案例探究式教学在传感器与仪表课程中的应用

严保康　卢少武　宁博文

[摘 要]基于学生对传感器与仪表课程认知和解决复杂工程问题能力不足的现状，文章探讨了案例探究式教学模式的具体应用策略，以增强学生对传感器实物的认知，提高学生解决复杂工程问题的能力，即以实际工程项目案例作为理论和实践的桥梁，辅以虚拟仪器的仿真技术，设计开放性的实验进行工程问题的方案设计、实施和验证，以达到使学生在仿真和实践中对理论知识融会贯通的目的。

[关键词]传感器;复杂工程问题;案例;虚拟仪器

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）05-0130-03

随着新工科建设理念的提出，各大高校开始对传统工科专业进行升级改造，例如一些针对新兴产业而设立的新专业：人工智能、智能制造、机器人、云计算等[1-2]。这类新专业的设立会让传感器这类课程成为必要的基础课程，因为所有与智能相关的领域都离不开大数据，而大数据的获取必须依靠传感器去感知[3]。传感器与仪表是武汉科技大学（以下简称“我校”）自动化专业学生的一门专业必修课，是学习和了解自动控制过程不可缺少的课程。而这门课在教学过程中常面临学生知识吸收少、实践能力弱等问题。文章结合我校自动化专业特色背景，探讨基于案例探究式的传感器与仪表课程教学改革。

一、课程教学过程面临的问题

（一）缺乏对传感器实物的认知

传感器与仪表是一门综合性很强的课程，涉及电路技术、信号处理技术、自动控制技术等，教学内容繁多，课程涉及的各类传感器多达十几种。在传统教学过程中，传感器教学以理论教学为主，教材更多的是对基础电路的分析，这使学生缺乏对传感器实物的认知，难以学以致用[4]。

（二）实践能力不足

传感器与仪表是一门理论与实践紧密结合的课程，用以解决现代科学与工程中的复杂工程问题。传统教学由于课时限制，实践环节偏少，且大多是针对传感器特性开展的验证性实验，例如应变片电桥性能实验、电容式传感器的位移特性实验、压力传感器的压力特性实验等[5-6]。这些实践虽然可以加深学生对传感器原理的理解，但是由于缺乏自主实验的设计，对如何培养学生利用传感器解决复杂工程问题的能力方面仍有所欠缺。

二、案例探究式的课程教学改革

案例探究式教学模式主要通过构建教学案例库和实验案例库引导学生主动探索和学习，并最终采用多元化的考核机制进行考核[7-8]。

传感器与仪表课程需要教师具有扎实的理论基础和丰富的实际工程经验，能将传感器的典型应用案例引入课堂，引导学生独立思考并解决复杂的工程问题。我校在钢铁冶金行业的自动化控制和监测上具有较强的应用背景，本团队在冶金机械的状态监测和故障诊断上积累了丰富的理论知识和工程经验，基本涵盖了课程中各类传感器的应用。这对课程的教学和实验案例库的构建具有重要的指导意义。

（一）教学案例库搭建

该课程主要包含三个部分，即各类传感器的原理及应用、自动检测系统的设计及应用、虚拟仪器技术。其中各类传感器的原理及应用涉及传统传感器和新型传感器，传统传感器涉及电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、热电式传感器等，新型传感器涉及光电式传感器、光纤传感器、超声波传感器、红外传感器等[9]。

教學案例库涵盖了整个课程的主线，其基础理论知识以PPT教学为主，应用知识则以PPT和视频结合的方式进行，需要验证和探索的知识则以仿真实验的方式进行。仿真环节主要基于虚拟仪器平台Lab VIEW进行开发，一方面可以让学生熟悉虚拟仪器软件的操作，快速入门并自主搭建简单的检测系统;另一方面仿真环节的加入，可以引导学生在课下进行学习和探索，将有限的实验课时更多地用在探索性实验上。

各部分内容对应的案例形式是根据教学内容本身的特色所设计的。

1.传感器原理等基础知识需要更强的理论支撑，所以主要以PPT的形式进行设计，设计传感器的结构、原理、测量电路等，并根据不同类型的传感器设计采用不同类型的案例库。传感器的应用实例以PPT和视频结合的方式进行设计，并尽可能涉及日常生活和制造业等。传感器原理的验证性实验则通过开发仿真系统进行线上实验，例如各类传感器的特性实验等。

