基于工業傳感器示教平臺的課堂教學改革

何赟澤 丁美有 王洪金 胡祥超 黃鵬翔

(1. 湖南大學 電氣與信息工程學院, 長沙 410082)

(2. 湖南德開物聯科技有限公司, 長沙 410013)

傳感器類課程是工學類專業的核心課程,理論與應用并重,在課程體系中具有舉足輕重的作用[1]。課程的教學目標是講授傳感器工作原理,培養學生運用傳感器解決實際問題的能力。除了課堂講授,還會安排課后實驗,包括電阻式、電容式、電感式和光電式等傳感器的測量和檢測實驗[1-2]。

當前,“以學生發展為中心”教學理念深入人心[3]。依據該教學理念,經過廣泛調研和分析自身差距,發現現在課堂教學普遍存在一個痛點問題:課堂知識用不好。具體表現在:課后實驗以驗證性為主,學生很難接觸到實際的工業傳感器及應用環境。而且,課堂教學和課后實驗是分開進行的,實驗教師不參與課堂教學,任課教師也很少參與實驗教學,課堂教學和實驗之間出現裂縫[4-5]。這些弊端導致學生在課堂教學中很難真實掌握工業傳感器的實際應用,這導致了學生解決工業環境復雜工程問題能力得不到很好的培養。近兩年受疫情的影響,教師們廣泛采用MOOC、SPOC[6]、超星爾雅[7]、雨課堂[8]等教學工具,更是影響了學生實踐能力的培養。因此,開發具有現場演示或遠程直播功能的傳感器示教平臺就顯得尤其重要。另外,現有的國內高校傳感器教學,大部分都是基于物聯網實驗平臺[9]或者虛擬教學實驗平臺[10]對傳感器實驗進行教學,對于物聯網實驗平臺而言,學生可以自己動手進行傳感器測量,但卻無法兼顧所有學生,不適合人數眾多的課堂;對于虛擬教學實驗平臺而言,學生可以在虛擬平臺上用傳感器進行測量,但卻無法看到真實的傳感器,也無法真實地參與到傳感器教學實驗中。

為了解決現在教學中的痛點問題,在提出“四維一貫”模型的基礎上,自主開發了具有知識產權的工業傳感器示教平臺,在課堂上創設工業教學環境,現場演示或遠程直播工業級傳感器的測量教學實驗,在課堂上培養學生的實踐能力和解決實際問題的能力。

1 “四維一貫”創新理念

在自身多年教學經驗積累的基礎上,創新性地提出“混合學習夯基礎-課堂實驗提能力-產學教研拓思維-糾錯辯論促升華-數據反饋知成效”的“四維一貫”(Four Dimensions and One Penetration, 4D1P)教學模型。如圖1所示,“四維”指混合式學習、工業傳感實驗、產學教研融合和糾錯辯論式總結等四個維度,目的分別是夯基礎、提能力、拓思維和促升華。“一貫”指貫通教學全過程的基于數據驅動的學教評價,目的是科學評估教學目標的達成度和教學環節的實際效果。

該理念重要的創新是設計工業級傳感器示教平臺,在課堂上創設工業教學環境,開展工業級傳感器互動實驗的教學方式,讓理論和實踐結合得更加緊密,讓學生把學到的傳感器理論知識用得更好。

2 開發示教平臺,創設實驗環境

為了在課堂上培養學生的實踐能力,自主開發了具有知識產權的工業傳感器示教平臺,在課堂上創設了工業教學環境,如圖2(a)所示,整個示教平臺由工業傳感器、硬件和軟件三部分組成。硬件部分包括采集終端和通信模塊兩部分,先通過采集終端采集傳感器實時數據,再通過通信模塊中的RS485和5G模塊將采集的數據分別傳輸到教師端和學生端電腦上;軟件部分是通過Python+PyQt編程將教師端電腦拍攝的操作視頻遠程直播給學生端電腦,并且還可以通過討論室功能與課堂上的學生們進行實時的聊天和文件傳輸。整個示教平臺的實物連接照片如圖2(b)所示。

(b) 示教平臺實物照片圖2 示教平臺

該示教平臺適用于工業級數字量傳感器和輸出為4～20 mA的工業級模擬量傳感器。筆者目前采購了十種工業級模擬量傳感器,如表1所示,這些傳感器基本覆蓋了《傳感與檢測技術》一書中大部分的傳感器知識點,傳感器照片如圖3所示。

表1 十種傳感器介紹

圖3 示教平臺傳感器展示

示教平臺硬件部分由采集終端和通信模塊組成,其主要功能是對傳感器數據進行采集和傳輸。采集終端是針對工業現場測量數字信號、模擬信號輸出控制而研制的多通道物聯網監測終端。采集終端由2通道模擬量輸入、2通道數字量輸入、RTC模塊、看門狗模塊組成。各個模塊采用TVS管和RTC進行保護,模塊與模塊之間采用級聯保護并采用多層PCB設計ESD接口保護。通信模塊由RS485通信模塊和5G模塊組成。RS485模塊的抗噪聲干擾能力強,可以將采集終端采集的數據通過USB接口高質量地傳輸到教師端電腦上;5G模塊大大提高數據傳輸的速度和質量,可以確保遠程實驗采集的數據可以實時地顯示在學生端電腦上。

示教平臺軟件部分是基于python和PyQt自主編寫的程序。對于采集終端收集的傳感器實時數據,為了讓數據能夠準確地顯示在軟件界面,需要先對數據進行校準,進而得到傳感器采集數據與輸出電流信號的線性測量模型,其模型公式如式(1)所示:

y=kx+b

(1)

