《傳感器與控制》實驗教學改革探討

吳瓊水，張 錚（武漢大學電子信息學院，湖北 武漢430079）

在日常本科教學中，為了加深學生對傳感器及自動控制原理的理解，有條件的高校均開設了 《傳感器技術》和 《自動控制原理》2門實驗課程。從調查情況看，學生反映教學效果并不理想。主要原因是上述課程相互關聯，傳感器是信號獲取的源頭，而自動控制是根據獲取的信號來決定控制方法和策略，將兩者相互割離并不利于學生對知識的融會貫通，因此，學生反映2門課程的實驗難度較大，學生參與2門實驗課程學習的積極性不高。為了改變上述狀況，筆者根據多年教學實踐，針對上述實驗課程的教學進行了改革，即在開設 《傳感器技術》和 《自動控制原理》2門實驗課程的基礎上，單獨開設了 《傳感器與控制》實驗課程。下面，筆者對 《傳感器與控制》實驗教學改革進行闡述[1-2]。

1 完善實驗教學體系

根據教學內容和課程體系改革的要求，將傳感器技術和自動控制原理主要內容有機整合，重點放在物理信號的傳感器獲取以及開、閉環控制方法和策略的實踐教學上，培養學生深入理解掌握傳感檢測與自動控制共性技術、綜合運用所學知識進行 “系統”分析和設計的能力。結合自身專業特點以及實驗室條件，根據大綱要求，目前主要設置了5類實驗，即新型控制系統演示實驗、驗證性實驗、常規檢測與控制系統的設計實驗、綜合設計實驗和創新實驗。具體情況如下：①新型控制系統演示實驗。通過該類實驗向學生演示一些近年研制的傳感器與控制系統或其他一些價格昂貴無法大批量采購的系統。其目的是開拓學生的視野，讓學生了解該領域新技術新設備情況。②驗證性實驗。通過該類實驗讓學生熟悉自動控制系統的基本設計方法，掌握基本的實驗技能和實驗方法，增強學生學習的信心。③常規檢測與控制系統的設計實驗。通過該類實驗讓學生能夠設計一些日常生活以及工業生產中的基本傳感與控制系統，如人體入侵紅外報警器、煙霧報警器等，通過學生自己動手實踐，讓學生了解一般測量與控制儀器的基本設計制作方法。④綜合設計實驗。該類實驗是讓學生根據老師提出的題目或者自擬題目，完成方案設計、裝置制作與調試，從而培養學生進行系統分析和設計的能力。如恒溫水浴、直流電機勻速控制、無線遠程自動控制系統的設計等，可以讓學生綜合利用傳感器進行檢測、利用PID等策略進行反饋控制，從而提高學生進行整體系統設計能力。⑤創新實驗。該類實驗采用學生自擬題目、自定方案、自行制作調試、老師提供指導的方式來完成，因而具有有一定難度。設置該類實驗的目的是發掘學生的潛能，培養高素質創新型人才。分類型分層次的實驗設計，使實驗內容由淺入深，更適合學生認知水平發展規律，也能夠滿足不同層次學生學習需求[2]。

2 加強實驗室建設

《傳感器與控制》實驗是新開設的一門實驗課程，目前的實驗主要基于已有的CSY型傳感器實驗臺和TDN-ACS＋型自動控制原理實驗箱進行，因而在易用性和實驗體系上均存在很大不足，尤其是基于8088的匯編程序設計讓學生望而生畏。基于上述原因，課程組決定針對該實驗課程開發更加易于使用的實驗裝置，其中核心裝置由實驗教師負責開發，輔助裝置由學生在自主創新實驗中完成。

對于核心裝置，主要是開發主控卡和運行在計算機上的控制軟件。主控卡是一個功能復雜的信號調理與控制輸出卡，其具體功能如下：①對于模擬部分，能夠完成多路常規電壓輸入、毫伏電壓輸入、程控增益、程控單端輸入和差分輸入、A／D轉換、D／A轉換、溫度采集和波形發生等功能。②對于數字部分，能夠完成頻率計數、數字輸入輸出、PWM波形發生、USB計算機通信等功能。計算機上的控制軟件通過USB接口與主控卡進行通信，采集到的波形、數字狀態能夠在計算機上顯示出來，輸出波形頻率和特征能夠在計算機上進行編輯和設置，一些自控控制算法在計算機上實現。與以前基于8088的匯編程序設計不同，利用現有裝置，學生無需編寫代碼，只需根據輸入狀態設定參數即可完成一些基本的自動控制策略。如PID控制，學生只需要根據輸入信號波形與設定的偏差，手工計算PID參數并輸入計算機，即可按照設定的PID參數完成控制功能，從而把學生從復雜的匯編程序設計中解放出來，專注于自動控制方法的實現上。

對于輔助裝置，主要利用一些學生的優秀作品進行開發。學生自主創新作品能夠大大豐富實驗內容，改善實驗室的實驗條件。

3 改革教學方式

為了更好地開設該實驗課程，應借助多媒體和網絡逐步提高實驗教學效果和實驗室管理水平：①構建虛擬網絡實驗室。在虛擬網絡實驗室借助于Flash等動畫手段來進行相關實驗原理演示，也可以利用Java小程序在服務器上交互仿真一個控制過程，從而讓學生能夠更直觀地了解控制系統的特性。②建立師生互動平臺。老師可以通過該品將實驗要求提前發布，學生也可以通過該平臺向老師提問，提交創新實驗技術方案初稿與老師進行討論等，一些優秀學生作品也可以在平臺進行展示。③建立實驗室網絡管理系統。通過該系統，學生可以預約部分創新實驗時間和設備，老師也可以根據學生的申請進行統籌安排，從而提高實驗室管理效率。

4 革新考評體系

實驗教學目的是為了培養學生良好的實驗操作技能和嚴謹的研究素質，提高學生的科研能力，因而必須具有較完備的綜合評價考核體系，即根據實驗操作技能、實驗報告、綜合設計實驗等方面情況進行綜合考核。實驗操作技能可反映學生實驗操作基本功，占15%；綜合設計實驗可反映學生綜合實踐能力，占35%；實驗報告可反映實驗過程進展、實驗結果、思考與探索等內容，對培養學生一個良好的實驗習慣有重要作用，因而該部分占50%。除此之外，還可以單獨設立了創新性加分和團隊協作加分，創新性加分一方面是為了調動學生的創造積極性，另一方面也是對學生勞動的認可；團隊協作加分是為了鼓勵團隊協作。從學生反饋的情況來看，這種評分機制確實能夠調動學生參與實驗教學的積極性。

5 結 語

筆者根據多年教學實踐經驗，從教學內容、教學手段、實驗裝備、考評體系等對 《傳感器與控制》實驗教學進行了探討。實踐結果表明，通過 《傳感器與控制》實驗教學可以鞏固學生學習 《傳感器技術》與 《自動控制原理》的理論知識，對提高學生的學習興趣、培養學生的創新實踐能力具有重要作用。由于實驗課教學改革涉及面廣，在今后的教學實踐工作中，應加大探索力度，進一步提高實驗教學質量，為培養高素質復合型創新人才作出貢獻。

[1]秦嶺 .“傳感器與檢測技術”實驗教學改革探討 [J].中國電力教育，2010（1）：147-148.

[2]張懷，陳富軍，楊勇，等 .傳感器實驗教學改革的探討 [J].電腦知識與技術，2007（18）：1739-1740.