智能傳感與檢測技術的教學創新設計論文
智能傳感與檢測技術的教學創新設計論文
【摘要】針對傳統傳感器與檢測技術教學的特點，分析當前教學存在的問題，結合目前技術發展趨勢及社會發展需要，提出了智能傳感器與檢測技術課程。描述了智能傳感器與檢測技術課程的優點，提出了一種全新的理論教學和實踐教學相結合的教學方法。采用新型傳感器、最新嵌入式技術、通信技術和虛擬儀器技術等完成了智能傳感器的綜合項目，將理論知識綜合應用于實踐項目，很大程度上提高了學生的實際項目開發能力。并通過教學過程考核，全方位考查了學生的掌握程度。
【關鍵詞】智能傳感器；教學項目；過程考核
智能科學與技術是面向前沿高新技術的本科專業，經過近幾年的發展其廣泛的應用前景日趨明顯，比如智能機器人、智能電器、智能家居等產品的技術越來越成熟，對人類生活的方方面面產生了重要的影響。然而傳感器在這些智能產品中起著重要的作用。因此傳感器與檢測技術這門課程在諸多高校的電子信息類專業中作為一門重要的專業課[3]。隨著智能科學技術專業的誕生以及傳感器技術的迅速發展，各種新型傳感器不斷出現，傳統的傳感器與檢測課程中所講授的傳感器則有些落伍。我校秉承“教育創造學生價值”的辦學理念，為了適應時代的需要和智能科學技術的發展，針對傳感器課程進行改革和創新，并將課程命名為智能傳感與檢測技術。傳統的傳感器與檢測課程的主要任務是以傳感器的工作原理、基本結構、測量電路和應用方法為主，而在智能傳感與檢測技術中不但講授各種傳感器的工作原理、測量電路以及應用方法，更重要的是結合智能科學的特點將傳感器與嵌入式技術、通信技術以及虛擬儀器技術相結合。側重于傳感器應用的智能性和通用性，為智能產品的開發提供良好的教育基礎。
1教學現狀分析
傳統的傳感器與檢測技術教學中，理論知識偏多，實踐課程偏少。而在課程中設置的實驗課大都是驗證類的實驗，并不能滿足培養學生實踐能力的需求。目前來說傳感器與檢測技術課程存在如下幾個問題：1)教學內容陳舊，不能及時更新，因而不能反映最新的傳感器技術水平；2)教學重原理，輕實踐。課程內容比較抽象，涉及到很多物理、化學、數學等多個學科的知識，記憶和理解難度大；3)課程內容之間缺乏整體聯系，一個章節講述一種工作原理的傳感器，不同章節之間聯系較少；4)實驗教學內容驗證性實驗較多，設計和創新性內容較少；5)實驗項目采用傳感器試驗臺可以較好理解工作原理，但不能滿足實際應用的需要。針對出現的這些普遍性問題，在智能傳感與檢測技術課程中，筆者認為應從教學培養方案設計、教學大綱設計、教材與教學內容的改革以及教學方法和手段等方面綜合考慮解決方法。
2課程培養目標
根據智能科學技術專業的特點，為了適應科技發展的需求，智能傳感器與檢測技術這門課程旨在讓學生掌握各類傳感器的原理、結構、測量電路和應用方法，建立完整的檢測技術整體概念[1]，具備傳感器與檢測技術方面的基本知識和基本技能。對生產和科研任務中的檢測任務能夠正確的選擇傳感器以及配套的測量電路，設計相應的測量系統，完成所承擔的檢測任務。通過課程中的項目設計，培養學生能夠將傳感器進行模塊化設計，組成傳感器系統，結合嵌入式技術和虛擬儀器技術，完成多參數檢測系統的設計[2]。本課程是針對智能科學與技術專業的三年級下半學期全體學生開設的專業課，同時學生前續課程中將所學的《數字電路》、《模擬電路》、《電路分析》、《單片機原理與應用》、《虛擬儀器技術》等課程作為基礎知識，與實際項目相結合，通過項目實踐深入的理解智能檢測系統的開發過程，為后續專業課的學習打下良好的基礎。課程結束后學生不但能夠深入理解所學的理論知識，而且能夠將所學的知識熟練地應用到智能檢測系統設計等實際的工程當中，進而提高學生的工程實踐能力。
3教學改革方法
