智能傳感與檢測技術(shù)的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計論文
智能傳感與檢測技術(shù)的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計論文
【摘要】針對傳統(tǒng)傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)的特點，分析當(dāng)前教學(xué)存在的問題，結(jié)合目前技術(shù)發(fā)展趨勢及社會發(fā)展需要，提出了智能傳感器與檢測技術(shù)課程。描述了智能傳感器與檢測技術(shù)課程的優(yōu)點，提出了一種全新的理論教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法。采用新型傳感器、最新嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)等完成了智能傳感器的綜合項目，將理論知識綜合應(yīng)用于實踐項目，很大程度上提高了學(xué)生的實際項目開發(fā)能力。并通過教學(xué)過程考核，全方位考查了學(xué)生的掌握程度。
【關(guān)鍵詞】智能傳感器；教學(xué)項目；過程考核
智能科學(xué)與技術(shù)是面向前沿高新技術(shù)的本科專業(yè)，經(jīng)過近幾年的發(fā)展其廣泛的應(yīng)用前景日趨明顯，比如智能機器人、智能電器、智能家居等產(chǎn)品的技術(shù)越來越成熟，對人類生活的方方面面產(chǎn)生了重要的影響。然而傳感器在這些智能產(chǎn)品中起著重要的作用。因此傳感器與檢測技術(shù)這門課程在諸多高校的電子信息類專業(yè)中作為一門重要的專業(yè)課[3]。隨著智能科學(xué)技術(shù)專業(yè)的誕生以及傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，各種新型傳感器不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)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(chuàng)造學(xué)生價值”的辦學(xué)理念，為了適應(yīng)時代的需要和智能科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，針對傳感器課程進行改革和創(chuàng)新，并將課程命名為智能傳感與檢測技術(shù)。傳統(tǒng)的傳感器與檢測課程的主要任務(wù)是以傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、測量電路和應(yīng)用方法為主，而在智能傳感與檢測技術(shù)中不但講授各種傳感器的工作原理、測量電路以及應(yīng)用方法，更重要的是結(jié)合智能科學(xué)的特點將傳感器與嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)以及虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合。側(cè)重于傳感器應(yīng)用的智能性和通用性，為智能產(chǎn)品的開發(fā)提供良好的教育基礎(chǔ)。
1教學(xué)現(xiàn)狀分析
傳統(tǒng)的傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)中，理論知識偏多，實踐課程偏少。而在課程中設(shè)置的實驗課大都是驗證類的實驗，并不能滿足培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的需求。目前來說傳感器與檢測技術(shù)課程存在如下幾個問題：1)教學(xué)內(nèi)容陳舊，不能及時更新，因而不能反映最新的傳感器技術(shù)水平；2)教學(xué)重原理，輕實踐。課程內(nèi)容比較抽象，涉及到很多物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等多個學(xué)科的知識，記憶和理解難度大；3)課程內(nèi)容之間缺乏整體聯(lián)系，一個章節(jié)講述一種工作原理的傳感器，不同章節(jié)之間聯(lián)系較少；4)實驗教學(xué)內(nèi)容驗證性實驗較多，設(shè)計和創(chuàng)新性內(nèi)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(yīng)用的需要。針對出現(xiàn)的這些普遍性問題，在智能傳感與檢測技術(shù)課程中，筆者認為應(yīng)從教學(xué)培養(yǎng)方案設(shè)計、教學(xué)大綱設(shè)計、教材與教學(xué)內(nèi)容的改革以及教學(xué)方法和手段等方面綜合考慮解決方法。
2課程培養(yǎng)目標(biāo)
根據(jù)智能科學(xué)技術(shù)專業(yè)的特點，為了適應(yīng)科技發(fā)展的需求，智能傳感器與檢測技術(shù)這門課程旨在讓學(xué)生掌握各類傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、測量電路和應(yīng)用方法，建立完整的檢測技術(shù)整體概念[1]，具備傳感器與檢測技術(shù)方面的基本知識和基本技能。對生產(chǎn)和科研任務(wù)中的檢測任務(wù)能夠正確的選擇傳感器以及配套的測量電路，設(shè)計相應(yīng)的測量系統(tǒng)，完成所承擔(dān)的檢測任務(wù)。通過課程中的項目設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)鞲衅鬟M行模塊化設(shè)計，組成傳感器系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，完成多參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計[2]。本課程是針對智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的三年級下半學(xué)期全體學(xué)生開設(shè)的專業(yè)課，同時學(xué)生前續(xù)課程中將所學(xué)的《數(shù)字電路》、《模擬電路》、《電路分析》、《單片機原理與應(yīng)用》、《虛擬儀器技術(shù)》等課程作為基礎(chǔ)知識，與實際項目相結(jié)合，通過項目實踐深入的理解智能檢測系統(tǒng)的開發(fā)過程，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。課程結(jié)束后學(xué)生不但能夠深入理解所學(xué)的理論知識，而且能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識熟練地應(yīng)用到智能檢測系統(tǒng)設(shè)計等實際的工程當(dāng)中，進而提高學(xué)生的工程實踐能力。
