虚实一体化的传感器技术及应用课程项目式教学实践

摘 要 通过对传感器技术及应用课程的教学理念、内容、方法与考核评价等方面的研究分析，探索虚实一体化的项目式创新课程设计，采用项目式教学模式，理论与实践教学有机组合；以产线检测项目与工程应用为核心，将智能制造领域常用传感器技术应用场景与实例融入课程教学；设计基于虚拟仪器和仿真工程环境搭建的虚实一体化实验教学方法，改进实验过程和手段；通过信息化的课程改革设计与创新实践，激发学生学习应用新型传感技术的兴趣，培养学生的创新能力及工程实践能力。

关键词 项目式教学；虚实一体化；传感器技术及应用；仿真实验；新工科；实验教学平台

中图分类号：G712 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）18-0083-05

0 引言

当前，人类社会正处于从信息时代向智能时代迈进的关口，人工智能等新一代信息技术正在引发人类社会新的变革。对于高等教育来说，人工智能等新一代信息技术推动了教育模式转型，提高了知识传递效率，强化了学生的学习效果，使高等教育开始真正趋于智慧化。传感器技术及应用是应用型本科以及职业院校电子信息工程、电子科学与技术、智能科学与技术、自动化、电气工程及其自动化等电学类专业的一门专业核心课程，涉及机械、动力、电子、信息处理等众多学科交叉技术领域，体现了信息化和新兴产业化的结合。该课程通过系统讲授各种传感器的工作原理、结构组成、测量电路和应用等方面的内容，要求学生在掌握各类传感器原理的基础上，能够达到合理选择与使用各类传感器，并初步具备自动传感检测系统设计与应用能力的目标。随着智能时代的来临和信息技术的飞速发展，传感技术已成为现代智能信息技术的三大关键核心技术之一，在人工智能、工业制造、物联网、机器人、航空航天、海洋探测等各个领域都有广泛的应用。同时，传感检测技术的发展及新型传感器产品的研发、使用和维护，对高校应用型、创新型传感人才的培养目标和内容提出新的要求，因此，传感器技术及应用课程的重要性不言而喻[1-3]。

目前，国内很多高校围绕应用型、创新型新工科专业人才培养需求开展传感器技术及应用课程教学改革。虚实一体化是指通过建立实际物体与虚拟仿真环境相互关联和结合的教学环境，将实物实验与虚拟实验相对应建立虚实样本等效模型，并通过数字化虚拟仿真实验技术来对应展示实际测量过程和分析实物实验性能与结果，进而实现教学研究对象虚实结合的信息化教学。结合传感器技术及应用课程教学实践，本文提出一种基于虚实一体化教学设计的项目式课程改革与创新方案，通过分析传感器技术及应用课程教学实践过程中存在的主要问题，按照新工科专业人才培养要求，以行业企业典型岗位能力要求更新教学内容，并将智能制造领域常用的传感器技术应用场景与实例融入课程教学，实施项目式教学。借助现代信息技术和产学研合作教育的优势，对接传感器及检测技术工程化应用，提出基于虚拟仪器和仿真工程环境搭建的虚实一体化实践教学方法，设计传感器元件检测电路仿真组件和仿真传感测控系统虚拟化实验项目，改进传感器性能测试与技术应用在课堂教学中的实验过程和手段。通过信息化课程改革设计与创新实践，配套形成系统性教学组织与评价考核方法，激发学生学习应用现代新型传感技术的兴趣，培养学生的创新能力及工程实践能力[4-6]。

1 相关背景

与传统工科相比，新工科强调实用性、交叉性、综合性。传感器技术及应用课程属于新工科专业核心课程，涉及知识面较广。该课程本身综合性较高，既有深邃的专业理论概念，又有涉及不同行业和场景的各类检测技术应用，且与电子信息、通信工程、控制工程、机器人技术、物联网工程等多个技术应用类专业的核心课程紧密关联。该课程有较强的专业理论和知识综合分析要求，更强调实践中的技术系统设计与综合应用。然而，以往课程教学中，教师主要是以传统分类方法依次进行各种传感器的理论讲授，原理性内容较多，理论知识繁杂冗长，且以推导与推理为主，与具体应用需求联系不紧密，导致学生学习难度上升，学习兴趣和掌握能力不高。例如：讲授各类常用传感器时，教师侧重讲述其工作原理及材料类别，忽略了传感器技术的具体检测应用过程和方法的指导，导致学生感觉知识点晦涩难懂、不明所以；讲授技术应用时，侧重于单个元器件测量的计算推导和原理分析，导致学生只会理论计算，却不会系统化设计与配置传感器，同时导致学生学习理论知识过多而实践能力较弱，即学生面对具体的传感检测系统设计任务、传感器选型过程和精度要求以及传感器与测控系统的线路工程设计等方面，感到无从下手。