智能傳感與檢測技術是一門應用性很強的課程，通過理論知識指導實踐，反過來實踐也可以更好的理解理論知識。所以說理論與實踐對于這門課程都很重要，因此將理論教學和實踐教學緊密結合是一種較好的教學方法。教學改革也要同時從理論教學和實踐教學兩個方面入手，提高課堂教學和實踐教學的效果。而學生是教學改革活動中的主體，所有的改革都以學生為中心，結合當今技術發展情況從學生的需求出發。因此在本課程的教學改革過程中，需通過深入研究和反復實踐從以下幾個方面進行提升：1)以TOPCARES－CDIO人才培養模式為指導進行教學培養方案的設計。對專業人才培養預期應掌握的知識、能力、態度進行明確的、具體化的分析，重視實踐項目在人才培養中的作用，構建一體化的人才培養方案和教學體系。2)理論教學方面主要是讓學生掌握傳感器的工作原理和特性，學會傳感器的設計和使用。但是僅靠灌輸性的講解會比較枯燥，達不到教學的目的。因此需要結合實際應用引出傳感器的工作原理，合理組織教學內容，讓學生在用中學、學中用，提升學生的學習興趣。另外應讓學生參與到教學過程中，改變傳統的以教師為主導、學生被動接受信息的知識傳授方式。可采取以下措施：①通過課前預習課堂提問的方式，提升同學們的參與意識。②部分內容學生講解，老師點評的方式展開學習。③增加課堂分組討論，老師提供問題和應用場景，學生分組討論解決方案，提高學生的參與度和積極性。④布置課外書面作業和項目調研報告，讓學生課后能夠有效復習、應用所學知識。3)實踐教學一直是培養學生綜合應用能力和創新能力的重要途徑，但是如果按照實驗指導書生搬硬套的實驗操作并不能真正提高學生的動手能力。因此除了原理驗證型實驗之外，增加應用項目于實踐教學中，讓學生不僅能讀取傳感器的數據，還能結合電子線路的知識、微處理器的知識和通信技術能夠采集和處理相關的數據，構建具體實用的智能檢測系統應用方案。通過實踐項目讓學生加深對智能傳感器工作原理的理解，更要注重培養學生的實際項目應用能力。4)根據智能傳感與檢測技術一體化的教學體系，組織編寫可用于一體化培養方案的一體化教學教材。編寫的教材要能體現最新的傳感器技術和最新的應用，緊密結合實際，讓學生把課程的學習與日常生活結合起來，通俗易懂，可操作性強。根據傳感器技術的發展，需定期對教材進行更新和修訂，以適應時代的發展。
4教學內容安排
傳統的傳感器與檢測技術的主要教學內容中除了講解傳感器與檢測技術的基本知識、各種常用傳感器的介紹、標定、檢測系統的組成外，并沒有實際的項目在課程中。不但導致學生的實踐動手能力偏差，而且對理論知識的理解也不夠深入[4]。為此在智能傳感與檢測技術課程的教學中，以理論課和實驗課相結合進行授課，目前在智能科學與技術專業中總課時是80學時，其中理論課是48學時，實踐課是32學時。理論課程中是以按照項目分類，根據項目需求引出所用傳感器，并講述其工作原理、測量電路及應用方法等。實驗課則分為基礎實驗課和項目實踐課兩部分。理論教學內容包括：檢測技術的基本知識；常用傳感器的工作原理、基本結構、測量電路和應用方法。實驗課的主要內容包括：常用傳感器工作特性實驗，包括測量電路的零點調試，線性度調試、測量數據擬合等。項目實踐課內容包括：項目的需求分析，硬件設計，軟件設計、系統調試等步驟。
5教學項目設計
智能傳感與檢測技術課程中的項目教學是一個系統工程，對教師隊伍的要求很高，不僅需要教師具備理論知識而且還需具備一定的工程實踐能力，同時還需要配備精良的實驗設備。在智能傳感與檢測技術課程中開展實踐項目，僅靠課堂上的仿真軟件難以達到教學效果，因此實驗實訓平臺的選擇是一項重要的指標。為了能更好的結合理論教學，針對智能傳感與檢測技術所選用的實驗實訓平臺必須具備以下幾個特點：1)采用的實驗實訓平臺要有足夠種類的傳感器，并采用模塊化設計。2)配備統一的總線接口，具備擴展功能。3)具有主流的嵌入式核心系統，并且能夠適應不斷更新的處理器。4)價格合理、售后服務良好、教學資源豐富。綜上幾點，在智能傳感與檢測技術課程中，采用的是上海碩博科教設備有限公司的“SBJCS-1113創新型測控/傳感器技術綜合實驗實訓平臺”，該平臺配備大量常用傳感器，同時具備工業實際中廣泛采用的成熟電路完成對各種傳感器信號的拾取、轉換、調理、采樣、存儲、解算、控制及顯示等處理電路。同時實驗裝置具備一定的抗干擾及可靠性，學生可以做到學以致用。該實驗實訓平臺如圖1所示。該平臺具體特點如下：1)傳感器種類豐富:包括壓力、壓電、應變、電容、霍爾、溫度、光敏、氣敏(酒、C0)、電渦流、光纖位移、長光柵位移、差動變壓器、光電耦合等各種常見傳感器。