2.自动检测系统的设计及应用需要综合运用传感器信号处理、自动控制等知识，实践性偏强，在设计案例库时主要以仿真和实践的形式进行。由于Lab VIEW支持各种类型的模拟量输入，基于现有的旋转机械故障检测平台可构建自主探索类案例库，如转速测量、温度测量、振动测量、轴偏心测量等案例。学生通过线上仿真开发和线下实践，对自动检测系统涉及的信号采集、信号处理、自动控制、状态监测等知识进行探究式学习。

3.虚拟仪器技术的案例库主要以工业应用为背景进行设计，以能搭建常用的自动检测系统为目的，对数据采集、数据处理、波形显示等基本功能进行教学，复杂的部分网络内容可以不在该课程中涉及。结合前面传感器原理和自动检测系统设计的知识，分别设计简单的仿真案例：各类传感器测量电路的搭建、传感器特性的验证、模拟量采集和分析（电流、电压、温度、转速、位移等），以及一个能解决实际问题的旋转机械状态监测系统。

（二）实验案例库的搭建

传统的传感器实验多以不同类型传感器的特性验证实验为主，学生在实验过程中缺乏独立思考和探索的空间[10]。因此，需要设置开放性的、具有探索空间的实验案例库供学生进行探究式实验。而原本的特性验证性实验则通过虚拟仪器系统以仿真的形式让学生进行学习。

在实验案例库的设计中，需要借助上述介绍的虚拟仪器仿真平台。学生在仿真平台上开发自动检测系统后，最终还是需要在线下进行实践。实验案例库也是围绕现有的旋转机械故障检测平台开展，初级的实验案例可以设置转速测量、温度测量、振动测量、轴偏心测量等;复杂的实验案例则可以设置为旋转机械状态监测。在线下实验的过程中，学生对传感器的选型、模拟信号处理、数字信号处理、自动检测等知识，都可以进行系统操作。这样更加有助于学生对理论知识的融会贯通，提高学生解决复杂工程问题的能力。

现有的旋转机械故障检测平台可供学生选取的放大器有1倍、10倍和100倍，数据采集卡具有模拟输入通道、输出通道和数字I/O通道。我们可以此构建实验案例库。

1.温度监测系统。根据提供的仪器设备搭建轴承温度监测系统。该系统涉及的传感器主要为温度传感器。可供学生选择的传感器类型有热电偶温度传感器、玻璃管液体温度传感器、光纤温度传感器、红外测温传感器等。该实验案例库可以锻炼学生用Lab VIEW编写简单的温度监测系统的能力。在采集卡的支持下，该软件系统编写比较简单，主要涉及数据采集、数据显示。而在线下实验中，学生需要根据所学知识和被测对象选择传感器类型、合适的被测量范围等。

2.转速监测系统。根据提供的仪器设备搭建轴承转速监测系统。该系统涉及的传感器主要为转速传感器。可供学生选择的传感器类型有激光式转速传感器、磁电式转速传感器。在采集卡的支持下，软件编程简单。在线下实验中，学生可以进一步学习和掌握不同转速传感器的测试原理和方式。

3.振动监测系统。根据提供的仪器设备搭建轴承振动监测系统。该系统涉及的传感器主要为振动传感器。可供学生选择的传感器类型有声发射传感器、压电式振动加速度传感器、电容式振动加速度传感器等。在采集卡的支持下，软件编程简单。在线下实验中，学生可以进一步学习和掌握采样定理、传感器安装等知识。

4.偏差监测系统。根据提供的仪器设备搭建轴承偏差监测系统。该系统涉及的传感器主要为位移传感器。可供学生选择的传感器类型有电感式位移传感器、应变式位移传感器、光栅位移传感器。在采集卡的支持下，软件编程简单。在线下实验中，学生可以进一步学习和掌握传感器原理和安装等知识。

5.旋转机械状态监测系统。根据提供的传感器和各状态指标的异常阈值搭建复杂的状态监测系统，并对异常状态进行报警。该案例库可以培养学生从方案制订、系统调试、系统完善到系统上线的工程全流程的能力。系统的编程，难度适中。线下实验可以培养学生在实践中解决异常问题的能力。

实验案例库的数量适中，前面4个实验案例都是单指标监测，主要了解各物理量的检测方法、传感器选择、传感器安装、信号预处理等知识，入门比较容易。而最后的实验案例库，更多的是培养学生的综合能力，提高学生解决实际工程问题的能力。

