基于虚实结合的传感器原理与应用教学研究与探索

张 总，刘 哲，王春梅，王 辉

（兰州工业学院 机电工程学院，兰州 730050）

0 引言

《传感器原理与应用》是测控技术与仪器专业一门重要的专业基础课，在测控技术与仪器专业的课程体系中起到承上启下的作用[1]，主要介绍了传感器的一般特性、常见传感器和新型传感器[2]。也是其它如自动化、机械电子工程等专业一门比较重要的技术基础课，根据测控技术与仪器专业培养目标及《传感器原理及应用》教学训练大纲要求，该课程的主要任务是通过课堂教学、实验教学和课堂探讨等环节，使学生了解传感器的基础知识和基本原理以及常见的工程应用，奠定传感器的设计与应用思想、创新实践和创新思维能力基础。为将来从事测控专业的工程设计、改造和维修打下坚实的基础。

1 现存问题

目前，教学中的突出问题主要反映在两个方面。一是理论教学方式陈旧，以PPT 为媒体，教师主讲学生辅听的纯理论知识灌输类型，与工业现场所使用的传感器联系不够紧密，学生感觉枯燥乏味，课堂的参与度不高，教学效果不好；二是实验方式单调枯燥，实验手段和设备落伍，缺乏设计性、综合性要求，与工程实践脱节严重。多数情况是按照实验指导书机械完成，对于结果是否合理没有思考，实验报告也仅仅是现象的堆积，无理论分析和反思。整个过程中，学生只是一个验证工具，完全缺乏自主性，学生思考不足。还因实验条件的限制，学生参与度不够全面，且实践与理论教学脱节，学生的完整知识结构体系无法统一构建。

目前，由于各学校学时量的总体压缩，该课程教学内容在有限的学时下更趋向侧重传感器的基础理论，不可能开设大量的实践课程。因此，如何提升和扩展理论及实践教学效果，如何吸引并提升学生参与度及对所学知识的思考，是提高教学质量迫切需要解决的问题。本文从两方面进行探索，一是从理论课入手，讲授中采用Multisim 电路仿真软件直观显示传感器转换电路后的输出结果，使学生理解传感器在工程实际中的应用；二从实验教学入手，采用全新的ELVIS 实验平台，采用虚拟电路设计及实体硬件连接，提高学生的动手能力，做到学以致用。

2 虚拟设计在教学中的应用

NI Multisim 是一款以Windows 操作系统为基础的电路仿真工具，可以交互式地搭建电路原理图，利用其直观的图形界面，丰富的元件资源，众多的虚拟仪表和完备的仿真分析，在NI Multisim 电路仿真的基础上，结合教学实验室虚拟仪表套件（ELVIS Ⅲ）的虚实结合方式应用于传感器测量电路的理论教学中[3]。利用NI ELVIS Ⅲ平台上搭建实际电路，其所包含的电路原理图图形输入方式，学生可以很快进行电路绘制，进行捕获、仿真和分析，理解其工作目标，图像化的测量解决了学生对测量结果抽象、PPT枯燥、应用较为困难的问题，可以更深刻地理解和学习传感器原理和应用的知识。

LabVIEW 是一种图形化的编程语言的开发环境，广泛地为工业界、学术界和研究实验室所利用，其中内置了多种软件标准的库函数，可以依据工程任务或教学需求，方便地利用其图形化的界面建立虚拟仪器，使得使用过程生动有趣，符合学生的学习特点[5]。

通过虚拟仪器结合NI ELVIS 虚拟仪器教学实验套件，实现了教学仪器、数据采集和实验设计一体化。由于体积小巧、便于携带，在理论教学过程中随时作为教具使用，且相同于实验实践设备，因而学生便于参与，易于接受。NI ELVIS 包括硬件和软件两部分：硬件包括一台可运行LabVIEW 的计算机和NI ELVIS 教学实验操控工作台；软件包括LabVIEW 开发环境，是可以针对ELVIS 硬件进行程序设计的虚拟仪器软件包[6]。NI ELVIS 与Quanser 不同板载卡构建成多个开放的实验功能。开放性的软硬件教学及实验条件，使教师讲授更加灵活，工程实例更加直观，学生实验实践更加多样，不再受教学硬件实验的限制，可以自行虚拟设计实验项目，硬件组件可以独立重叠，实验系统可以协同调试运行。这种教学方法可以充分发挥教师教学的灵活性和学生的主观能动性，促进学生对知识的掌握，提高学生的动手能力、思考能力和解决问题的能力。

3 虚实结合、理论实践互补的教学设计

传感器原理与应用教学内容主要涵盖3 部分：传感器的工作原理与类型、转换电路和应用举例。其中，电路部分教学较为抽象，特别是工程实际应用，学生掌握较为困难，以电阻应变式传感器理论课为例。

1）理论课教学

① 在复习传感器的基本概念、传感器的性能指标时，通过提问学生完成，内容以此部分重点和难点为提问点，促进学生对知识的复习。

② 新课引入：以近期涉及传感器技术的热点问题入手，结合国家发展重要文献和网络视频资料，并加入思政内容，引领学生树立正确的学习目标。为拉近学生与传感器技术的距离，指出传感器工作原理已经被学生很早接触，且最为常用的传感器是电阻式传感器，降低学生对传感器知识的陌生感，为学生提供一个参与学习的契机。

