基于虛實結合的傳感器原理與應用教學研究與探索

張 總，劉 哲，王春梅，王 輝

（蘭州工業學院 機電工程學院，蘭州 730050）

0 引言

《傳感器原理與應用》是測控技術與儀器專業一門重要的專業基礎課，在測控技術與儀器專業的課程體系中起到承上啟下的作用[1]，主要介紹了傳感器的一般特性、常見傳感器和新型傳感器[2]。也是其它如自動化、機械電子工程等專業一門比較重要的技術基礎課，根據測控技術與儀器專業培養目標及《傳感器原理及應用》教學訓練大綱要求，該課程的主要任務是通過課堂教學、實驗教學和課堂探討等環節，使學生了解傳感器的基礎知識和基本原理以及常見的工程應用，奠定傳感器的設計與應用思想、創新實踐和創新思維能力基礎。為將來從事測控專業的工程設計、改造和維修打下堅實的基礎。

1 現存問題

目前，教學中的突出問題主要反映在兩個方面。一是理論教學方式陳舊，以PPT 為媒體，教師主講學生輔聽的純理論知識灌輸類型，與工業現場所使用的傳感器聯系不夠緊密，學生感覺枯燥乏味，課堂的參與度不高，教學效果不好；二是實驗方式單調枯燥，實驗手段和設備落伍，缺乏設計性、綜合性要求，與工程實踐脫節嚴重。多數情況是按照實驗指導書機械完成，對于結果是否合理沒有思考，實驗報告也僅僅是現象的堆積，無理論分析和反思。整個過程中，學生只是一個驗證工具，完全缺乏自主性，學生思考不足。還因實驗條件的限制，學生參與度不夠全面，且實踐與理論教學脫節，學生的完整知識結構體系無法統一構建。

目前，由于各學校學時量的總體壓縮，該課程教學內容在有限的學時下更趨向側重傳感器的基礎理論，不可能開設大量的實踐課程。因此，如何提升和擴展理論及實踐教學效果，如何吸引并提升學生參與度及對所學知識的思考，是提高教學質量迫切需要解決的問題。本文從兩方面進行探索，一是從理論課入手，講授中采用Multisim 電路仿真軟件直觀顯示傳感器轉換電路后的輸出結果，使學生理解傳感器在工程實際中的應用；二從實驗教學入手，采用全新的ELVIS 實驗平臺，采用虛擬電路設計及實體硬件連接，提高學生的動手能力，做到學以致用。

2 虛擬設計在教學中的應用

NI Multisim 是一款以Windows 操作系統為基礎的電路仿真工具，可以交互式地搭建電路原理圖，利用其直觀的圖形界面，豐富的元件資源，眾多的虛擬儀表和完備的仿真分析，在NI Multisim 電路仿真的基礎上，結合教學實驗室虛擬儀表套件（ELVIS Ⅲ）的虛實結合方式應用于傳感器測量電路的理論教學中[3]。利用NI ELVIS Ⅲ平臺上搭建實際電路，其所包含的電路原理圖圖形輸入方式，學生可以很快進行電路繪制，進行捕獲、仿真和分析，理解其工作目標，圖像化的測量解決了學生對測量結果抽象、PPT枯燥、應用較為困難的問題，可以更深刻地理解和學習傳感器原理和應用的知識。

LabVIEW 是一種圖形化的編程語言的開發環境，廣泛地為工業界、學術界和研究實驗室所利用，其中內置了多種軟件標準的庫函數，可以依據工程任務或教學需求，方便地利用其圖形化的界面建立虛擬儀器，使得使用過程生動有趣，符合學生的學習特點[5]。

通過虛擬儀器結合NI ELVIS 虛擬儀器教學實驗套件，實現了教學儀器、數據采集和實驗設計一體化。由于體積小巧、便于攜帶，在理論教學過程中隨時作為教具使用，且相同于實驗實踐設備，因而學生便于參與，易于接受。NI ELVIS 包括硬件和軟件兩部分：硬件包括一臺可運行LabVIEW 的計算機和NI ELVIS 教學實驗操控工作臺；軟件包括LabVIEW 開發環境，是可以針對ELVIS 硬件進行程序設計的虛擬儀器軟件包[6]。NI ELVIS 與Quanser 不同板載卡構建成多個開放的實驗功能。開放性的軟硬件教學及實驗條件，使教師講授更加靈活，工程實例更加直觀，學生實驗實踐更加多樣，不再受教學硬件實驗的限制，可以自行虛擬設計實驗項目，硬件組件可以獨立重疊，實驗系統可以協同調試運行。這種教學方法可以充分發揮教師教學的靈活性和學生的主觀能動性，促進學生對知識的掌握，提高學生的動手能力、思考能力和解決問題的能力。

3 虛實結合、理論實踐互補的教學設計

傳感器原理與應用教學內容主要涵蓋3 部分：傳感器的工作原理與類型、轉換電路和應用舉例。其中，電路部分教學較為抽象，特別是工程實際應用，學生掌握較為困難，以電阻應變式傳感器理論課為例。

1）理論課教學

① 在復習傳感器的基本概念、傳感器的性能指標時，通過提問學生完成，內容以此部分重點和難點為提問點，促進學生對知識的復習。

② 新課引入：以近期涉及傳感器技術的熱點問題入手，結合國家發展重要文獻和網絡視頻資料，并加入思政內容，引領學生樹立正確的學習目標。為拉近學生與傳感器技術的距離，指出傳感器工作原理已經被學生很早接觸，且最為常用的傳感器是電阻式傳感器，降低學生對傳感器知識的陌生感，為學生提供一個參與學習的契機。

