虛實一體化的傳感器技術及應用課程項目式教學實踐

摘 要 通過對傳感器技術及應用課程的教學理念、內容、方法與考核評價等方面的研究分析，探索虛實一體化的項目式創新課程設計，采用項目式教學模式，理論與實踐教學有機組合；以產線檢測項目與工程應用為核心，將智能制造領域常用傳感器技術應用場景與實例融入課程教學；設計基于虛擬儀器和仿真工程環境搭建的虛實一體化實驗教學方法，改進實驗過程和手段；通過信息化的課程改革設計與創新實踐，激發學生學習應用新型傳感技術的興趣，培養學生的創新能力及工程實踐能力。

關鍵詞 項目式教學；虛實一體化；傳感器技術及應用；仿真實驗；新工科；實驗教學平臺

中圖分類號：G712 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）18-0083-05

0 引言

當前，人類社會正處于從信息時代向智能時代邁進的關口，人工智能等新一代信息技術正在引發人類社會新的變革。對于高等教育來說，人工智能等新一代信息技術推動了教育模式轉型，提高了知識傳遞效率，強化了學生的學習效果，使高等教育開始真正趨于智慧化。傳感器技術及應用是應用型本科以及職業院校電子信息工程、電子科學與技術、智能科學與技術、自動化、電氣工程及其自動化等電學類專業的一門專業核心課程，涉及機械、動力、電子、信息處理等眾多學科交叉技術領域，體現了信息化和新興產業化的結合。該課程通過系統講授各種傳感器的工作原理、結構組成、測量電路和應用等方面的內容，要求學生在掌握各類傳感器原理的基礎上，能夠達到合理選擇與使用各類傳感器，并初步具備自動傳感檢測系統設計與應用能力的目標。隨著智能時代的來臨和信息技術的飛速發展，傳感技術已成為現代智能信息技術的三大關鍵核心技術之一，在人工智能、工業制造、物聯網、機器人、航空航天、海洋探測等各個領域都有廣泛的應用。同時，傳感檢測技術的發展及新型傳感器產品的研發、使用和維護，對高校應用型、創新型傳感人才的培養目標和內容提出新的要求，因此，傳感器技術及應用課程的重要性不言而喻[1-3]。

目前，國內很多高校圍繞應用型、創新型新工科專業人才培養需求開展傳感器技術及應用課程教學改革。虛實一體化是指通過建立實際物體與虛擬仿真環境相互關聯和結合的教學環境，將實物實驗與虛擬實驗相對應建立虛實樣本等效模型，并通過數字化虛擬仿真實驗技術來對應展示實際測量過程和分析實物實驗性能與結果，進而實現教學研究對象虛實結合的信息化教學。結合傳感器技術及應用課程教學實踐，本文提出一種基于虛實一體化教學設計的項目式課程改革與創新方案，通過分析傳感器技術及應用課程教學實踐過程中存在的主要問題，按照新工科專業人才培養要求，以行業企業典型崗位能力要求更新教學內容，并將智能制造領域常用的傳感器技術應用場景與實例融入課程教學，實施項目式教學。借助現代信息技術和產學研合作教育的優勢，對接傳感器及檢測技術工程化應用，提出基于虛擬儀器和仿真工程環境搭建的虛實一體化實踐教學方法，設計傳感器元件檢測電路仿真組件和仿真傳感測控系統虛擬化實驗項目，改進傳感器性能測試與技術應用在課堂教學中的實驗過程和手段。通過信息化課程改革設計與創新實踐，配套形成系統性教學組織與評價考核方法，激發學生學習應用現代新型傳感技術的興趣，培養學生的創新能力及工程實踐能力[4-6]。

1 相關背景

與傳統工科相比，新工科強調實用性、交叉性、綜合性。傳感器技術及應用課程屬于新工科專業核心課程，涉及知識面較廣。該課程本身綜合性較高，既有深邃的專業理論概念，又有涉及不同行業和場景的各類檢測技術應用，且與電子信息、通信工程、控制工程、機器人技術、物聯網工程等多個技術應用類專業的核心課程緊密關聯。該課程有較強的專業理論和知識綜合分析要求，更強調實踐中的技術系統設計與綜合應用。然而，以往課程教學中，教師主要是以傳統分類方法依次進行各種傳感器的理論講授，原理性內容較多，理論知識繁雜冗長，且以推導與推理為主，與具體應用需求聯系不緊密，導致學生學習難度上升，學習興趣和掌握能力不高。例如：講授各類常用傳感器時，教師側重講述其工作原理及材料類別，忽略了傳感器技術的具體檢測應用過程和方法的指導，導致學生感覺知識點晦澀難懂、不明所以；講授技術應用時，側重于單個元器件測量的計算推導和原理分析，導致學生只會理論計算，卻不會系統化設計與配置傳感器，同時導致學生學習理論知識過多而實踐能力較弱，即學生面對具體的傳感檢測系統設計任務、傳感器選型過程和精度要求以及傳感器與測控系統的線路工程設計等方面，感到無從下手。

