傳感器與虛擬儀器課程群建設初探

王昊 孔令榮 竇如鳳

摘 要：實踐教學作為應用型本科教育體系中的必備環節，對人才質量培養具有重要影響。文章將傳感器與虛擬儀器等課程協同打造課程群，以項目化為主線，借助Labview軟件和NI myDAQ數據采集卡，豐富實踐內容、細化實踐層次，考核向實踐傾斜，打破原有教學實踐環節固化和薄弱的現狀，進一步完善學生應用能力和創新能力培養，坐實應用型本科人才培養。

關鍵詞：傳感器；虛擬儀器；項目化

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）07-0042-02

“傳感器與檢測技術”是南京理工大學泰州科技學院電子信息工程專業一門重要的專業必修課程。課程重點講授傳感器的工作原理與使用方法，旨在培養學生傳感器選型和系統設計應用的能力。隨著信息技術的飛速發展，傳感器作為信息采集、處理、分析的前端，在人工智能、大數據、物聯網等領域發揮著越來越重要的作用。因此，如何更好地開展傳感器教學，拓展學生的應用和創新能力，適應重點領域的發展，成為教學改革的重點。

一、傳感器課程教學現狀

“傳感器與檢測技術”課程采取理論教學和實踐教學兩步走模式，即先講解傳感器原理，后傳感器實踐教學。傳感器原理講解，主要講述各種傳感器內部結構、工作原理。傳感器實踐教學，則依托浙江大學開發的教學儀器產品CSY 3000型開展。隨著國家對應用型本科建設的推進和對創新型人才需要的增長，現有的教學模式已經不能適應，主要表現在以下幾方面。

（一）知識分散，與實際缺乏關聯性

理論教學知識點多而且分散，存在教師講得費力，學生接受較少的問題。同時，書本中傳感器與實際使用的傳感器型號缺檔，造成學生應用障礙。

（二）實踐單一，缺乏創新性

CSY 3000型實驗平臺與微機數據接口能力較弱；學生實踐過程中更多是按實驗指導書要求進行接線，無法培養數據處理能力，且存在實踐內容單一、模式固化問題，不能很好地發揮學生的主動性和創造性。

（三）課程孤立，缺少聯動

數據采集電路設計是傳感器應用的重點內容，涉及“數字邏輯電路”“模擬電子線路”等課程知識。現有課程無法開展數據處理電路設計，造成與其他課程聯系薄弱，影響學生綜合應用能力培養的效果。

二、課程群建設思路

課程群建設，是將與傳感器相關的課程進行一體化建設，發揮群優勢，在教學內容和模式上進行改革，更好地進行應用型人才培養。傳感器與虛擬儀器課程群建設，緊隨學校應用型人才培養要求，按照“虛實結合”的教學模式[1]，以項目化為主線，強化學生實踐能力，落實應用型本科人才培養要求。

建設中，引入現今主流的虛擬儀器技術，構建“傳感器與檢測技術”“虛擬儀器技術”“檢測技術綜合實訓”課程群。“傳感器與檢測技術”側重傳感器原理講解；“虛擬儀器技術”側重軟件操作和數據采集講解；“檢測技術綜合實訓”須同時運用傳感器、虛擬儀器、數電、模電知識，完成傳感器數據采集、數據處理、數據分析和數據顯示整套實踐過程，做到“教—學—做”一體。

三、虛擬儀器平臺

對原有的傳感器實驗室進行改造，增設虛擬儀器平臺：Labview軟件和NI myDAQ 數據采集卡。借助該平臺，完成傳感器信號接收、調理、整形、轉換、過濾，微機處理整套流程。

（一）Labview軟件

Labview軟件，使用圖形化編輯語言G語言編程，集成各種用于創建、修改和調試VI程序的工具，大大提高了編程效率[2]，為學生開展檢測技術綜合實訓提供軟件編程支撐。

（二）NI myDAQ數據采集卡

NI myDAQ數據采集卡，具有模擬輸入/輸出、數字輸入/輸出、音頻、電源和數字萬用表函數功能，可提供8種基于計算機的實驗室儀器。其與Labview軟件結合，可完美實現傳感器數據采集、處理、分析和顯示的功能。對于基礎的傳感器實驗，單個的NI myDAQ數據采集卡即可完成連線操作；對于提高的傳感器實驗，連線較多，則可借助配套面包和NI myDAQ協同工作，很好滿足創新型人才培養的需求[3]。

四、構建“虛實結合”的課程群教學模式

“虛實結合”，即利用虛擬儀器這一虛擬仿真平臺，坐實應用型創新人才培養。借助項目化，串接“傳感器與檢測技術”等三門課程；借助虛擬仿真平臺的通用性、多樣性，完善實驗項目。

（一）項目驅動，貫穿課程群體系

項目驅動，在教師的指導下，將一個相對獨立的項目交由學生完成。學生以團隊的形式，收集信息，設計方案，項目實施并進行最終評價[4]。具體實施方法包括“項目導入”“實施計劃”和“展示與評價”三個環節，以此增強教師、學生互動，提升學生學習能力和興趣。

1.“項目導入”環節，教師引導。“傳感器與檢測技術”課程教學，設置項目案例。圍繞案例講解傳感器的原理、結構、使用方法，提升課堂的生動性、活潑性，激發學生學習興趣和主體性。然后導入項目任務及目標，讓學生自主查詢具體的傳感器型號，完成自主項目案例設計。