③ 內容講述：電阻式傳感器的基礎知識、原理及其結構，采用翻轉課堂的形式完成，參與人員通過隨機抽取產生，促進學生課前預習。講解過程中教師強調重點：電阻應變片的工作原理基于電阻應變效應，對于金屬導體，電阻變化率?R/R的應變效應為：

式（1）中，μ為材料的泊松系數；ε為應變量。對于金屬導體，把單位應變引起的電阻值相對變化k作為電阻絲的靈敏系數，其表達式為：

引入虛擬電路設計軟件ultisim，利用其所提供的壓控電阻來模擬應變片受力后電阻值的變化。操作過程中與同學一起查找并放置元件繪制電路，對電阻應變式傳感器原理和常用工作電路進行仿真；電阻應變片的壓控電阻等效電路及全橋仿真電路如圖1、圖2 所示。

圖1 金屬應變片仿真電路Fig.1 Simulation circuit of metal strain gauge

圖2 電阻應變片全橋仿真電路Fig.2 Full bridge simulation circuit of resistance strain gauge

④ 課程小結：總結課堂重難點知識，評價學生課堂表現，并布置相關習題。

實驗課是對理論知識的鞏固及提升，鞏固電阻應變片原理及理解電橋學習。因此，實驗教學同樣由理論課教師來指導，或者在理論課教師全程參與的模式下進行，培養學生動手能力的同時，可隨時解答實驗現象和強化理論知識，開設的電阻應變片半橋全橋性能實驗，鑒于學生動手能力層次不齊。實驗前，將實驗分成兩批次完成。

2）實驗課教學

動手能力較弱的同學在NI Elvis 實驗設備上，通過Quanser 機電一體化傳感器板并利用電位計加載砝碼完成電橋實驗。主要涉及實驗注意事項講解，理解實驗目標以及實驗基本操作。

圖3 簡易電子秤圖示Fig.3 Diagram of simple electronic scale

能力較強的同學，在掌握NI Elvis 實驗操作的基礎上，改變傳統一體化實驗臺使學生僅模仿實驗指導書連線、運行以及實驗指導書記錄現象的模式；探索由學生利用實驗室所提供的單橋和半橋應變片、運算放大器、滑動變阻器、電阻等電子元器件及鋼板尺及砝碼，結合Multisim 仿真電路圖，自己動手完成如圖3 所示的簡易電子秤，完成實驗報告冊并撰寫心得。

實際執行過程中，大部分同學提前就電子秤的制作進行了準備，也完成了NI Elvis 實驗操作。具有挑戰的課題，也有助于學生攻堅克難精神的培養，培養學生解決復雜問題的能力。

虛實結合、理論和實踐互補的傳感器使原本枯燥的理論教學和驗證性實驗轉化為貼近工業生產實際的一體化教學，且因材施教并充分發揮學生的主觀能動性，提高學生實際動手能力和想象力，也合理地利用了實驗設備資源。

4 課后教學延續

課程后設置涉及傳感器的小科技作品，學生通過市場調研，自主完成相關題目的傳感器選型、Multisim 測量電路的虛擬設計、基于NI ELVIS 和myDAQ 實物檢測平臺的搭建以及后續信號的采集和處理。最后，學生以兩人為一小組將作品成果以報告和實物的方式展現給指導教師和同學，并讓指導教師給出指導意見，同學參與互評。部分參考題目如下所示：

① 防盜報警器的設計

② 心率測量儀的設計

③ 肺活量測量儀的設計

④ 太陽能采暖控制器的設計

⑤ 電動車速度測量儀設計

⑥ 風速風向測量儀的設計

圖4 學生制作參與及部分作品Fig.4 Students' participation in production and some works

表1 實驗考核Table 1 Experimental assessment

⑦ 應變式加速度傳感器的設計

將傳感器原理與應用的學習內容融匯貫通到科技作品輸出，注重學生在參與項目的過程中對傳感器知識的繼續學習，理論與工程實踐有機結合，理論與實踐互補。一方面，幫助學生掌握理論知識，使理論與工程實踐有機結合；另一方面，可以通過做項目的方式促進學生之間的合作，提高學生的合作能力和團隊意識，為他們未來的職業生涯打下堅實的基礎。學生參與及部分作品如圖4 所示。

5 考核

課程考核包含實驗考核和過程考核，最終歸到總成績評定。其中，本課程共有4 個實驗，均為必做。實驗考核由出勤與紀律、實驗任務完成情況和實驗報告質量3 個環節組成，成績以百分計，滿分100 分。考核要求見表1。

表2 成績評定考核Table 2 Performance evaluation

本課程成績評定環節包括過程考核和期末考試，總評成績以百分計，滿分100 分。考核要求見表2。

6 結束語

隨著國家的快速發展，傳感器的需求和應用越來越多，傳感器類技術人才的需求也越來越多，為適應需要對傳感器原理與應用課程教學進行改革，以便使學生從被動學習到主動學習，被動理解到主動思考。本文從理論課和實驗課兩方面探討了采用NI Multisim 電路仿真軟件、LabVIEW虛擬儀器及NI Elvis 虛擬實驗室，構建虛實結合、理論和實踐互補的傳感器原理與應用教學設計，使該門課程教學易學、易懂、概念具體，工程應用直觀。以上對于該課程教學方法的探討，在教學中取得了良好的效果，學生學習內容增加，興趣和動力得以提高，同時培養和鍛煉了學生的創新能力，使他們在學校接觸和使用到工程實際中應用的先進設備，滿足崗位需求，也達到了該課程的教學目標。