基于優(yōu)秀科研成果構(gòu)建綜合性實驗教學平臺探索與實踐

楊繼森，張 靜，江中偉，李宏偉

（重慶理工大學 重慶市時柵傳感及先進檢測技術(shù)重點實驗室，重慶 400054）

普通高校應(yīng)屆畢業(yè)生工程實踐能力缺乏［1－4］已經(jīng)成為一個共性問題，不僅影響學生的就業(yè)，而且工程技術(shù)人才的缺乏，將影響國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路，也容易引起其他的社會問題［5－7］。課程設(shè)計是高等學校本科教育實踐教學環(huán)節(jié)的重要組成部分，是強化學生工程實踐能力，進一步推進教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的重要環(huán)節(jié)［8－9］。課程設(shè)計可以從多個方面提高學生的工程實踐和綜合應(yīng)用能力［10－11］：一是提高學生理論應(yīng)用能力，對所學課程從全局角度進行概括、總結(jié)，實現(xiàn)對課程的歸納、提高和升華，通過實現(xiàn)質(zhì)的飛躍；二是提高學生的工程實踐動手能力，強化實踐應(yīng)用，訓練對理論知識的實際運用，培養(yǎng)工程設(shè)計理念和解決實際問題的本領(lǐng)；三是提高學生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學生獲取信息、查閱資料的能力，以及嚴謹治學、一絲不茍、百折不撓的科學精神和團隊協(xié)作精神。

1 現(xiàn)狀分析

測控技術(shù)與儀器作為重慶理工大學電子信息與自動化學院的一個品牌學科，是機械、電子、計算機等多學科互相滲透而形成的一門高新技術(shù)密集型綜合學科，其專業(yè)主干課程包含了“電子技術(shù)”、“測控電路及裝置”、“精密機械設(shè)計”、“電子測量技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用”、“EDA技術(shù)”、“傳感器技術(shù)”、“計量技術(shù)”、“精密測量技術(shù)”、“儀器精度設(shè)計”、“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”、“信號與系統(tǒng)”、“智能儀器設(shè)計”等，這些課程中大部分都開設(shè)了相應(yīng)的課程設(shè)計。但是根據(jù)學生參加全國大學生電子設(shè)計競賽、“挑戰(zhàn)杯”大學生系列科技學術(shù)競賽、創(chuàng)新實踐訓練的情況以及平時的交流反饋可以看出，課程設(shè)計雖然“數(shù)量”達到了一定的要求，但是還普遍存在以下幾個比較明顯的問題：

（1）課程設(shè)計內(nèi)容缺乏工程實踐性，較多的課程設(shè)計對象往往都是根據(jù)教學內(nèi)容虛擬的，學生缺乏感性認識，體會不深，一提課程設(shè)計，學生感覺都是仿真。

（2）課程設(shè)計內(nèi)容不成體系，沒有延續(xù)性，學生幾乎是學一門忘一門，經(jīng)過4年的學習還不能對自己所學的專業(yè)建立一個系統(tǒng)的概念。

（3）研究性不強，實用性不足，學生不能從課程設(shè)計體會到該課程知識的具體應(yīng)用，使學生有種“霧里看花”的感覺。

（4）課程設(shè)計內(nèi)容單一，大部分僅僅局限于本課程的知識點，不能較好地體現(xiàn)目前科學技術(shù)發(fā)展的多學科交叉趨勢。

“時柵傳感技術(shù)”作為一項原創(chuàng)的科學技術(shù)發(fā)明，經(jīng)過近20年的發(fā)展，獲得國家自然科學基金重大項目、國家“863”項目、國家重大儀器專項等眾多國家科研項目的支持［12－13］。研究成果“時空坐標轉(zhuǎn)換方法與時柵位移傳感器研究”獲得2005年“重慶市技術(shù)發(fā)明一等獎”、2007年“中國專利金獎”，“基于測量基準時空轉(zhuǎn)換技術(shù)的時柵位移傳感器”獲得2010年“國家技術(shù)發(fā)明二等獎”，并與國內(nèi)精密量儀行業(yè)的龍頭企業(yè)——哈爾濱量具刃具集團公司合作組建公司專門開發(fā)生產(chǎn)時柵系列化產(chǎn)品。