2.“實施計劃”環節，學生為主。學生通過自主學習、小組協作學習等方式，對項目的任務目標進行分析，完成項目初始設計，包括傳感器選型、外部采集電路設計等。“檢測技術綜合實訓”課程中，帶著做好的項目方案，借助虛擬儀器平臺，完成硬件設計和軟件設計，進行調試，觀察實驗效果。

3.“展示與評價”環節，教師與學生互動。學生利用虛擬儀器平臺展示自己的項目成果，然后接受他人的評價和教師的反饋。同時，學生在匯報和聽取同學匯報的過程中，通過對比自己與其他同學的成果，查找不足，反思其成敗。

以光電傳感器教學為例，設置項目案例：智能路燈控制系統。為什么路燈白天自動關閉，天黑自動打開？激發學生學習欲望。教師講解系統實現過程，核心器件光電傳感器的工作原理，然后布置任務：學生給出自主智能路燈實現方案。學生根據自己的方案借助網絡、圖書館查閱實際光電傳感器產品，引腳功能，設計傳感器外圍電路。實訓課程中，利用Labview軟件完成界面設計、程序編寫，面包板上搭建傳感器和外圍電路，NI myDAQ配置端口采集信號，觀察實驗現象。有效解決了原傳感器實踐教學“插線式”和任務雷同問題。

（二）實驗分梯度，注重創新型人才培養

學生接收知識并應用需要一個過程，并且每個學生經歷這一過程的時間有長短之分。針對學生掌握知識的情況，實驗設置注重階梯難度，分為基礎性和綜合性實驗。基礎性實驗，學生邊學邊做，除完成基本功能外還需完成擴展功能，訓練單個傳感器項目模塊。例如，在講解溫度傳感器時，引入室內測溫項目案例。學生結合單個溫度傳感器完成基礎測溫實驗。能否設置超閾值報警判斷溫度過高或過低？過高，能否控制電機轉動降溫；過低，能否控制電阻絲加熱升溫，在基本功能實現后，通過設置實驗，拓展學生思維，讓單個項目模塊更貼近生活、生產實際。綜合性實驗，變單個傳感器為多傳感器項目應用。例如，引入智慧農業智能大棚項目案例。項目要求：滿足大棚內的植物自動灌溉、自動采光要求。需要學生自主完成傳感器選型，多傳感器數據處理，系統界面開發等工作。功能實現后，能否自主進行大棚功能拓展，完成相應電路和程序設計。一步一步，層層深入，綜合考查學生對溫度傳感器、濕度傳感器和光電傳感器等工作原理和應用的掌握情況。

傳感器應用系統從單傳感器向多傳感器飛速發展。借助虛擬儀器平臺極強的開放性和與多傳感器結合的便利性，更好地培養學生能夠自制、擴展、創造，搭建自己的傳感器檢測系統能力，讓學生發揮自己的創意，根據自己特點打造相應的電子系統或產品，挖掘學生的個性化和創新性。

（三）課程聯動，打通知識壁壘

加強傳感器課程與數字邏輯電路、模擬電子線路等課程的銜接。理論教學加強數據處理電路原理講解，特別是信號放大電路、模數轉換電路、惠斯通電橋電路等講解。實踐教學，要求學生在面包板上利用電子元器件、杜邦線搭建簡單的數據處理電路[5]。因此，從理論到實踐，時刻需要數字邏輯電路、模擬電子線路等課程知識，讓學生活學活用，避免知識點、各課程之間的脫節。

（四）學生考核改革，向實踐能力傾斜

傳統的傳感器課程，采用標準試卷，一卷定分，更多注重知識記憶的考察，忽視了應用能力的考察。課程群建設中，三門課程聯合考察。綜合理論和實踐兩大部分，給出最終成績，避免之前一卷定分的弊端。同時加大實踐能力考核權重，對完成綜合實驗，并能夠自主進行實驗功能擴展的學生采用加分機制，鼓勵學生實踐多動手，多動腦。

傳感器與虛擬儀器課程群建設，以項目化貫穿教學始終，增加實踐課程學分比重，學生考評向實踐能力側重，有效提升學生主動參與學習的興趣，培養學生傳感器的應用能力，虛擬儀器軟件的編程操作能力和軟硬件電路聯合設計的能力。此外，隨著實踐教學的深入，教師也在提升自身工程實踐能力，實現向“雙師雙能型”轉型，真正實現教學相長。

參考文獻：

[1]李菲.傳感器實驗教學模式的探索與改革[J].中國現代教 育裝備，2014，（1）.

[2]蘭明.基于LabVIEW的傳感器測試實驗平臺設計與實現 [J].江西科技師范大學學報，2014，（6）.

[3]樂建華，黃家才.檢測技術與虛擬儀器實驗室建設[J]. 實 驗室研究與探索，2016，（12）.

[4]張鵬，吳東艷，張凌志.項目教學法與傳感器課程改革探 索[J].中國電力教育，2014，（5）.

[5]尤麗華，周洋.基于虛擬儀器的測試技術實驗教學系統建 立[J].實驗技術與管理，2011，（2）.