于学生创新意识的培养［4］。同时实验室缺乏研究创新的氛围，现在实验室主要为本科教学服务，很少有专业教师和研究生进入实验室做科学研究；而实验员对实验设备的改进等工作也很难得到量化。因此，目前实验室尚未形成浓厚的科学研究和创新实践氛围，设备利用率不高［4］。

2 改进措施

2.1 实验教学方法改革

美国大学不断进行教育创新，即以学生为中心，逐渐形成了独具特色的创新人才培养模式，值得我们认真学习和借鉴。以学生为主体，以教师为主导，以实时互动实验教学为主，强化学生的中心地位，重视个性培养，充分发挥学生的主观能动性，这符合教育规律和人才成长规律［5］。教师的指导只有在不断的交流与沟通中才能更好地发挥作用，做到真正的相互启发、教学相长。这种教学方式，以激发学生的兴趣和潜能为重点、以培养学生的创新意识为目的。在一所研究型大学，研究与教学有一种辩证的关系［5］。学习和借鉴美国大学的经验，无疑将有助于我们培养更多的具有创新精神和实践能力的人才。

2.2 实验内容多样化、层次化

大学生创新意识的培养本着“以人为本、因材施教”的原则，为学生提供多层次的选择，实现个性化培养的目标。给学生形成一个从简单到复杂、从预备到创新的氛围，循序渐进地了解和掌握实践教学内容，体现“递进式”。设立一系列实验，实施分层次教学，优化实验教学内容，建设反映课程体系的预备性实验、基础性实验、培养综合应用能力的综合性实验及培养创新型人才的设计性和创新性科研项目，形成“预备性——基础性—综合性—设计性—创新性”5个层次递进的实践教学体系，强调学生能力培养的渐进性、系统性和科学性［4］。

1）预备性实验。面向实验基础差的学生，开设一定学时的预备性实验。我们的实验室是开放的，学生可以通过预约来实验室做实验。基础差的同学可以提前来实验室预习实验，熟悉实验设备。

2）基础性实验。基础性实验环节主要由课程对应的必修实验以验证性为主，以大纲规定的基本要求为教学目标，以正常进度完成基本实验内容，最好提出一个具体的目标任务。比如电涡流传感器特性实验，要求测出手机电池的重量，这样可以加深学生对此次实验的印象。

3）综合性实验。综合性教学环节主要由独立设置的综合性实验组成。一般学期末有1～2周的传感器综合实验，提供给学生多个综合实验题目，让学生根据自己的兴趣，自己选择实验内容。注重多种传感器实验特性的比较，例如，我们固定电机转数，用光纤传感器和电涡流传感器分别测量，观察比较实验数据和波形，得出结论。

4）设计性实践。设计性实践环节主要由设计性实验组成。下面以两个例子进行说明：

（1）基于浙江大学仪器系生产的CSY10A传感器系统实验仪。例如，差动变面积电容传感器特性实验的动片和静片都是长方形的，此实验是验证性实验，原理和操作都简单，学生短时间内可以完成。那么我们可以提示学生如果动片和静片不是长方形的，例如三角形，圆形，扇形等等结果会是怎样？大家给出理论分析，通过实验验证自己的结论。

（2）设计一个测温仪。利用铂电阻阻值与温度的关系来设计电路，制作测温范围为0℃～100℃的测温仪。要求掌握铂电阻测温的原理，根据铂电阻与温度的关系建立模型，掌握铂电阻常用的测温电路，并进行设计电路和焊接。

通过这样的实验安排，让学生自主地设计实验步骤，从而发现理论和实践的距离，强化其对知识的综合运用能力，激发学生做实验的兴趣，培养创新意识。

5）创新性实践。创新性实践环节包括各类创新比赛等。通过增设一些内容新、综合性、设计性的实验题目，作为“选修实验项目群”。供实验基础好、动手能力强的学生选择，或者学生自己带着课题，想要解决的问题来实验室探讨，这样就为学生的主动性和创造性的发挥创造了广阔的空间，使传感器实验进一步适应现代科技发展的需要［4］。

