三维融合项目式教学在传感器课程中的应用

任亚飞 姚雷博 郭超

摘  要：以自动化本科专业中传感器课程教学为例，基于培养面向建材行业、智能制造及相关企业的高素质应用型工程技术人才为目标，采用“立德树人+专业特色+创新创业”三维融合项目式教学，结合地方特色企业和校企联合项目，针对传感器在工程检测过程中的主要四大物理参量来选用课程项目案例，培养学生系统思维方式，逐步建立解决复杂工程问题的能力。

关键词：三维融合;项目式教学;传感器;创新创业

中图分类号：TP212;G434       文献标识码：A文章编号：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

傳感器原理与应用是应用型大学本科专业自动化、电气工程及其自动化、电子科学与技术、物联网工程等的专业课程。通过本课程的学习，使学生掌握传感器的检测原理、转换电路和信号处理等知识，熟悉各类传感器的典型工程应用及基本设计方法，为后续嵌入式系统设计、自动控制理论、物联网应用系统开发等课程的学习奠定基础。

传统的传感器课程教学存在多方面的问题，教学内容陈旧，教学内涵提升困难，学生基础参差不齐，学习目标有所差异，课堂参与度不高，课程教学目标达成度不高。主要集中在以下几个方面：（1）教学过程中偏重内容的传输，育人目标不够系统;（2）教学内容弱化学习的深度，学生对知识的掌握相对表浅;（3）以学生为本的教学中心不稳，大班如何实施翻转课堂落地;（4）线上学习效果存在差异，混合课堂的线上线下如何协调。

综合以上教学痛点，结合高校新工科的发展热点，提出基于“立德树人+专业特色+创新创业”的三维融合项目式教学在传感器课程教学中的应用，力求课程体系持续不断地改进，努力解决这些教学问题，找到解决问题的办法本质上就是创新。

1  “立德树人+专业特色+创新创业”的三维融合

“立德树人”的视角是以学生为中心，以人为中心，对学生基本思维方式、复杂工程问题解决能力、担当精神等方面进行培养。“立德树人”要求的应该是培养有德行、有才学、有根基、有格局的时代新人，因此脚踏实地才是硬道理。

实地必然是“专业特色”，以自动化本科专业为例，以培养面向建材行业、智能制造及相关企业的高素质应用型工程技术人才为目标。“创新创业”要围绕建材行业、智能制造积极展开，立足于产学研合作，关注当前行业发展，面向行业未来发展。

所谓三维融合，浅表考虑不同教学目标的融合，深度则是推进智慧教育，提高教师现代教学理念与教育深度融合的能力，积极探索三维融合的新形态，开展项目式教学模式应用，推动高校智慧教育教学。

2  项目式教学应用

2.1  教学内容重组

传感器课程涉及知识面广、内容多、理论性和应用性都很强，挑选和组织恰当的教学内容是提高教学质量的关键，基于“立德树人+“专业特色+创新创业”的三维融合，以检测过程中的主要物理参量分类（力敏、热敏、光敏、磁敏）为中心来组织教学内容。教学内容可以基于教材，也可以高于教材，重点是要突出三维融合的特色。

从寻找新的检测原理、开发新的敏感材料、采用新制作工艺或探索新应用功能等开展基础理论创新研究;将理论与工程实践结合起来，添加传感器检测系统设计的知识点，突出传感器工作原理与检测技术应用的结合，构成了从传感器基本单元到检测系统，以至检测数据分析的全流程系统，保证教学内容的系统性和实用性。

教学内容除了线下讲授，应结合线上内容：视频资源库、综合案例库、思政案例库、讨论库、在线测试题库、优秀作品展示库进行混合教学。上课前通过短视频、在线习题、在线讨论等完成知识的传递，在课内基于问题式、基于项目式、进行研讨式、知识内化的翻转课堂。总体以学生为认知、以发展为中心，激发主体，以系统设计贯穿始终的探索教学。

2.2  教学方案重组

教学方案应从理论到实践，讲解由浅入深，循序渐进的教学方式。建议采用递进式教学，提高学生的积极反应、反思促进、即时强化、共同目标。

过程立足于项目，采用情景教学+小组研讨，研讨中采用讲解式、提问式的开展方法，锻炼学生提出问题能力、分析问题能力、解决问题完善性能力、对挑战性问题实践能力。同时也提高了学生求知动力与探索精神、回答问题情况及表达能力团队合作情况等。

问题应基于理论知识目标、辩证思维能力目标、立德树人素养目标，围绕理论知识点、专题项目、核心设计等方面展开。从解决问题的角度加强学生分析问题的深度;改善老师与学生之间、学生与学生之间难以产生共鸣的问题;让学生以主体的形式，主动参與教学环节设计。

2.3  考核方式重组

评价学生的表现，以学生是否形成相应的能力作为评价核心，可以结合课程学习的过程、能力成长、学习结果三个方面进行考核。考核分为线上、线下考核，线上采用平时作业和测试题，线下采用PPT讲解、小组答辩、考试等形式。

3  传感器课程项目实践

3.1  物理参量

以自动化本科专业为例，基于培养面向建材行业、智能制造及相关企业的高素质应用型工程技术人才为目标，项目案例结合本课程应用的中心“立德树人+专业特色+创新创业”和地方特色，针对传感器在工程检测过程中的主要四大物理参量来选用课程项目案例：

（1）力敏传感器，结合地方上建材行业——耐火材料研究院中耐火材料生产过程中的主要监测参数压力，选用全自动耐火材料高温抗折特性监控系统为例。项目中采用高精度S型拉压力传感器和DY500智能数字变送器，对耐火材料在高温下承受压力进行监测和传送。