另外，实验教学项目均为原理验证性实验，操作简单，导致学生在实验室只能根据指导书简单连接导线、操作开关、记录数据、观察结果，无法针对传感器器件在制造业真实生产线和设备中的实际应用场景进行技术复现与演练。同时，实验教学项目应用性、可拓展性不强，缺乏综合应用及创新类的实验内容，不能展示和体现当前先进传感器技术的综合性、实践性和先进性。比如应变片电桥，电感式、光电式以及热电偶等各类传感器的特性实验，学生只是为了测量而测量，不能直观学习和理解传感特性参数与方式在自动化生产与智能制造过程中的作用和应用方法，学习缺少积极性、主动性和创新性[7-8]。

概括来说，传感器技术及应用课程以往教学中主要讲解传统工业应用中的传感器器件和原理技术，按照普通工业自动化设备和系统中的常规传感检测方法和特点进行各种传感器的教学，缺乏现代智能制造产业与新一代信息化产业中出现的大量智能化、无线化、微型化、集成化等新型传感器的相关知识与技术应用，导致学生学习掌握的传感器技术知识和能力与现在社会经济发展中日益成熟和普及的机器人、人工智能、工业互联网等应用领域出现明显脱节，不能满足社会对检测技术的要求。

本文在课程实践中通过突出新型传感器在新兴智能化产业中的重要作用与典型应用，借助虚拟仪器和数字化技术教学手段，创新项目式课程教学方法与过程，开展虚实结合的传感器技术仿真实验教学设计，结合综合性的专业化自动测量与控制设备，开发传感器虚拟实验，设计真实检测案例的虚拟仿真实验项目，深入浅出地将传感器技术应用岗位的相应知识点归纳到项目化课程教学实践过程中，将与检测相关的国家、行业标准规范融入具体工作任务实施，培养学生的综合应用能力与创新工程化素质，真正让学生在解决实际问题的过程中既能够理解理论知识，又能够具备较强的实践能力，做到学以致用、理论联系实际。

2 虚实一体化的传感器技术及应用课程项目式教学实践

2.1 更新课程教学内容，开发项目式测量任务，设计项目式教学流程

传感器技术及应用课程教学改革设计首先从教学内容和教学模式设计开始。课题组深入企业一线，结合传感器技术主要应用行业发展现状、技术发展趋势与当前人工智能技术不断普及情况，获取很多工程实际检测案例，并进一步提炼出装备制造业中常用的典型参量检测任务。紧贴培养应用型、创新型人才目标，对教学内容进行项目化更新整合。采用项目式教学设计，以传感器检测核心参量和检测工作场景为载体，进行各种常用传感器的选型、安装、调试、检测及应用技术学习。以具体测量任务为导向，采用工程实际中具体传感器测量工作的实现过程组织教学单元，设计多个可操作性任务环节，以检测任务过程参与解决当前技术性问题并完成多个项目化综合性任务。课堂教学中灵活组织任务，让学生成为学习的主体。

具体设计的传感器检测项目包括温度的检测、力和压力的检测、流量的检测、运动学量的检测、物位的检测、环境量的检测以及现代智能传感系统多参量综合检测等。每个项目下设多个学习任务，包含项目引入、任务背景、知识学习、应用案例、技能提升、巩固与拓展等模块。课程项目化教学结构设计如图1所示。

2.2 虚实结合，设计开发传感器检测案例虚拟实验项目，构建虚实一体化实验教学平台

进行项目式课程实践教学创新设计，将虚拟化实践教学方法嵌入项目化教学过程。借助计算机仿真软件，开发基于虚实一体化理念的创新数字化实验教学项目。通过整合软硬件设备资源，利用虚拟仪器实验室、自动控制实验室、自动化生产线实训装置、机器视觉实验室、智能机器人实验室等实验仪器和设施，导入相关软硬件教学资源项目库，不断整合信息化资源和工程应用案例，持续优化新型传感器应用教学项目库，完善虚实一体化实践教学资源，形成虚实一体化实验教学平台。

首先，在原有传统实验设备基础上，对应其中的传感器工作特性和机理，设计传感器数字化虚拟检测实验。利用电子仿真软件、单片机及IDE软件结合传感器及检测技术实验套件，开发电容式传感器测量位移、热电偶传感器测温、差动变压器传感器测量位移、气敏传感器检测酒精、湿敏传感器测量环境湿度、PN结传感器测温、电涡流传感器测量位移、热敏电阻传感器测量温度、霍尔式传感器测量位移、金属箔式应变片传感器测量压力等十余个传感器技术基础实验。

