三維融合項(xiàng)目式教學(xué)在傳感器課程中的應(yīng)用

任亞飛 姚雷博 郭超

摘 ?要：以自動(dòng)化本科專業(yè)中傳感器課程教學(xué)為例，基于培養(yǎng)面向建材行業(yè)、智能制造及相關(guān)企業(yè)的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才為目標(biāo)，采用“立德樹人+專業(yè)特色+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”三維融合項(xiàng)目式教學(xué)，結(jié)合地方特色企業(yè)和校企聯(lián)合項(xiàng)目，針對(duì)傳感器在工程檢測(cè)過(guò)程中的主要四大物理參量來(lái)選用課程項(xiàng)目案例，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維方式，逐步建立解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：三維融合;項(xiàng)目式教學(xué);傳感器;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

中圖分類號(hào)：TP212;G434 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）05-0196-03

Application of Three-Dimensional Fusion Project Teaching in Sensor Course

REN Yafei， YAO Leibo， GUO Chao

（School of Electrical Engineering and Automation， Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang ?471023， China）

Abstract： This paper takes the teaching of sensor course in automation undergraduate specialty as an example， based on the goal of cultivating high-quality applied engineering and technical talents for facing building materials industry， intelligent manufacturing and related enterprises， adopts the three-dimensional fusion project teaching of “Building Morality and Cultivating Talents + Professional Characteristics + Innovation and Entrepreneurship”， combined with local characteristic enterprises and schools enterprises joint project. According to the four main physical parameters of sensors in the process of engineering detection， the course project cases are selected， and it cultivates students systematic thinking mode， and gradually establishes the ability to solve complex engineering problems.

Keywords： three-dimensional fusion; project teaching; sensor; innovation and entrepreneurship

0 ?引 ?言

傳感器原理與應(yīng)用是應(yīng)用型大學(xué)本科專業(yè)自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、電子科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等的專業(yè)課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握傳感器的檢測(cè)原理、轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)處理等知識(shí)，熟悉各類傳感器的典型工程應(yīng)用及基本設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制理論、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的傳感器課程教學(xué)存在多方面的問(wèn)題，教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)內(nèi)涵提升困難，學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，學(xué)習(xí)目標(biāo)有所差異，課堂參與度不高，課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度不高。主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）教學(xué)過(guò)程中偏重內(nèi)容的傳輸，育人目標(biāo)不夠系統(tǒng);（2）教學(xué)內(nèi)容弱化學(xué)習(xí)的深度，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握相對(duì)表淺;（3）以學(xué)生為本的教學(xué)中心不穩(wěn)，大班如何實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂落地;（4）線上學(xué)習(xí)效果存在差異，混合課堂的線上線下如何協(xié)調(diào)。

綜合以上教學(xué)痛點(diǎn)，結(jié)合高校新工科的發(fā)展熱點(diǎn)，提出基于“立德樹人+專業(yè)特色+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”的三維融合項(xiàng)目式教學(xué)在傳感器課程教學(xué)中的應(yīng)用，力求課程體系持續(xù)不斷地改進(jìn)，努力解決這些教學(xué)問(wèn)題，找到解決問(wèn)題的辦法本質(zhì)上就是創(chuàng)新。

1 ?“立德樹人+專業(yè)特色+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”的三維融合

“立德樹人”的視角是以學(xué)生為中心，以人為中心，對(duì)學(xué)生基本思維方式、復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力、擔(dān)當(dāng)精神等方面進(jìn)行培養(yǎng)。“立德樹人”要求的應(yīng)該是培養(yǎng)有德行、有才學(xué)、有根基、有格局的時(shí)代新人，因此腳踏實(shí)地才是硬道理。

實(shí)地必然是“專業(yè)特色”，以自動(dòng)化本科專業(yè)為例，以培養(yǎng)面向建材行業(yè)、智能制造及相關(guān)企業(yè)的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才為目標(biāo)。“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”要圍繞建材行業(yè)、智能制造積極展開，立足于產(chǎn)學(xué)研合作，關(guān)注當(dāng)前行業(yè)發(fā)展，面向行業(yè)未來(lái)發(fā)展。

所謂三維融合，淺表考慮不同教學(xué)目標(biāo)的融合，深度則是推進(jìn)智慧教育，提高教師現(xiàn)代教學(xué)理念與教育深度融合的能力，積極探索三維融合的新形態(tài)，開展項(xiàng)目式教學(xué)模式應(yīng)用，推動(dòng)高校智慧教育教學(xué)。

2 ?項(xiàng)目式教學(xué)應(yīng)用

2.1 ?教學(xué)內(nèi)容重組

傳感器課程涉及知識(shí)面廣、內(nèi)容多、理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)，挑選和組織恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，基于“立德樹人+“專業(yè)特色+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”的三維融合，以檢測(cè)過(guò)程中的主要物理參量分類（力敏、熱敏、光敏、磁敏）為中心來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容可以基于教材，也可以高于教材，重點(diǎn)是要突出三維融合的特色。

