传感器与虚拟仪器课程群建设初探

王昊 孔令荣 窦如凤

摘 要：实践教学作为应用型本科教育体系中的必备环节，对人才质量培养具有重要影响。文章将传感器与虚拟仪器等课程协同打造课程群，以项目化为主线，借助Labview软件和NI myDAQ数据采集卡，丰富实践内容、细化实践层次，考核向实践倾斜，打破原有教学实践环节固化和薄弱的现状，进一步完善学生应用能力和创新能力培养，坐实应用型本科人才培养。

关键词：传感器；虚拟仪器；项目化

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）07-0042-02

“传感器与检测技术”是南京理工大学泰州科技学院电子信息工程专业一门重要的专业必修课程。课程重点讲授传感器的工作原理与使用方法，旨在培养学生传感器选型和系统设计应用的能力。随着信息技术的飞速发展，传感器作为信息采集、处理、分析的前端，在人工智能、大数据、物联网等领域发挥着越来越重要的作用。因此，如何更好地开展传感器教学，拓展学生的应用和创新能力，适应重点领域的发展，成为教学改革的重点。

一、传感器课程教学现状

“传感器与检测技术”课程采取理论教学和实践教学两步走模式，即先讲解传感器原理，后传感器实践教学。传感器原理讲解，主要讲述各种传感器内部结构、工作原理。传感器实践教学，则依托浙江大学开发的教学仪器产品CSY 3000型开展。随着国家对应用型本科建设的推进和对创新型人才需要的增长，现有的教学模式已经不能适应，主要表现在以下几方面。

（一）知识分散，与实际缺乏关联性

理论教学知识点多而且分散，存在教师讲得费力，学生接受较少的问题。同时，书本中传感器与实际使用的传感器型号缺档，造成学生应用障碍。

（二）实践单一，缺乏创新性

CSY 3000型实验平台与微机数据接口能力较弱；学生实践过程中更多是按实验指导书要求进行接线，无法培养数据处理能力，且存在实践内容单一、模式固化问题，不能很好地发挥学生的主动性和创造性。

（三）课程孤立，缺少联动

数据采集电路设计是传感器应用的重点内容，涉及“数字逻辑电路”“模拟电子线路”等课程知识。现有课程无法开展数据处理电路设计，造成与其他课程联系薄弱，影响学生综合应用能力培养的效果。

二、课程群建设思路

课程群建设，是将与传感器相关的课程进行一体化建设，发挥群优势，在教学内容和模式上进行改革，更好地进行应用型人才培养。传感器与虚拟仪器课程群建设，紧随学校应用型人才培养要求，按照“虚实结合”的教学模式[1]，以项目化为主线，强化学生实践能力，落实应用型本科人才培养要求。

建设中，引入现今主流的虚拟仪器技术，构建“传感器与检测技术”“虚拟仪器技术”“检测技术综合实训”课程群。“传感器与检测技术”侧重传感器原理讲解；“虚拟仪器技术”侧重软件操作和数据采集讲解；“检测技术综合实训”须同时运用传感器、虚拟仪器、数电、模电知识，完成传感器数据采集、数据处理、数据分析和数据显示整套实践过程，做到“教—学—做”一体。

三、虚拟仪器平台

对原有的传感器实验室进行改造，增设虚拟仪器平台：Labview软件和NI myDAQ 数据采集卡。借助该平台，完成传感器信号接收、调理、整形、转换、过滤，微机处理整套流程。

（一）Labview软件

Labview软件，使用图形化编辑语言G语言编程，集成各种用于创建、修改和调试VI程序的工具，大大提高了编程效率[2]，为学生开展检测技术综合实训提供软件编程支撑。

（二）NI myDAQ数据采集卡

NI myDAQ数据采集卡，具有模拟输入/输出、数字输入/输出、音频、电源和数字万用表函数功能，可提供8种基于计算机的实验室仪器。其与Labview软件结合，可完美实现传感器数据采集、处理、分析和显示的功能。对于基础的传感器实验，单个的NI myDAQ数据采集卡即可完成连线操作；对于提高的传感器实验，连线较多，则可借助配套面包和NI myDAQ协同工作，很好满足创新型人才培养的需求[3]。

四、构建“虚实结合”的课程群教学模式

“虚实结合”，即利用虚拟仪器这一虚拟仿真平台，坐实应用型创新人才培养。借助项目化，串接“传感器与检测技术”等三门课程；借助虚拟仿真平台的通用性、多样性，完善实验项目。

（一）项目驱动，贯穿课程群体系

项目驱动，在教师的指导下，将一个相对独立的项目交由学生完成。学生以团队的形式，收集信息，设计方案，项目实施并进行最终评价[4]。具体实施方法包括“项目导入”“实施计划”和“展示与评价”三个环节，以此增强教师、学生互动，提升学生学习能力和兴趣。