“時柵傳感技術(shù)”融合了機械、電子、計算機等先進技術(shù)的典型現(xiàn)代傳感技術(shù)，包含了大部分測控技術(shù)與儀器專業(yè)的主干課程的相關(guān)理論知識，非常適合作為測控技術(shù)與儀器專業(yè)的課程設(shè)計教學平臺。該平臺不僅可以包含“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用”、“EDA技術(shù)”、“智能儀器設(shè)計”等實踐性較強的課程，還可以包含“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”、“信號與系統(tǒng)”、“精密測量技術(shù)”等理論性較強的課程，而且可以將大部分主干課程的課程設(shè)計統(tǒng)一到一個完整的科研型教學平臺，所有課程設(shè)計的完成流程就是一個完整的時柵傳感技術(shù)的信號處理流程。課程設(shè)計的內(nèi)容將更加具體，所有的設(shè)計對象都“看得見、摸得著”，整個過程就是一個簡化的時柵位移傳感器樣機的研制過程，更具有工程實踐性。課程設(shè)計圍繞一個綜合性實驗平臺，更加成體系，更具有延續(xù)性，也體現(xiàn)了學科知識的交叉性。整個平臺來源于多年的科研項目，課程設(shè)計的內(nèi)容具有一定的研究性質(zhì)，可以讓學生親身體會到課程理論知識的具體應(yīng)用，提高學生的學習積極性、主動性與學習熱情，切實提高教學質(zhì)量。

2 時柵傳感技術(shù)

“時柵傳感技術(shù)”源于重慶理工大學彭東林教授提出的“以時間量間接測量空間量”的學術(shù)思想［7］，根據(jù)此思想，研制了用于精密位移測量的時柵位移傳感器。時柵位移傳感器利用類似于交流電機中的以速度V勻速運動的旋轉(zhuǎn)磁場作為基準，定測頭Ps固定不動，而動測頭Pd將跟隨被測物轉(zhuǎn)動。當旋轉(zhuǎn)磁場勻速地掃描過定測頭Ps和動測頭Pd時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，定測頭與動測頭將分別感應(yīng)出電信號Ss和Sd，由于旋轉(zhuǎn)磁場的勻速特性，定測頭與動測頭之間的空間位移差θ可以通過測量定、動測頭感應(yīng)出的感應(yīng)信號Ss和Sd之間的相位時間差Δt獲得 （θ＝V×Δt），而2信號之間的相位時間差可以通過高頻、高精度的時鐘插補技術(shù)精確求得，其原理如圖1所示。

圖1 時柵技術(shù)原理

基于“時柵傳感技術(shù)”的時柵角傳感器是一個高精度的角位移測量產(chǎn)品，精度高達0.8″。經(jīng)過多年的設(shè)計開發(fā)，目前該產(chǎn)品已經(jīng)高度集成化。為了建立圍繞時柵傳感技術(shù)的課程設(shè)計教學平臺，根據(jù)時柵傳感技術(shù)的信號處理流程對時柵傳感技術(shù)進行功能模塊的分解，可以分為7個基本模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 時柵傳感技術(shù)處理模型

3 圍繞“時柵傳感技術(shù)”的課程設(shè)計綜合型實驗教學平臺設(shè)計

基于圖2所示的時柵傳感技術(shù)功能模塊模型，根據(jù)時柵傳感技術(shù)的信號處理流程，設(shè)計了“一條主線、七個基礎(chǔ)、一個綜合”的綜合型課程設(shè)計實驗教學平臺。“一條主線”主要指以時柵傳感技術(shù)的信號處理流程為教學平臺的設(shè)計主線，“七個基礎(chǔ)”是指根據(jù)時柵傳感技術(shù)的7個功能模塊開展的7個基礎(chǔ)性課程設(shè)計項目，“一個綜合”是指綜合整個時柵傳感技術(shù)而開展的綜合性課程設(shè)計項目。平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于時柵傳感技術(shù)課程設(shè)計平臺示意圖