③ 内容讲述：电阻式传感器的基础知识、原理及其结构，采用翻转课堂的形式完成，参与人员通过随机抽取产生，促进学生课前预习。讲解过程中教师强调重点：电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应，对于金属导体，电阻变化率∆R/R的应变效应为：

式（1）中，μ为材料的泊松系数；ε为应变量。对于金属导体，把单位应变引起的电阻值相对变化k作为电阻丝的灵敏系数，其表达式为：

引入虚拟电路设计软件ultisim，利用其所提供的压控电阻来模拟应变片受力后电阻值的变化。操作过程中与同学一起查找并放置元件绘制电路，对电阻应变式传感器原理和常用工作电路进行仿真；电阻应变片的压控电阻等效电路及全桥仿真电路如图1、图2 所示。

图1 金属应变片仿真电路Fig.1 Simulation circuit of metal strain gauge

图2 电阻应变片全桥仿真电路Fig.2 Full bridge simulation circuit of resistance strain gauge

④ 课程小结：总结课堂重难点知识，评价学生课堂表现，并布置相关习题。

实验课是对理论知识的巩固及提升，巩固电阻应变片原理及理解电桥学习。因此，实验教学同样由理论课教师来指导，或者在理论课教师全程参与的模式下进行，培养学生动手能力的同时，可随时解答实验现象和强化理论知识，开设的电阻应变片半桥全桥性能实验，鉴于学生动手能力层次不齐。实验前，将实验分成两批次完成。

2）实验课教学

动手能力较弱的同学在NI Elvis 实验设备上，通过Quanser 机电一体化传感器板并利用电位计加载砝码完成电桥实验。主要涉及实验注意事项讲解，理解实验目标以及实验基本操作。

图3 简易电子秤图示Fig.3 Diagram of simple electronic scale

能力较强的同学，在掌握NI Elvis 实验操作的基础上，改变传统一体化实验台使学生仅模仿实验指导书连线、运行以及实验指导书记录现象的模式；探索由学生利用实验室所提供的单桥和半桥应变片、运算放大器、滑动变阻器、电阻等电子元器件及钢板尺及砝码，结合Multisim 仿真电路图，自己动手完成如图3 所示的简易电子秤，完成实验报告册并撰写心得。

实际执行过程中，大部分同学提前就电子秤的制作进行了准备，也完成了NI Elvis 实验操作。具有挑战的课题，也有助于学生攻坚克难精神的培养，培养学生解决复杂问题的能力。

虚实结合、理论和实践互补的传感器使原本枯燥的理论教学和验证性实验转化为贴近工业生产实际的一体化教学，且因材施教并充分发挥学生的主观能动性，提高学生实际动手能力和想象力，也合理地利用了实验设备资源。

4 课后教学延续

课程后设置涉及传感器的小科技作品，学生通过市场调研，自主完成相关题目的传感器选型、Multisim 测量电路的虚拟设计、基于NI ELVIS 和myDAQ 实物检测平台的搭建以及后续信号的采集和处理。最后，学生以两人为一小组将作品成果以报告和实物的方式展现给指导教师和同学，并让指导教师给出指导意见，同学参与互评。部分参考题目如下所示：

① 防盗报警器的设计

② 心率测量仪的设计

③ 肺活量测量仪的设计

④ 太阳能采暖控制器的设计

⑤ 电动车速度测量仪设计

⑥ 风速风向测量仪的设计

图4 学生制作参与及部分作品Fig.4 Students' participation in production and some works

表1 实验考核Table 1 Experimental assessment

⑦ 应变式加速度传感器的设计

将传感器原理与应用的学习内容融汇贯通到科技作品输出，注重学生在参与项目的过程中对传感器知识的继续学习，理论与工程实践有机结合，理论与实践互补。一方面，帮助学生掌握理论知识，使理论与工程实践有机结合；另一方面，可以通过做项目的方式促进学生之间的合作，提高学生的合作能力和团队意识，为他们未来的职业生涯打下坚实的基础。学生参与及部分作品如图4 所示。

5 考核

课程考核包含实验考核和过程考核，最终归到总成绩评定。其中，本课程共有4 个实验，均为必做。实验考核由出勤与纪律、实验任务完成情况和实验报告质量3 个环节组成，成绩以百分计，满分100 分。考核要求见表1。

表2 成绩评定考核Table 2 Performance evaluation

本课程成绩评定环节包括过程考核和期末考试，总评成绩以百分计，满分100 分。考核要求见表2。

6 结束语

随着国家的快速发展，传感器的需求和应用越来越多，传感器类技术人才的需求也越来越多，为适应需要对传感器原理与应用课程教学进行改革，以便使学生从被动学习到主动学习，被动理解到主动思考。本文从理论课和实验课两方面探讨了采用NI Multisim 电路仿真软件、LabVIEW虚拟仪器及NI Elvis 虚拟实验室，构建虚实结合、理论和实践互补的传感器原理与应用教学设计，使该门课程教学易学、易懂、概念具体，工程应用直观。以上对于该课程教学方法的探讨，在教学中取得了良好的效果，学生学习内容增加，兴趣和动力得以提高，同时培养和锻炼了学生的创新能力，使他们在学校接触和使用到工程实际中应用的先进设备，满足岗位需求，也达到了该课程的教学目标。