1.“项目导入”环节，教师引导。“传感器与检测技术”课程教学，设置项目案例。围绕案例讲解传感器的原理、结构、使用方法，提升課堂的生动性、活泼性，激发学生学习兴趣和主体性。然后导入项目任务及目标，让学生自主查询具体的传感器型号，完成自主项目案例设计。

2.“实施计划”环节，学生为主。学生通过自主学习、小组协作学习等方式，对项目的任务目标进行分析，完成项目初始设计，包括传感器选型、外部采集电路设计等。“检测技术综合实训”课程中，带着做好的项目方案，借助虚拟仪器平台，完成硬件设计和软件设计，进行调试，观察实验效果。

3.“展示与评价”环节，教师与学生互动。学生利用虚拟仪器平台展示自己的项目成果，然后接受他人的评价和教师的反馈。同时，学生在汇报和听取同学汇报的过程中，通过对比自己与其他同学的成果，查找不足，反思其成败。

以光电传感器教学为例，设置项目案例：智能路灯控制系统。为什么路灯白天自动关闭，天黑自动打开？激发学生学习欲望。教师讲解系统实现过程，核心器件光电传感器的工作原理，然后布置任务：学生给出自主智能路灯实现方案。学生根据自己的方案借助网络、图书馆查阅实际光电传感器产品，引脚功能，设计传感器外围电路。实训课程中，利用Labview软件完成界面设计、程序编写，面包板上搭建传感器和外围电路，NI myDAQ配置端口采集信号，观察实验现象。有效解决了原传感器实践教学“插线式”和任务雷同问题。

（二）实验分梯度，注重创新型人才培养

学生接收知识并应用需要一个过程，并且每个学生经历这一过程的时间有长短之分。针对学生掌握知识的情况，实验设置注重阶梯难度，分为基础性和综合性实验。基础性实验，学生边学边做，除完成基本功能外还需完成扩展功能，训练单个传感器项目模块。例如，在讲解温度传感器时，引入室内测温项目案例。学生结合单个温度传感器完成基础测温实验。能否设置超阈值报警判断温度过高或过低？过高，能否控制電机转动降温；过低，能否控制电阻丝加热升温，在基本功能实现后，通过设置实验，拓展学生思维，让单个项目模块更贴近生活、生产实际。综合性实验，变单个传感器为多传感器项目应用。例如，引入智慧农业智能大棚项目案例。项目要求：满足大棚内的植物自动灌溉、自动采光要求。需要学生自主完成传感器选型，多传感器数据处理，系统界面开发等工作。功能实现后，能否自主进行大棚功能拓展，完成相应电路和程序设计。一步一步，层层深入，综合考查学生对温度传感器、湿度传感器和光电传感器等工作原理和应用的掌握情况。

传感器应用系统从单传感器向多传感器飞速发展。借助虚拟仪器平台极强的开放性和与多传感器结合的便利性，更好地培养学生能够自制、扩展、创造，搭建自己的传感器检测系统能力，让学生发挥自己的创意，根据自己特点打造相应的电子系统或产品，挖掘学生的个性化和创新性。

（三）课程联动，打通知识壁垒

加强传感器课程与数字逻辑电路、模拟电子线路等课程的衔接。理论教学加强数据处理电路原理讲解，特别是信号放大电路、模数转换电路、惠斯通电桥电路等讲解。实践教学，要求学生在面包板上利用电子元器件、杜邦线搭建简单的数据处理电路[5]。因此，从理论到实践，时刻需要数字逻辑电路、模拟电子线路等课程知识，让学生活学活用，避免知识点、各课程之间的脱节。

（四）学生考核改革，向实践能力倾斜

传统的传感器课程，采用标准试卷，一卷定分，更多注重知识记忆的考察，忽视了应用能力的考察。课程群建设中，三门课程联合考察。综合理论和实践两大部分，给出最终成绩，避免之前一卷定分的弊端。同时加大实践能力考核权重，对完成综合实验，并能够自主进行实验功能扩展的学生采用加分机制，鼓励学生实践多动手，多动脑。

传感器与虚拟仪器课程群建设，以项目化贯穿教学始终，增加实践课程学分比重，学生考评向实践能力侧重，有效提升学生主动参与学习的兴趣，培养学生传感器的应用能力，虚拟仪器软件的编程操作能力和软硬件电路联合设计的能力。此外，随着实践教学的深入，教师也在提升自身工程实践能力，实现向“双师双能型”转型，真正实现教学相长。

参考文献：

[1]李菲.传感器实验教学模式的探索与改革[J].中国现代教 育装备，2014，（1）.

[2]兰明.基于LabVIEW的传感器测试实验平台设计与实现 [J].江西科技师范大学学报，2014，（6）.

[3]乐建华，黄家才.检测技术与虚拟仪器实验室建设[J]. 实 验室研究与探索，2016，（12）.

[4]张鹏，吴东艳，张凌志.项目教学法与传感器课程改革探 索[J].中国电力教育，2014，（5）.

[5]尤丽华，周洋.基于虚拟仪器的测试技术实验教学系统建 立[J].实验技术与管理，2011，（2）.