3教學(xué)改革方法
智能傳感與檢測技術(shù)是一門應(yīng)用性很強的課程，通過理論知識指導(dǎo)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(xué)和實踐教學(xué)緊密結(jié)合是一種較好的教學(xué)方法。教學(xué)改革也要同時從理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩個方面入手，提高課堂教學(xué)和實踐教學(xué)的效果。而學(xué)生是教學(xué)改革活動中的主體，所有的改革都以學(xué)生為中心，結(jié)合當(dāng)今技術(shù)發(fā)展情況從學(xué)生的需求出發(fā)。因此在本課程的教學(xué)改革過程中，需通過深入研究和反復(fù)實踐從以下幾個方面進行提升：1)以TOPCARES－CDIO人才培養(yǎng)模式為指導(dǎo)進行教學(xué)培養(yǎng)方案的設(shè)計。對專業(yè)人才培養(yǎng)預(yù)期應(yīng)掌握的知識、能力、態(tài)度進行明確的、具體化的分析，重視實踐項目在人才培養(yǎng)中的作用，構(gòu)建一體化的人才培養(yǎng)方案和教學(xué)體系。2)理論教學(xué)方面主要是讓學(xué)生掌握傳感器的工作原理和特性，學(xué)會傳感器的設(shè)計和使用。但是僅靠灌輸性的講解會比較枯燥，達不到教學(xué)的目的。因此需要結(jié)合實際應(yīng)用引出傳感器的工作原理，合理組織教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在用中學(xué)、學(xué)中用，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外應(yīng)讓學(xué)生參與到教學(xué)過程中，改變傳統(tǒng)的以教師為主導(dǎo)、學(xué)生被動接受信息的知識傳授方式�？刹扇∫韵麓胧孩偻ㄟ^課前預(yù)習(xí)課堂提問的方式，提升同學(xué)們的參與意識。②部分內(nèi)容學(xué)生講解，老師點評的方式展開學(xué)習(xí)。③增加課堂分組討論，老師提供問題和應(yīng)用場景，學(xué)生分組討論解決方案，提高學(xué)生的參與度和積極性。④布置課外書面作業(yè)和項目調(diào)研報告，讓學(xué)生課后能夠有效復(fù)習(xí)、應(yīng)用所學(xué)知識。3)實踐教學(xué)一直是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的重要途徑，但是如果按照實驗指導(dǎo)書生搬硬套的實驗操作并不能真正提高學(xué)生的動手能力。因此除了原理驗證型實驗之外，增加應(yīng)用項目于實踐教學(xué)中，讓學(xué)生不僅能讀取傳感器的數(shù)據(jù)，還能結(jié)合電子線路的知識、微處理器的知識和通信技術(shù)能夠采集和處理相關(guān)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建具體實用的智能檢測系統(tǒng)應(yīng)用方案。通過實踐項目讓學(xué)生加深對智能傳感器工作原理的理解，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的實際項目應(yīng)用能力。4)根據(jù)智能傳感與檢測技術(shù)一體化的教學(xué)體系，組織編寫可用于一體化培養(yǎng)方案的一體化教學(xué)教材。編寫的教材要能體現(xiàn)最新的傳感器技術(shù)和最新的應(yīng)用，緊密結(jié)合實際，讓學(xué)生把課程的學(xué)習(xí)與日常生活結(jié)合起來，通俗易懂，可操作性強。根據(jù)傳感器技術(shù)的發(fā)展，需定期對教材進行更新和修訂，以適應(yīng)時代的發(fā)展。
4教學(xué)內(nèi)容安排
傳統(tǒng)的傳感器與檢測技術(shù)的主要教學(xué)內(nèi)容中除了講解傳感器與檢測技術(shù)的基本知識、各種常用傳感器的介紹、標(biāo)定、檢測系統(tǒng)的組成外，并沒有實際的項目在課程中。不但導(dǎo)致學(xué)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(shù)課程的教學(xué)中，以理論課和實驗課相結(jié)合進行授課，目前在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中總課時是80學(xué)時，其中理論課是48學(xué)時，實踐課是32學(xué)時。理論課程中是以按照項目分類，根據(jù)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(yīng)用方法等。實驗課則分為基礎(chǔ)實驗課和項目實踐課兩部分。理論教學(xué)內(nèi)容包括：檢測技術(shù)的基本知識；常用傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、測量電路和應(yīng)用方法。實驗課的主要內(nèi)容包括：常用傳感器工作特性實驗，包括測量電路的零點調(diào)試，線性度調(diào)試、測量數(shù)據(jù)擬合等。項目實踐課內(nèi)容包括：項目的需求分析，硬件設(shè)計，軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試等步驟。
5教學(xué)項目設(shè)計