從整個教學平臺的示意圖可以看出7個功能模塊對應(yīng)7個基礎(chǔ)性課程設(shè)計項目，這7個課程設(shè)計涵蓋了本專業(yè)的大部分主干課程的知識點，另外一個綜合性的課程設(shè)計不再局限于功能模塊的范疇，而是統(tǒng)觀時柵傳感技術(shù)的全局。另外也可以看出，各個課程設(shè)計不同于以往內(nèi)容單一的課程設(shè)計，每一個課程設(shè)計項目都是以一門課程知識點為主，涉及多門課程知識點的“綜合性”課程設(shè)計，每個課程設(shè)計項目前后相互連貫、相互延續(xù)，具有更強的針對性與實用性。

3.1 時柵傳感器三相激勵信號設(shè)計

該課程設(shè)計項目是以“EDA技術(shù)”課程主體，融合了“電子技術(shù)”、“測控電路及裝置”等課程的知識點，主要內(nèi)容是時柵傳感器的高精度三相激勵信號設(shè)計。三相激勵信號相互正交，互差120°的相位角。該模塊主要是利用EDA技術(shù)中的經(jīng)典用法——直接數(shù)字合成器（DDS）技術(shù)設(shè)計出三相數(shù)字正弦信號。三相信號經(jīng)過后級的D／A模塊與功率放大模塊輸出標準的三相激勵信號A、B、C。為保證三相激勵信號的嚴格正交性，采用數(shù)字閉環(huán)控制技術(shù)，將輸出的三相激勵信號經(jīng)過處理后反饋到DDS單元，構(gòu)成具有自動調(diào)整功能的高精度三相激勵信號單元，結(jié)構(gòu)原理見圖4。

圖4 三相激勵信號

3.2 時柵傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

時柵傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)是時柵傳感器的定子、轉(zhuǎn)子以及動、定線圈設(shè)計，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，定子線圈、轉(zhuǎn)子線圈分別感應(yīng)出信號Ss、Sd，結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。該模塊課程設(shè)計項目內(nèi)容以“精密機械設(shè)計”課程為主體，涉及了“儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計”、“大學物理”等課程。

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3 時柵傳感器前端信號調(diào)理模塊設(shè)計

該模塊課程設(shè)計項目以“電子技術(shù)”、“精密測量技術(shù)”為主體，主要實現(xiàn)對時柵傳感器的定子及轉(zhuǎn)子線圈感應(yīng)信號Ss、Sd進行放大、濾波、整形處理，將感應(yīng)出的正弦信號處理成方波信號，以便進行數(shù)字化處理，處理過程如圖6所示。

圖6 前端信號調(diào)理

3.4 時柵傳感器時鐘插補模塊設(shè)計

該模塊課程設(shè)計項目主要以“EDA技術(shù)”為主體，利用EDA，采用精度時鐘插補技術(shù)實現(xiàn)時柵傳感器動、定測頭信號的數(shù)字相位測量，原理如圖7所示。

圖7 基于FPGA的數(shù)字化比相

3.5 時柵傳感器數(shù)據(jù)分析與誤差處理

傳感器數(shù)據(jù)分析與誤差處理模塊課程設(shè)計以“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”為主體，涉及了“DSP技術(shù)”、“信號與系統(tǒng)”等課程，主要是在嵌入式處理器DSP中，實現(xiàn)諧波誤差分析與擬合算法，實現(xiàn)傳感器的誤差分析與處理，原理如圖8所示。

圖8 基于DSP的數(shù)據(jù)分析與誤差處理

3.6 時柵傳感器接口轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

接口轉(zhuǎn)換模塊課程設(shè)計項目以“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用”、“信號與系統(tǒng)”課程為主體，主要是利用嵌入式ARM處理器平臺，采用預測算法將傳感器的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成增量信號、SSI、ENDAT等多種形式輸出，以滿足工業(yè)現(xiàn)場的各種需求，原理如圖9所示。