（2）热敏传感器，结合地方上建材行业——水泥厂的回转窑中主要的监测参数温度，选用了水泥厂回转窑无线测温系统为例;结合校企联合、社会热点项目全自动高精度红外测温门为例。项目中在回转窑内采用热电偶采集窑内温度，利用无线发射模块发送数据，在监测控制端利用接收器对温度数据进行无线接收、处理和显示。

（3）光敏传感器，结合地方上智能制造——机械设备钢球生产环节对钢球的数目监测采用光电触发开关，选用全自动钢球数目监控系统为例。项目中在设备框架上合适位置安装工业光电接近开关，对监测时段进行准确获取，产生控制信号控制下一阶段的系统操作。

（4）磁敏传感器，结合地方上建材行业——耐火材料研究院中耐火材料生产过程中的主要监测参数位移，选用全自动耐火材料高温膨胀特性监控系统为例。项目中采用LVDT电感式自复位差动变压器作为高精度位移传感器，自带数据变送器，对耐火材料在高温下膨胀后外形尺寸的变化进行监测和传送。

3.2  项目案例

下面以全自动耐火材料高温特性监控系统为例进行分析，耐火材料生产工艺流程如图1所示。

图1  耐火材料生产工艺流程

该案例主要介绍酸性耐火材料粘土砖特性监测系统。粘土砖抗热震性好，对酸性炉渣有抗蚀性，广泛应用在冶炼行业，砌筑高炉、回转窑、炼钢炉等。耐火材料物理性能包括：结构性能、热学性能（热膨胀系数）、力学性能（耐压强度、抗折强度）、使用性能、作业性能等。

3.2.1  膨胀特性监测系统

（1）全自动耐火材料高温膨胀特性监测系统结构如图2所示。其中，膨胀系数检测原理为：若耐火材料在温度为t0时，长度为L0，温度升高为t时，长度为L1。那么，膨胀量为：△L=L1-L0，线膨胀，平均线膨胀系。

图2  膨胀特性监测系统结构

系统计算机采用自动监测、数据处理、自动生成温度与形变的曲线图。测试环节温度可以最高加热到1 700 ℃，自动控温精度为1 ℃，该系统可用于检测耐火材料在高温荷重软化作用下的膨胀形变以及抵抗能力。系统传感器采用米郎LVDT电感式自复位差动变压器LVDT8-RS485-10 mm-SL，其外形结构为外径8 mm笔形回弹式，测量范围10 mm，分辨率小于0.2 um。主要应用领域有：机器人、精密位移测量、玻璃生产检测、汽车零件检测，测量位移、形变、尺寸、振动、膨胀等。敏感元件输出信号可选择二线制4～20 mA电流信号，数据变送器供电电压5～15 V，采用RS485数字信号输出16 bit。

3.2.2  抗折特性监测系统

全自动耐火材料高温抗折特性监测系统如图3所示。抗折强度检测原理依据以下公式：

其中，Re为常温抗折强度（MPa）;Fmax为对试样施加的最大压力（N）;Ls为下刀口间的距离（mm）;b为试样的宽度（mm）;h为试样的高度（mm）

图3  抗折特性监测系统框图

系统设备主机采用机械加荷、框架结构，炉体耐高温抗热震性良好，控制系统采用伺服系统，传感器采用S型拉压力传感器，量程50 kg，输出灵敏度2.0 10% mv/v，最大负荷500 N。传感器应用领域有万能材料试验机、料斗秤、吊钩秤、包装秤、皮带秤等拉压力测试仪器及自动化设备。该测试系统主要用于耐火材料、陶瓷、玻璃、水泥等非金属材料的三点弯曲高温抗折强度试验。

数字变送器供电电压：直流24 V，功率<3 W，外接传感器电压：5～15 V，数据采集精度12位，通讯：RS485-ModbusRTU协议，模拟输出：0～10 V或4～20 mA。

4  结  论

综合传感器课程教学痛点，结合高校新工科的发展热点，提出基于“立德树人+专业特色+创新创业”的三维融合项目式教学在传感器课程教学中的应用，力求课程体系持续不断地改进。本次应用以项目设计与实现为主线和载体进行教学，聚焦若干挑战性问题进行研讨，培养学生系统思维与思维方式，逐步建立复杂工程问题交叉融合能力，以及解决问题的潜力，努力解决这些教学问题，找到解决问题的办法本质上就是创新。

参考文献：

[1] 赵桂艳，徐今强，徐国保.传感器与检测技术课程项目式教学法探究 [J].中国现代教育装备，2021（11）：110-112.

[2] 彭慧玲，刘林生，黎海生.《传感器原理与检测技术》课程教学改革与实践 [J].教育教学论坛，2019（51）：95-96.

[3] 郑春娇，赵越岭.传感器与检测技术课程复合型教学模式的探索与实践 [J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2019，21（2）：111-114.

[4] 郭红英，张琼.传感检测课程的教学实践分析 [J].电子技术，2021，50（9）：274-275.

[5] 宋聪颖.基于“以赛促改”的项目式教学——以《物联网概论》课程为例 [J].电脑知识与技术，2020，16（11）：156-158+187.

[6] 沈敏，余联庆.基于多学科融合的传感器与检测技术课程教学改革与实践 [J].中国现代教育装备，2021（7）：107-109.

[7] 杨丽，范江波.思政元素融入“传感器与检测技术”的实践与探索 [J].晋城职业技术学院学报，2021，14（3）：48-50.

[8] 徐瑶.一种单片机和传感器技术融合项目化教学方法 [J].山东化工，2020，49（11）：221-222.

作者简介：任亚飞（1982—），女，汉族，四川成都人，讲师，博士，研究方向：信号处理和传感器。