智能傳感與檢測技術(shù)課程中的項目教學(xué)是一個系統(tǒng)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(shè)備。在智能傳感與檢測技術(shù)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(xué)效果，因此實驗實訓(xùn)平臺的選擇是一項重要的指標(biāo)。為了能更好的結(jié)合理論教學(xué)，針對智能傳感與檢測技術(shù)所選用的實驗實訓(xùn)平臺必須具備以下幾個特點：1)采用的實驗實訓(xùn)平臺要有足夠種類的傳感器，并采用模塊化設(shè)計。2)配備統(tǒng)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(tǒng)，并且能夠適應(yīng)不斷更新的處理器。4)價格合理、售后服務(wù)良好、教學(xué)資源豐富。綜上幾點，在智能傳感與檢測技術(shù)課程中，采用的是上海碩博科教設(shè)備有限公司的“SBJCS-1113創(chuàng)新型測控/傳感器技術(shù)綜合實驗實訓(xùn)平臺”，該平臺配備大量常用傳感器，同時具備工業(yè)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(zhuǎn)換、調(diào)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(xué)生可以做到學(xué)以致用。該實驗實訓(xùn)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(yīng)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(shè)計：采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計，增強系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性和互換性。3)總線標(biāo)準(zhǔn)：建立統(tǒng)一的內(nèi)總線和接口約定，以實現(xiàn)最靈活的個性化配置、擴展和系統(tǒng)管理。4)接近工程實際：實驗裝置上采用多種工業(yè)型傳感器，既可以用來完成傳感器原理、結(jié)構(gòu)與調(diào)理電路的教學(xué)，也可以用解決工業(yè)工程和過程中的實際問題。5)學(xué)以致用：構(gòu)成實驗裝置中的智能儀器的各模塊，在其設(shè)計時充分體現(xiàn)實際系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計技術(shù)和可靠性設(shè)計技術(shù)，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(zhuǎn)換與信號調(diào)理電路采用工業(yè)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(shù)字信號處理方法，采用典型的也是未來實踐系統(tǒng)首選的數(shù)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(shè)計：結(jié)合工程實際給出了一個將常規(guī)儀器實現(xiàn)智能化的實例。7)開放式設(shè)計：實驗裝置中的軟、硬件及系統(tǒng)均按照全開放的思想進行設(shè)計，以便于學(xué)生開展研究型和創(chuàng)新型的實驗。在項目教學(xué)中，教師指導(dǎo)學(xué)生，按照項目開發(fā)的流程來完成系統(tǒng)的需求分析、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試等步驟。最后完成整個項目的總結(jié)報告，并以小組為單位完成課程項目的設(shè)計。學(xué)生可以利用課外時間，完成資料查找、系統(tǒng)設(shè)計和代碼編寫等工作。本項目要求學(xué)生完成一個智能家居遠程監(jiān)控模擬系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)比起來，智能傳感器檢測系統(tǒng)更加具有智能性、綜合性等特點，將傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)以及虛擬儀器技術(shù)有機結(jié)合，使學(xué)生深入理解智能傳感器與檢測技術(shù)這門課的應(yīng)用，具體項目教學(xué)安排見表1。
6課程考核形式
在素質(zhì)教育的大背景下，課程的考核的結(jié)果不能只看期末考試成績，應(yīng)采用多元化的考核方式，要能反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、應(yīng)用能力和解決問題的能力。本課程的考核貫穿整個教學(xué)過程，最終成績由課堂表現(xiàn)、作業(yè)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(yīng)根據(jù)學(xué)生的課上表現(xiàn)和問題回答情況記錄成績，作為平時成績的依據(jù)。實驗成績要能體現(xiàn)實驗過程中的表現(xiàn)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(xiàn)、階段性成果成績、最終項目結(jié)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(nèi)容側(cè)重對傳感器工作原理和應(yīng)用設(shè)計的考核�？傮w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(xiàn)學(xué)生的綜合素質(zhì)和水平。其中項目教學(xué)作為教學(xué)改革的創(chuàng)新點，所以項目考核形式的也是多樣化的�？己素灤┰诮虒W(xué)過程的各個環(huán)節(jié)，從學(xué)生的出勤、日常表現(xiàn)、作業(yè)、實驗、項目及考試等，對學(xué)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(xiàn)場操作、教師提問、解答幾個環(huán)節(jié)，通過答辯，教師可以直觀評價學(xué)生對相關(guān)理論的掌握程度，綜合評價學(xué)生的實際應(yīng)用能力及應(yīng)變能力，對設(shè)計不完善的地方給予指導(dǎo)建議，給學(xué)生提供創(chuàng)新的空間。智能傳感與檢測技術(shù)這門課的所有考核項目中，采用過程考核和終結(jié)考核相結(jié)合的方式能夠全方位的考核學(xué)生的平時學(xué)習(xí)情況及動手實踐能力，并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。
7結(jié)語
智能傳感與檢測技術(shù)是電子信息類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)課，如何讓學(xué)生更好的掌握理論知識提升應(yīng)用能力一直是困擾任課教師的難題。筆者從教學(xué)培養(yǎng)方案、教材與教學(xué)內(nèi)容的選擇以及教學(xué)方法和手段等方面進行了分析和探索，提出了相應(yīng)的改革舉措。文中的改革舉措是TOPCARES-CDIO人才培養(yǎng)模式在智能傳感器與檢測技術(shù)上的運用，采用教學(xué)與項目相結(jié)合的方式對當(dāng)今智能傳感與檢測技術(shù)的教學(xué)具有有益的參考價值。
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