另外，實驗教學項目均為原理驗證性實驗，操作簡單，導致學生在實驗室只能根據指導書簡單連接導線、操作開關、記錄數據、觀察結果，無法針對傳感器器件在制造業真實生產線和設備中的實際應用場景進行技術復現與演練。同時，實驗教學項目應用性、可拓展性不強，缺乏綜合應用及創新類的實驗內容，不能展示和體現當前先進傳感器技術的綜合性、實踐性和先進性。比如應變片電橋，電感式、光電式以及熱電偶等各類傳感器的特性實驗，學生只是為了測量而測量，不能直觀學習和理解傳感特性參數與方式在自動化生產與智能制造過程中的作用和應用方法，學習缺少積極性、主動性和創新性[7-8]。

概括來說，傳感器技術及應用課程以往教學中主要講解傳統工業應用中的傳感器器件和原理技術，按照普通工業自動化設備和系統中的常規傳感檢測方法和特點進行各種傳感器的教學，缺乏現代智能制造產業與新一代信息化產業中出現的大量智能化、無線化、微型化、集成化等新型傳感器的相關知識與技術應用，導致學生學習掌握的傳感器技術知識和能力與現在社會經濟發展中日益成熟和普及的機器人、人工智能、工業互聯網等應用領域出現明顯脫節，不能滿足社會對檢測技術的要求。

本文在課程實踐中通過突出新型傳感器在新興智能化產業中的重要作用與典型應用，借助虛擬儀器和數字化技術教學手段，創新項目式課程教學方法與過程，開展虛實結合的傳感器技術仿真實驗教學設計，結合綜合性的專業化自動測量與控制設備，開發傳感器虛擬實驗，設計真實檢測案例的虛擬仿真實驗項目，深入淺出地將傳感器技術應用崗位的相應知識點歸納到項目化課程教學實踐過程中，將與檢測相關的國家、行業標準規范融入具體工作任務實施，培養學生的綜合應用能力與創新工程化素質，真正讓學生在解決實際問題的過程中既能夠理解理論知識，又能夠具備較強的實踐能力，做到學以致用、理論聯系實際。

2 虛實一體化的傳感器技術及應用課程項目式教學實踐

2.1 更新課程教學內容，開發項目式測量任務，設計項目式教學流程

傳感器技術及應用課程教學改革設計首先從教學內容和教學模式設計開始。課題組深入企業一線，結合傳感器技術主要應用行業發展現狀、技術發展趨勢與當前人工智能技術不斷普及情況，獲取很多工程實際檢測案例，并進一步提煉出裝備制造業中常用的典型參量檢測任務。緊貼培養應用型、創新型人才目標，對教學內容進行項目化更新整合。采用項目式教學設計，以傳感器檢測核心參量和檢測工作場景為載體，進行各種常用傳感器的選型、安裝、調試、檢測及應用技術學習。以具體測量任務為導向，采用工程實際中具體傳感器測量工作的實現過程組織教學單元，設計多個可操作性任務環節，以檢測任務過程參與解決當前技術性問題并完成多個項目化綜合性任務。課堂教學中靈活組織任務，讓學生成為學習的主體。

具體設計的傳感器檢測項目包括溫度的檢測、力和壓力的檢測、流量的檢測、運動學量的檢測、物位的檢測、環境量的檢測以及現代智能傳感系統多參量綜合檢測等。每個項目下設多個學習任務，包含項目引入、任務背景、知識學習、應用案例、技能提升、鞏固與拓展等模塊。課程項目化教學結構設計如圖1所示。

2.2 虛實結合，設計開發傳感器檢測案例虛擬實驗項目，構建虛實一體化實驗教學平臺

進行項目式課程實踐教學創新設計，將虛擬化實踐教學方法嵌入項目化教學過程。借助計算機仿真軟件，開發基于虛實一體化理念的創新數字化實驗教學項目。通過整合軟硬件設備資源，利用虛擬儀器實驗室、自動控制實驗室、自動化生產線實訓裝置、機器視覺實驗室、智能機器人實驗室等實驗儀器和設施，導入相關軟硬件教學資源項目庫，不斷整合信息化資源和工程應用案例，持續優化新型傳感器應用教學項目庫，完善虛實一體化實踐教學資源，形成虛實一體化實驗教學平臺。

首先，在原有傳統實驗設備基礎上，對應其中的傳感器工作特性和機理，設計傳感器數字化虛擬檢測實驗。利用電子仿真軟件、單片機及IDE軟件結合傳感器及檢測技術實驗套件，開發電容式傳感器測量位移、熱電偶傳感器測溫、差動變壓器傳感器測量位移、氣敏傳感器檢測酒精、濕敏傳感器測量環境濕度、PN結傳感器測溫、電渦流傳感器測量位移、熱敏電阻傳感器測量溫度、霍爾式傳感器測量位移、金屬箔式應變片傳感器測量壓力等十余個傳感器技術基礎實驗。