式中y為被測物理量,x為電流大小,其范圍為4～20 mA。為了方便實驗,校準后的數據線性測量模型將會保存到自建的校準數據庫中,以便下次演示實驗時直接使用,表2為表1介紹的10種傳感器的線性測量模型公式,其編號為一一對應關系。

表2 傳感器測量模型

為了更生動形象地將采集終端采集的數據展示在課堂上,通過GUI編程設計了一個可視化界面來展示采集的數據,同時后臺會自動把整個實驗采集的數據制作成折線圖,可供教師和學生對實驗的數據進行分析。采用Socket套接字來實現將教師端電腦所拍攝的傳感器操作畫面實時地傳輸到學生端電腦,學生可以通過觀看操作視頻來感受工業級傳感器的工作環境,方便在實際生活中使用。為了讓遠程實驗教師更好地與課堂上的學生進行交流互動,軟件部分通過Socket套接字和Thread多線程開發了討論室和文件傳輸功能,討論室功能可以讓學生和教師在課堂上對操作實驗的任何疑問及時地進行交流,讓學生在課堂上就可以加深對于傳感器的理解,提升學生對于傳感器課程的興趣,同時文件傳輸功能也能方便教師將相關實驗數據分享給學生。

3 課堂測量實驗教學改革

以應用為導向,利用平臺的多通道測試功能,設計了多個測量實驗,如距離、溫度、液位、振動、等。本節將重點介紹距離、溫度和液位的測量對比實驗。學生可以通過對比體會各傳感器原理和特點。如圖5所示展示了利用本示教平臺開展的三個教學實驗。

(a)距離測量實驗

(c)液位測量實驗圖5 教學實驗展示

3.1 距離測量實驗

距離是衡量物體到物體之間長度的物理量。在日常生活,可以采用多種類型的傳感器對距離進行測量,本節采用渦流式傳感器和激光測距傳感器對距離進行測量,這兩種傳感器介紹如表3所示。對于激光測距傳感器,接通電源后傳感器發射出紅外線,經過物體反射后被傳感器接收,這段時間的長短就可以通過轉換公式轉化為物體實際距離大小。對于渦流式傳感器,需將金屬片靠近傳感器,通過渦流效應產生感應電流,再通過轉換公式轉換成物體實際距離大小。圖5(a)為真實課堂上學生用渦流式傳感器進行距離測量的演示實驗。

表3 兩種測距傳感器介紹

3.2 溫度測量實驗

溫度是表示物體冷熱程度的物理量。溫度可以通過多種傳感器進行測量。本實驗采用熱電偶溫度傳感器和紅外輻射溫度傳感器對不同溫度液體進行測量,這兩種傳感器的介紹如表4所示。對于紅外輻射溫度傳感器,只需將傳感器靠近被測液體,被測液體自身產生的熱輻射就可以被傳感器所接收,通過線性測量模型公式轉換后軟件就可以顯示實時溫度。對于熱電偶溫度傳感器,需將傳感器的金屬頭完整地放入到被測液體中,靜置一會后,教師端軟件就會顯示杯中液體的溫度。圖5(b)展示了學生在課后通過熱電偶溫度傳感器對杯中液體進行溫度測量實驗。

表4 兩種測溫傳感器介紹

3.3 液位測量實驗

液位是指液體的深度。對于不同液體的測量所采用的傳感器也不同,對于導電液體,可以采用壓阻式傳感器、單電極電容式傳感器和雙電極電容式傳感器;對于不導電液體,可以采用雙電極電容式傳感器。這三種傳感器的介紹如表5所示。對于壓阻式傳感器,將整個傳感器投入被測液體中,軟件就會顯示傳感器被測端距離液面的距離。對于單電極電容式傳感器和雙電極電容式傳感器,將傳感器緩緩插入被測液體,電腦就會實時顯示傳感器底端的深度。圖5(c)為學生利用示教平臺進行教學演示實驗的場景。

表5 三種測液位傳感器介紹

4 結語

自主開發了具有知識產權的工業傳感器示教平臺,在課堂上創設工業實驗環境,開展工業級傳感器的測量實驗,讓理論和實踐結合得更加緊密,讓學生能把學到的理論知識用得更好。開發的硬件具有符合工業標準(4～20 mA)的通用接口,適配符合規范的工業傳感器。軟件采用Python+PyQt編制,具有采集、校準、顯示和互動等功能。根據工業級電阻應變式傳感器、壓阻式傳感器、電容式傳感器、渦流式傳感器、壓電式傳感器、紅外輻射傳感器等十余款工業傳感器設計了距離、溫度、液位、壓力等物理量的現場演示和互動實驗。在課堂上學生可以參與這些實驗并進行針對性的討論。針對有些實驗設備比較大、不易搬遷的情況,還開發了遠程直播和聊天互動等功能,把工業場景下的實驗搬遷到課堂上。利用該平臺,大幅提升了學生解決實際問題的能力,解決了課堂知識用不好的問題。授權軟件著作權2項,已申報實用新型專利。學生實踐能力得到大幅提升,獲得國家級SIT、省虛擬儀器大賽一等獎、全國機器人大賽一等獎、中國傳感器創新創業大賽二等獎等競賽獎項。21屆本科生的就業率達到87.95%。部分學生科研能力得到提高,在IEEE Sensors Journal國際知名期刊發表高水平論文10余篇,10余人獲得愛丁堡大學等國內外頂尖學術機構的錄取通知書。21屆本科生的深造率達到41.6%。該平臺助力學院電氣、自動化、測控和電子等四個專業兩次通過工程教育專業認證,助力電氣、自動化和測控等三個專業入選國家一流本科專業建設點,助力電氣工程入選國家“雙一流”建設學科。