圖9 基于ARM的接口轉(zhuǎn)換

3.7 時柵傳感器數(shù)顯裝置模塊設(shè)計

數(shù)顯裝置模塊課程設(shè)計項目以“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用”課程為主體，實現(xiàn)時柵傳感器控制電氣箱的按鍵輸入、數(shù)據(jù)顯示等功能，原理如圖10所示。

圖10 基于ARM的數(shù)顯裝置

3.8 誤差處理與智能化設(shè)計

該模塊作為綜合性的課程設(shè)計項目，知識點眾多，涉及了多門課程，包括“智能儀器設(shè)計”、“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”、“精密儀器設(shè)計”等。每門課程都幾乎涵蓋了多個方面，單一的模塊設(shè)計并不能讓學生真正體驗到課程知識的真正內(nèi)涵。進入綜合性課程設(shè)計模塊時，已經(jīng)完成前面的7組基本型課程設(shè)計模塊，時柵傳感器基本成型。此時，在綜合課程設(shè)計時，可以站在整個儀器設(shè)計的高度來考慮儀器的誤差處理與智能化設(shè)計問題。從一臺儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、信號處理、數(shù)據(jù)分析等部分進行綜合性的考慮，才能達到真正有所了解。在該模塊的課程設(shè)計之中，可以從儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計開始，對前面所做的課程設(shè)計內(nèi)容進行逐項分析，分析其設(shè)計精度對傳感器的測量誤差的影響以及如何進行誤差分離，并對誤差處理進行有效的分析與處理，達到對誤差進行修正與補償。可以在前端信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)分析與處理、接口轉(zhuǎn)換等實現(xiàn)自調(diào)零、自校準、自診斷功能，使學生從技術(shù)方案的細節(jié)切實體會儀器智能化的真正精髓。

4 綜合性實驗教學平臺的實施

本次教學改革將科研成果“時柵傳感技術(shù)”引入到本科實踐教學體系，由于涉及的課程眾多，難度較大。根據(jù)理論與實踐相結(jié)合的指導思路，實行以點到線，再由線到面，逐步推進的開展方式。實施方案見圖11。

圖11 實施方案步驟

以本專業(yè)創(chuàng)新實驗室的部分學生作為“點”，先在這部分“點”中開展，利用學生的課余時間，按模塊完成7個基礎(chǔ)性的課程設(shè)計模塊與一個綜合性課程設(shè)計模塊。再根據(jù)學生的反饋情況，進一步對模塊劃分、課程設(shè)計內(nèi)容以及考核方式等進行優(yōu)化，完成初步的教學改革方案。再由“點”到“線”，在本專業(yè)的普通學生中進行推廣，進行專業(yè)試點。再根據(jù)反饋情況，對各方面的內(nèi)容進行修訂與完善，形成完整的改革方案。最后以“線”到“面”，在本專業(yè)實踐教學體系中開展。

在全面開展的過程中，可以在相關(guān)理論課堂的緒論部分明確提出該課程的課程設(shè)計任務(wù)，利用傳感器實物和視頻資料進行功能分析，并對設(shè)計任務(wù)合理地進行分解，讓學生帶著具體的任務(wù)進行本課程的學習。學生可以在整個學習的過程中學習、構(gòu)思整個課程設(shè)計的方案，課余時間也可以和相關(guān)指導教師進行方案和技術(shù)討論。

5 結(jié)束語

以科研成果反哺教學是科學研究的一項本質(zhì)工作。根據(jù)我校的實際情況，將“時柵傳感技術(shù)”全面引入到我校測試計量技術(shù)及儀器本科專業(yè)的實踐教學體系，構(gòu)建綜合性實驗教學平臺，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力為目標，不斷拓寬實踐教學內(nèi)容，構(gòu)建研究型實驗教學模式，促進科研成果向教學成果的二次轉(zhuǎn)化。

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