其次，引入工程技術檢測設備和產品作為仿真實驗的實體參考設備，如工業機器人自動化檢測裝置、柔性生產線檢測設備、機器視覺引導裝置、機床振動測試儀、智能小車循跡系統、服務機器人等。以設備傳感檢測資源與應用方法為參考，提煉自動化生產、智能制造、智能機器人及物聯網應用中的典型傳感器測量案例。對照案例系統中的實際傳感器元件和測量顯示器件以及控制單元進行分解和原型功能分析，分別完成傳感器件原理電路分析仿真設計和傳感檢測系統測量應用仿真設計。在對應工業自動化生產線測量與控制設備中的傳感器測量實體基礎上，先后設計生產線溫控測量系統、智能小車紅外光電循跡檢測系統、工業機器人視覺檢測產品分類系統、機械振動頻率應變片測量系統、鋼板厚度位移測量系統、自動化攪拌稱重系統等綜合型虛實一體化實驗項目。通過虛擬傳感檢測實驗項目實施，學生能夠開展實際傳感器件的仿真原理電路、連接線路和驅動放大電路的搭建與測試實驗，借助虛擬儀器平臺環境和控制器代碼編程還能夠完成測量系統搭建、控制結果顯示等工程化測量任務的虛擬過程實施，進一步了解掌握自動化設備內傳感單元的檢測過程和調節控制狀況的手段，學習實際應用中的傳感測試方法和判斷依據。典型虛實一體化傳感檢測實驗項目設計流程如圖2所示。

2.3 閉環式項目教學，引導學生創新實踐，構建虛實結合的信息化創新教學組織模式

在課程教學實踐過程中，基于虛實一體化實驗教學平臺，將真實測量案例和工程化情境作為任務導入傳感器技術課程教學項目，針對每個項目把教學過程分成課前準備、課堂實施、課后拓展、考核與評價四大模塊，創新實踐訓練組織過程，形成閉環式項目化教學模式。傳感器技術及應用課程閉環式項目教學組織流程如圖3所示。

引導學生做到預習傳感器件知識→熟悉傳感電路原理→操練測量過程→創新檢測技術應用。學生在課前預習虛擬仿真實驗項目，編制程序軟件，減少課堂現場編程時間。

在課堂實施上設置“導入問題→虛擬連接電路并測量數據→改變參數并觀察變化→對比真實系統進行分析與總結→掌握測量技能”這五大教學環節。課堂上教師適度講解分析，利用講授法、引導法、討論法、案例分析法以及過程仿真調試等教學手段，模擬實現一個完整的工程化項目。學生在操練階段以小組為單位協同開展實驗，教師巡回指導、點評。根據學生學習情況，重點對普遍反饋的疑難問題和實驗中的關鍵步驟進行講解。

通過學習“傳感器的需求分析→產品方案設計→安裝及調試→運行數據分析”的整個操作過程，讓學生完成器件選型、系統設計、接線操作、控制編程、檢測調試等技能訓練，培養學生的工程應用和實踐創新能力，提升學生的綜合職業素養。教學過程中任務明確、講練一體、虛實結合，鼓勵學生學以致用、主動學習，自主進行實驗項目的構思、開發和設計，并進一步付諸操作和實施，培養學生的獨立思考和實踐創新能力。

3 結束語

本文通過分析傳感器技術及應用課程教學實踐過程中存在的主要問題，根據專業能力培養要求，對接新一代信息化產業中的崗位能力需求，改革課程教學內容、組織過程與教學方式，進行信息化教學實踐創新。采用項目式教學組織模式，開展工程化項目任務教學，將智能制造領域常用的傳感器技術應用場景與實例融入課程教學。設計基于虛擬儀器和仿真工程環境搭建的虛實一體化實驗教學平臺，以多媒體技術、數值模擬與仿真技術為支撐，基于虛實一體化的數字化實驗設計方法，結合綜合性的專業化自動測量與控制設備開發傳感器虛擬實驗，設計具有先進前沿技術與工程實用性的綜合案例模塊。進行對應仿真程序設計，開發典型的檢測工程實踐教學案例和實現對應的測量過程實驗。通過課程改革實踐，改進傳感器性能測試與技術應用在課堂教學中的實驗過程和展示手段，突出傳感器技術在新一代信息化、智能化產業中的重要作用與典型應用，體現新工科對于崗位技能要求與學習內容的對接，較好地激發學生學習應用現代新型傳感技術的興趣，培養學生的創新能力和工程實踐能力，促進課程教學質量和人才培養能力提升。

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