2.3 实验教学手段现代化

随着21世纪知识经济的崛起，各学科知识之间的相互交叉，原有的实验室体制已不能满足时代和社会的需要，不能有效地培养学生的创新能力。基于社会和电力行业对人才培养的需求，不断探索实验教学改革。利用先进的教育技术手段辅助实验教学，注重虚拟与现实的结合，推进学生自主性学习、研究性学习和创造性学习。

2.3.1 利用MATLAB软件和误差理论知识进行数据

MATLAB是一款科学与工程计算软件，集成了计算、可视化和程序编制等工程，它使用方便、简单易学、功能强大。在传感器实验中，经常测量外界非电量与电压的关系，在实验数据处理时通常采用最小二乘法拟合得到标定曲线，并且计算灵敏度和非线性误差，传感器的标定和数据处理很重要且计算量大。学生通常采用坐标纸绘图，计算器运算，效果不理想。针对这个问题，利用MATLAB软件和误差理论知识进行数据处理，利用拟合函数polyfit进行最小二乘拟合可以得到最高9次多项式的拟合［6］，利用cftool工具箱可以计算非线性误差、灵敏度和滞后误差等传感器静态标定指标，也可以拟合、绘图和建模。MATLAB软件处理实验数据，结果简单直观，一方面解决实验数据处理和标定困难的问题，可以提升学生做传感器实验的积极性［7］；另一方面丰富了实验内容，比如在传感器综合实验中，要求学生掌握传感器静态、动态特性，输入信号分别采用为阶跃信号和正弦信号，对二阶传感器的动态特性进行Matlab/Simulink仿真，并对仿真结果进行讨论［8］。

2.3.2 基于虚拟仪器的传感器实验教学

虚拟仪器是一个按照仪器需求组织的数据采集系统［9］。在这一领域使用较为广泛的计算机语言是美国国家仪器（NI）有限公司的LabVIEW，虚拟仪器实验平台将硬件与软件相结合，学生采用图形化编程语言，就可以设计自己的实验系统，给学生提供了一个充分发挥自己想象力、创造力的空间，使思维得到了拓展。实现在计算机上模拟实验，并将结果以数字或图像形式表示出来。这样有助于学生熟悉实验过程，强化实验效果，直观有趣的交互界面，课堂教学生动形象，激发学生兴趣，比搭建纯硬件实验要快，这样就有更多的时间开展设计性、创新性实验。

若将传感器课程教学与虚拟仪器技术相结合，必能更好地激发他们的学习兴趣和探索精神［9］。虚拟仪器系统在实验教学中打破了验证性实验的局限性，便于学生在实验中综合运用所学知识。既提升了实验设备的水平，又避免了实验设备的不断更新。使学生从传统的被动学习转向主动学习。创新意识也得到增强，课堂教学效率提高［10］。利用虚拟仪器系统是高校进行实验室建设、改革实验教学的一个新的发展方向。

2.3.3 利用示波器观察实验结果

用光纤传感器、电涡流传感器测电机转速实验，虽然实验台的电压频率表可以直接显示其转速，但是通过示波器观察波形，有助于对实验原理的理解。分析幅值电压的差异得出两个电机叶片在转动过程中的抖动现象，可以有意外的收获。

2.3.4 NI数据采集卡的应用

一般教学用的示波器只有8位采集分辨率，而采集卡是16位。因此示波器受限于采集分辨率，基本上不能做出精度比较高的响应曲线；另外，NIDAQmx是NI公司开发的最新数据采集卡驱动程序，对于微弱电压信号，运用Measurement&Automation Explorer（MAX）数据记录软件，节省大量的系统配置、开发和数据记录时间。基于NIPXI电压采集卡和MAX软件做一些实验，具有操作简单、精度高等优点。