其次，引入工程技术检测设备和产品作为仿真实验的实体参考设备，如工业机器人自动化检测装置、柔性生产线检测设备、机器视觉引导装置、机床振动测试仪、智能小车循迹系统、服务机器人等。以设备传感检测资源与应用方法为参考，提炼自动化生产、智能制造、智能机器人及物联网应用中的典型传感器测量案例。对照案例系统中的实际传感器元件和测量显示器件以及控制单元进行分解和原型功能分析，分别完成传感器件原理电路分析仿真设计和传感检测系统测量应用仿真设计。在对应工业自动化生产线测量与控制设备中的传感器测量实体基础上，先后设计生产线温控测量系统、智能小车红外光电循迹检测系统、工业机器人视觉检测产品分类系统、机械振动频率应变片测量系统、钢板厚度位移测量系统、自动化搅拌称重系统等综合型虚实一体化实验项目。通过虚拟传感检测实验项目实施，学生能够开展实际传感器件的仿真原理电路、连接线路和驱动放大电路的搭建与测试实验，借助虚拟仪器平台环境和控制器代码编程还能够完成测量系统搭建、控制结果显示等工程化测量任务的虚拟过程实施，进一步了解掌握自动化设备内传感单元的检测过程和调节控制状况的手段，学习实际应用中的传感测试方法和判断依据。典型虚实一体化传感检测实验项目设计流程如图2所示。

2.3 闭环式项目教学，引导学生创新实践，构建虚实结合的信息化创新教学组织模式

在课程教学实践过程中，基于虚实一体化实验教学平台，将真实测量案例和工程化情境作为任务导入传感器技术课程教学项目，针对每个项目把教学过程分成课前准备、课堂实施、课后拓展、考核与评价四大模块，创新实践训练组织过程，形成闭环式项目化教学模式。传感器技术及应用课程闭环式项目教学组织流程如图3所示。

引导学生做到预习传感器件知识→熟悉传感电路原理→操练测量过程→创新检测技术应用。学生在课前预习虚拟仿真实验项目，编制程序软件，减少课堂现场编程时间。

在课堂实施上设置“导入问题→虚拟连接电路并测量数据→改变参数并观察变化→对比真实系统进行分析与总结→掌握测量技能”这五大教学环节。课堂上教师适度讲解分析，利用讲授法、引导法、讨论法、案例分析法以及过程仿真调试等教学手段，模拟实现一个完整的工程化项目。学生在操练阶段以小组为单位协同开展实验，教师巡回指导、点评。根据学生学习情况，重点对普遍反馈的疑难问题和实验中的关键步骤进行讲解。

通过学习“传感器的需求分析→产品方案设计→安装及调试→运行数据分析”的整个操作过程，让学生完成器件选型、系统设计、接线操作、控制编程、检测调试等技能训练，培养学生的工程应用和实践创新能力，提升学生的综合职业素养。教学过程中任务明确、讲练一体、虚实结合，鼓励学生学以致用、主动学习，自主进行实验项目的构思、开发和设计，并进一步付诸操作和实施，培养学生的独立思考和实践创新能力。

3 结束语

本文通过分析传感器技术及应用课程教学实践过程中存在的主要问题，根据专业能力培养要求，对接新一代信息化产业中的岗位能力需求，改革课程教学内容、组织过程与教学方式，进行信息化教学实践创新。采用项目式教学组织模式，开展工程化项目任务教学，将智能制造领域常用的传感器技术应用场景与实例融入课程教学。设计基于虚拟仪器和仿真工程环境搭建的虚实一体化实验教学平台，以多媒体技术、数值模拟与仿真技术为支撑，基于虚实一体化的数字化实验设计方法，结合综合性的专业化自动测量与控制设备开发传感器虚拟实验，设计具有先进前沿技术与工程实用性的综合案例模块。进行对应仿真程序设计，开发典型的检测工程实践教学案例和实现对应的测量过程实验。通过课程改革实践，改进传感器性能测试与技术应用在课堂教学中的实验过程和展示手段，突出传感器技术在新一代信息化、智能化产业中的重要作用与典型应用，体现新工科对于岗位技能要求与学习内容的对接，较好地激发学生学习应用现代新型传感技术的兴趣，培养学生的创新能力和工程实践能力，促进课程教学质量和人才培养能力提升。

4 参考文献

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