2)模塊化設計：采用標準的模塊化設計，增強系統的結構性和互換性。3)總線標準：建立統一的內總線和接口約定，以實現最靈活的個性化配置、擴展和系統管理。4)接近工程實際：實驗裝置上采用多種工業型傳感器，既可以用來完成傳感器原理、結構與調理電路的教學，也可以用解決工業工程和過程中的實際問題。5)學以致用：構成實驗裝置中的智能儀器的各模塊，在其設計時充分體現實際系統的抗干擾設計技術和可靠性設計技術，其核心卡可作為實際智能儀器的核心單元。實驗裝置中信號轉換與信號調理電路采用工業和工程實際中所采用的成熟電路。實驗裝置中使用的各種數字信號處理方法，采用典型的也是未來實踐系統首選的數字信號處理手段，具有很強的工程實用特征。6)智能儀器儀表設計：結合工程實際給出了一個將常規儀器實現智能化的實例。7)開放式設計：實驗裝置中的軟、硬件及系統均按照全開放的思想進行設計，以便于學生開展研究型和創新型的實驗。在項目教學中，教師指導學生，按照項目開發的流程來完成系統的需求分析、硬件設計、軟件設計、系統調試等步驟。最后完成整個項目的總結報告，并以小組為單位完成課程項目的設計。學生可以利用課外時間，完成資料查找、系統設計和代碼編寫等工作。本項目要求學生完成一個智能家居遠程監控模擬系統。與傳統的檢測系統比起來，智能傳感器檢測系統更加具有智能性、綜合性等特點，將傳感技術、嵌入式技術、通信技術以及虛擬儀器技術有機結合，使學生深入理解智能傳感器與檢測技術這門課的應用，具體項目教學安排見表1。
6課程考核形式
在素質教育的大背景下，課程的考核的結果不能只看期末考試成績，應采用多元化的考核方式，要能反映出學生的學習效果、應用能力和解決問題的能力。本課程的考核貫穿整個教學過程，最終成績由課堂表現、作業成績、實驗成績、項目成績、期末考試成績等部分組成。老師在平時應根據學生的課上表現和問題回答情況記錄成績，作為平時成績的依據。實驗成績要能體現實驗過程中的表現和實驗報告的完成情況。項目成績的考核則包括項目實施過程中的表現、階段性成果成績、最終項目結果成績、項目報告成績和答辯成績組成。期末考試采用閉卷方式，考核內容側重對傳感器工作原理和應用設計的考核。總體來說，改革后的課程考核不是通過一次考試定好壞，而是更重視過程，要能體現學生的綜合素質和水平。其中項目教學作為教學改革的創新點，所以項目考核形式的也是多樣化的。考核貫穿在教學過程的各個環節，從學生的出勤、日常表現、作業、實驗、項目及考試等，對學生進行全方位的考核。其中項目考核中的項目答辯包括自述、現場操作、教師提問、解答幾個環節，通過答辯，教師可以直觀評價學生對相關理論的掌握程度，綜合評價學生的實際應用能力及應變能力，對設計不完善的地方給予指導建議，給學生提供創新的空間。智能傳感與檢測技術這門課的所有考核項目中，采用過程考核和終結考核相結合的方式能夠全方位的考核學生的平時學習情況及動手實踐能力，并激發學生學習興趣。
7結語
智能傳感與檢測技術是電子信息類專業的一門非常重要的專業課，如何讓學生更好的掌握理論知識提升應用能力一直是困擾任課教師的難題。筆者從教學培養方案、教材與教學內容的選擇以及教學方法和手段等方面進行了分析和探索，提出了相應的改革舉措。文中的改革舉措是TOPCARES-CDIO人才培養模式在智能傳感器與檢測技術上的運用，采用教學與項目相結合的方式對當今智能傳感與檢測技術的教學具有有益的參考價值。
參考文獻
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[2]張琳,袁新娣.《傳感器與檢測技術》課程教學改革與實踐[J].贛南師范學院學報,2012,33(6):106-108.
[3]周潤景,劉曉霞,韓丁,朱莉.傳感器與檢測技術[M].北京:電子工業出版社,2014.
[4]王東霞,溫秀蘭.傳感器與檢測技術課堂教學改革探索[J].中國現代化教育裝備，2008,(7):92-93.
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