2.4 “多元智能”的实验成绩评价体系

将美国哈佛大学心理学教授霍华德·加德纳1983年提出的“多元智能理论”应用到实践教学中，建立“操作+报告+答辩”的“多元智能”评价体系［4］。对学生的实验能力和科技创新能力给出综合评价，建立一套系统的完整的实践教学体系，激发学生的自主性和创造性，不以实验数据的好坏作为唯一的评判标准。这必将为我校工科专业的人才培养提供一个更好的平台，改变目前学生对实验环节不重视而导致的动手能力差、创新意识弱等现状。例如，做差动变面积传感器特性实验，通过理论分析可得出线性的结果，有的同学做的数据不理想，甚至出现数据跳跃、突变的可能，这时如果同学能仔细观察实验仪器，查看操作过程，分析实验结果，找到误差产生的原因；在通过测微头带动动片上下移动过程中可能会使动片不是垂直上下移动，稍有倾斜，这样动片和静片的距离会发生变化，导致最后得到的电压值不随位移线性变化。这样会比顺利得出漂亮的实验结果更费时、费力，当然收获也更大，可以考虑给出更好的成绩，鼓励学生多动手、多动脑、遇到问题善于分析问题解决问题的好习惯，激发学生做实验的兴趣。

2.5 实验设备的更新换代

关注实验台的发展，去相关院校参观考察，新出的相关实验台允许的情况下引入一台，给学生做些演示实验，观察学生反应，对于老的实验台每批都要留有一台，让学生自己拆卸，观察内部结构，也能让学生更好地看到实验室的发展和成长历程。

3 结束语

本文对现有的传感器实验教学存在的问题进行分析、总结，分别从五个方面提出具体措施。经过多年的建设，各项措施已基本落实，取得了良好的实验教学效果。学生做实验的兴趣得到改善、创新意识得到增强。相信随着进一步深化实验教学改革，传感器实验室建设的日趋完善，定能使其真正成为培育创新型人才的摇篮，为学生更好地就业服务。

［1］孙连荣.高校实验教学模式的研究与探索［J］.实验室研究与探索，2003，22（1）：4－6.

［2］杨丹.全面培养学生创新实践能力的举措［J］.实验室研究与探索，2011，30（7）：1－5.

［3］王丽，周玲.创新型实践教学在大学生能力培养中的作用［J］.实验室研究与探索，2013，32（3）143－146.

［4］袁银男，许桢英，刘会霞，等.完善实践教学体系强化创新能力培养［J］.实验室研究与探索，2010，29（4）：92－95.

［5］张晓鹏.美国大学创新人才培养模式探析［J］.中国大学教学，2006（3）：7－11.

［6］陈敏.应用Matlab拟合传感器特性曲线［J］.南京师范大学学报，2003，3（1）：45－49.

［7］高宇飞，牟海维，吕秀丽.MATLAB语言在传感器实验数据处理中的应用［J］.大学物理实验，2012，25（5）：65－67.

［8］尤源，刘艳，刘成林.MATLAB软件在传感器实验教学中的应用［J］.中国现代教育装备，2010（3）：36－38.

［9］韦民红.基于Labview的传感器实验教学研究［J］.中国现代教育装备，2012（19）：53－55.

［10］薛晓颖，高峰.基于虚拟仪器技术的传感器综合实验教学［J］.重庆邮电大学学报：社会科学版，2008（6）：49－51.

Reform Experiment Teaching of Sensors and Cultivate Students，Innovation

LIU Yuyan，FU Caifen
（School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Beijing102206，China）

The cultivation of innovative talents is an importantmission for all kinds of universities and colleges in new era.Combining with the accumulation of research and teaching，in view of existing situation in the experiment teaching of sensor，the current situation is analyzed and the experiences are summarized.In order to stimulate interest in experiment and cultivate innovation，some concretemeasures are put forward from the teachingmethods，teachingmeans，teaching contents，performance evaluation，experimental equipment and so on five aspects.Practice has proved that these new initiatives changed students'understanding for sensor experiment，improved the experiment situation，can improve the initiative and innovation and can lay a solid foundation for the training of innovation talents.

sensor；experiment；interest；innovation

G642.423；TP212.6

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.061

2014－06－19；修改日期：2014－07－10

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（13MS20、13MS28）。

刘玉燕（1980－），女，硕士，工程师，主要从事实验室管理与实验教学工作。