從尋找新的檢測(cè)原理、開發(fā)新的敏感材料、采用新制作工藝或探索新應(yīng)用功能等開展基礎(chǔ)理論創(chuàng)新研究;將理論與工程實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，添加傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)，突出傳感器工作原理與檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的結(jié)合，構(gòu)成了從傳感器基本單元到檢測(cè)系統(tǒng)，以至檢測(cè)數(shù)據(jù)分析的全流程系統(tǒng)，保證教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和實(shí)用性。

教學(xué)內(nèi)容除了線下講授，應(yīng)結(jié)合線上內(nèi)容：視頻資源庫(kù)、綜合案例庫(kù)、思政案例庫(kù)、討論庫(kù)、在線測(cè)試題庫(kù)、優(yōu)秀作品展示庫(kù)進(jìn)行混合教學(xué)。上課前通過(guò)短視頻、在線習(xí)題、在線討論等完成知識(shí)的傳遞，在課內(nèi)基于問(wèn)題式、基于項(xiàng)目式、進(jìn)行研討式、知識(shí)內(nèi)化的翻轉(zhuǎn)課堂。總體以學(xué)生為認(rèn)知、以發(fā)展為中心，激發(fā)主體，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)貫穿始終的探索教學(xué)。

2.2 ?教學(xué)方案重組

教學(xué)方案應(yīng)從理論到實(shí)踐，講解由淺入深，循序漸進(jìn)的教學(xué)方式。建議采用遞進(jìn)式教學(xué)，提高學(xué)生的積極反應(yīng)、反思促進(jìn)、即時(shí)強(qiáng)化、共同目標(biāo)。

過(guò)程立足于項(xiàng)目，采用情景教學(xué)+小組研討，研討中采用講解式、提問(wèn)式的開展方法，鍛煉學(xué)生提出問(wèn)題能力、分析問(wèn)題能力、解決問(wèn)題完善性能力、對(duì)挑戰(zhàn)性問(wèn)題實(shí)踐能力。同時(shí)也提高了學(xué)生求知?jiǎng)恿εc探索精神、回答問(wèn)題情況及表達(dá)能力團(tuán)隊(duì)合作情況等。

問(wèn)題應(yīng)基于理論知識(shí)目標(biāo)、辯證思維能力目標(biāo)、立德樹人素養(yǎng)目標(biāo)，圍繞理論知識(shí)點(diǎn)、專題項(xiàng)目、核心設(shè)計(jì)等方面展開。從解決問(wèn)題的角度加強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題的深度;改善老師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間難以產(chǎn)生共鳴的問(wèn)題;讓學(xué)生以主體的形式，主動(dòng)參與教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。

2.3 ?考核方式重組

評(píng)價(jià)學(xué)生的表現(xiàn)，以學(xué)生是否形成相應(yīng)的能力作為評(píng)價(jià)核心，可以結(jié)合課程學(xué)習(xí)的過(guò)程、能力成長(zhǎng)、學(xué)習(xí)結(jié)果三個(gè)方面進(jìn)行考核。考核分為線上、線下考核，線上采用平時(shí)作業(yè)和測(cè)試題，線下采用PPT講解、小組答辯、考試等形式。

3 ?傳感器課程項(xiàng)目實(shí)踐

3.1 ?物理參量

以自動(dòng)化本科專業(yè)為例，基于培養(yǎng)面向建材行業(yè)、智能制造及相關(guān)企業(yè)的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才為目標(biāo)，項(xiàng)目案例結(jié)合本課程應(yīng)用的中心“立德樹人+專業(yè)特色+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”和地方特色，針對(duì)傳感器在工程檢測(cè)過(guò)程中的主要四大物理參量來(lái)選用課程項(xiàng)目案例：

（1）力敏傳感器，結(jié)合地方上建材行業(yè)——耐火材料研究院中耐火材料生產(chǎn)過(guò)程中的主要監(jiān)測(cè)參數(shù)壓力，選用全自動(dòng)耐火材料高溫抗折特性監(jiān)控系統(tǒng)為例。項(xiàng)目中采用高精度S型拉壓力傳感器和DY500智能數(shù)字變送器，對(duì)耐火材料在高溫下承受壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和傳送。

（2）熱敏傳感器，結(jié)合地方上建材行業(yè)——水泥廠的回轉(zhuǎn)窯中主要的監(jiān)測(cè)參數(shù)溫度，選用了水泥廠回轉(zhuǎn)窯無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)為例;結(jié)合校企聯(lián)合、社會(huì)熱點(diǎn)項(xiàng)目全自動(dòng)高精度紅外測(cè)溫門為例。項(xiàng)目中在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)采用熱電偶采集窯內(nèi)溫度，利用無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，在監(jiān)測(cè)控制端利用接收器對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線接收、處理和顯示。

（3）光敏傳感器，結(jié)合地方上智能制造——機(jī)械設(shè)備鋼球生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)鋼球的數(shù)目監(jiān)測(cè)采用光電觸發(fā)開關(guān)，選用全自動(dòng)鋼球數(shù)目監(jiān)控系統(tǒng)為例。項(xiàng)目中在設(shè)備框架上合適位置安裝工業(yè)光電接近開關(guān)，對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)段進(jìn)行準(zhǔn)確獲取，產(chǎn)生控制信號(hào)控制下一階段的系統(tǒng)操作。