这些实验大多可以有不同的解决方案，学生的参与度非常高，在实验过程中的教育收获也比简单的验证实验要多。此外，不需要改变现有的理论教学和实践教学的时间比例。

（三）探究式学习机制

由于传感器课程的理论知识比较枯燥，自动化专业更需要培养的是学生根据传感器的原理进行自动检测系统搭建的能力，而非制作传感器的能力，在这种情况下，灌输式的教学模式很难让学生真正掌握传感器的应用知识。甚至在缺乏实际操作的情况下，部分学生对模拟信号放大、模数转换的工程意义还比较模糊。通过探究式学习机制，教师根据理论教学内容的进度，可以下达仿真实验的任务;学生根据任务进行分组讨论并完成任务;教师再根据学生完成任务的情况进行答疑和评定。在这个过程中，初级仿真实验的难度不是很高，从特性验证到搭建简单的单指标监测系统，这些都是可以在不占用特别多的课外时间的情况下分组完成。而旋转机械状态监测系统由于涉及多指标的监测，更能培养学生的团队合作、方案制订、方案实施、方案完善等综合能力。

在一个个由浅入深的仿真实验的完成过程中，学生会不断收获成就感，增加课程学习的代入感，提高课程学习的兴趣，最终提高解决复杂工程问题的能力。

（四）多元化考核机制

基于案例式的传感器与仪表课程的仿真和实验对学生的综合能力反映更加直观。因此，课程考核不能单凭理论考试的成绩决定，而是需要综合考虑理论知识掌握程度、过程学习表现、实践能力等因素。其中理论知识掌握程度可以通过理论考试进行考核，过程学习表现需要综合考虑学生在分组进行仿真实验和线下实验过程中所表现出来的主动性、团队协调性、方案合理性、总结与汇报能力等;实践能力则需要考查学生在线下实验过程中所表现的实操能力和解决问题的应变能力。

在整个考核过程中，教师的参与尤为重要，只有教师全程参与，才能给出合理的仿真和实践的考核成绩。多元化的考核机制，将学生的学习能力、团队协作能力、实践能力、解决复杂工程问题能力作为考核学生的标准，有助于学生积极主动地参与到各个教学环节中。

三、结论及建议

（一）主要结论

文章对传感器与仪表课程的案例探究式教学模式进行了探索，得到了如下结论。

1.案例探究式教学和实验的核心是根据课程的内容构建不同类型的案例库，且案例库需要难易结合，逐步增加其复杂度。

2.案例探究式教学需要教师给予学生足够的学习空间去思考、讨论和总结，最终培养学生解决复杂工程问题的能力。

（二）研究建议

虽然案例探究式教学从教学方式、实验设计等方面进行了改革，可以提高学生解决复杂工程问题的能力，但仍需要注意以下问题。

1.优化课程案例库。课程案例库应以社会工程的需求为导向，时刻关注传感器的前沿知识，特别是新型传感器的应用。同时，需要不断完善案例库，以达到与时俱进的目的。

2.控制探究式实验节奏。在探究式仿真和实验的环节中，初期的学生对虚拟仪器系统的应用十分生涩，教师需要进行正确的引导，合理安排时间让学生完成仿真实验，后期则可以加快探究式实验的节奏。在整个过程中，虽然学生以探究式学习为主，但是教师的及时跟进也很重要，不能放任学生自己学习。整个学习过程中，教师必须要做到布置任务—跟进任务—评定任务的闭环把控。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 蔡剑华，郭杰荣，王先春，等.校企合作中项目式教学在传感器与检测技术课程教学里的应用[J].大学教育，2015（11）：125-126.

[2] 孙静.基于工程实践能力的智能仪器仪表与传感器教学改革：以黎明职业大学为例[J].黎明职业大学学报，2018（3）：59-62.

[3] 谢春利，刘俊杰.传感器系列课程的教学改革与实践[J].大连民族大学学报，2017（1）：83-86.

[4] 陈成军，李东年.机电一体化系统设计案例教学研究与实践[J].大学教育，2017（9）：54-56.

[5] 贾启生.一体化教学在传感器课程中的应用[J].科技创新导报，2019（34）：223，225.

[6] 李海岗，白树全，杨秀芳，等.虚拟仿真技术在汽車传感器课程教学中的研究[J].大学教育，2020（7）：82-84.

[7] 江勇.基于项目化的传感器课程改革研究[J].山东工业技术，2017（5）：292.

[8] 敖邦乾，熊飞峤.探索高校传感器与检测技术教学改革[J].大学教育，2016（8）：177-178.

[9] 牛礼民.测试技术与信号处理课程案例式教学探索[J].大学教育，2017（12）：36-38.

[10] 汪蕾.传感器课程的混合式教学模式新探[J].辽宁农业职业技术学院学报，2020（3）：39-42.

[责任编辑：李香莲]