（4）磁敏傳感器，結(jié)合地方上建材行業(yè)——耐火材料研究院中耐火材料生產(chǎn)過(guò)程中的主要監(jiān)測(cè)參數(shù)位移，選用全自動(dòng)耐火材料高溫膨脹特性監(jiān)控系統(tǒng)為例。項(xiàng)目中采用LVDT電感式自復(fù)位差動(dòng)變壓器作為高精度位移傳感器，自帶數(shù)據(jù)變送器，對(duì)耐火材料在高溫下膨脹后外形尺寸的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和傳送。

3.2 ?項(xiàng)目案例

下面以全自動(dòng)耐火材料高溫特性監(jiān)控系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，耐火材料生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 ?耐火材料生產(chǎn)工藝流程

該案例主要介紹酸性耐火材料粘土磚特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。粘土磚抗熱震性好，對(duì)酸性爐渣有抗蝕性，廣泛應(yīng)用在冶煉行業(yè)，砌筑高爐、回轉(zhuǎn)窯、煉鋼爐等。耐火材料物理性能包括：結(jié)構(gòu)性能、熱學(xué)性能（熱膨脹系數(shù)）、力學(xué)性能（耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度）、使用性能、作業(yè)性能等。

3.2.1 ?膨脹特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（1）全自動(dòng)耐火材料高溫膨脹特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，膨脹系數(shù)檢測(cè)原理為：若耐火材料在溫度為t0時(shí)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，溫度升高為t時(shí)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1。那么，膨脹量為：△L=L1-L0，線膨脹，平均線膨脹系。

圖2 ?膨脹特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)生成溫度與形變的曲線圖。測(cè)試環(huán)節(jié)溫度可以最高加熱到1 700 ℃，自動(dòng)控溫精度為1 ℃，該系統(tǒng)可用于檢測(cè)耐火材料在高溫荷重軟化作用下的膨脹形變以及抵抗能力。系統(tǒng)傳感器采用米郎LVDT電感式自復(fù)位差動(dòng)變壓器LVDT8-RS485-10 mm-SL，其外形結(jié)構(gòu)為外徑8 mm筆形回彈式，測(cè)量范圍10 mm，分辨率小于0.2 um。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：機(jī)器人、精密位移測(cè)量、玻璃生產(chǎn)檢測(cè)、汽車零件檢測(cè)，測(cè)量位移、形變、尺寸、振動(dòng)、膨脹等。敏感元件輸出信號(hào)可選擇二線制4～20 mA電流信號(hào)，數(shù)據(jù)變送器供電電壓5～15 V，采用RS485數(shù)字信號(hào)輸出16 bit。

3.2.2 ?抗折特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

全自動(dòng)耐火材料高溫抗折特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。抗折強(qiáng)度檢測(cè)原理依據(jù)以下公式：

其中，Re為常溫抗折強(qiáng)度（MPa）;Fmax為對(duì)試樣施加的最大壓力（N）;Ls為下刀口間的距離（mm）;b為試樣的寬度（mm）;h為試樣的高度（mm）

圖3 ?抗折特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)設(shè)備主機(jī)采用機(jī)械加荷、框架結(jié)構(gòu)，爐體耐高溫抗熱震性良好，控制系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)，傳感器采用S型拉壓力傳感器，量程50 kg，輸出靈敏度2.0 10% mv/v，最大負(fù)荷500 N。傳感器應(yīng)用領(lǐng)域有萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、料斗秤、吊鉤秤、包裝秤、皮帶秤等拉壓力測(cè)試儀器及自動(dòng)化設(shè)備。該測(cè)試系統(tǒng)主要用于耐火材料、陶瓷、玻璃、水泥等非金屬材料的三點(diǎn)彎曲高溫抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。

數(shù)字變送器供電電壓：直流24 V，功率<3 W，外接傳感器電壓：5～15 V，數(shù)據(jù)采集精度12位，通訊：RS485-ModbusRTU協(xié)議，模擬輸出：0～10 V或4～20 mA。

4 ?結(jié) ?論

綜合傳感器課程教學(xué)痛點(diǎn)，結(jié)合高校新工科的發(fā)展熱點(diǎn)，提出基于“立德樹人+專業(yè)特色+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”的三維融合項(xiàng)目式教學(xué)在傳感器課程教學(xué)中的應(yīng)用，力求課程體系持續(xù)不斷地改進(jìn)。本次應(yīng)用以項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為主線和載體進(jìn)行教學(xué)，聚焦若干挑戰(zhàn)性問(wèn)題進(jìn)行研討，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維與思維方式，逐步建立復(fù)雜工程問(wèn)題交叉融合能力，以及解決問(wèn)題的潛力，努力解決這些教學(xué)問(wèn)題，找到解決問(wèn)題的辦法本質(zhì)上就是創(chuàng)新。

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作者簡(jiǎn)介：任亞飛（1982—），女，漢族，四川成都人，講師，博士，研究方向：信號(hào)處理和傳感器。