案例探究式教學在傳感器與儀表課程中的應用

嚴保康　盧少武　寧博文

[摘 要]基于學生對傳感器與儀表課程認知和解決復雜工程問題能力不足的現狀，文章探討了案例探究式教學模式的具體應用策略，以增強學生對傳感器實物的認知，提高學生解決復雜工程問題的能力，即以實際工程項目案例作為理論和實踐的橋梁，輔以虛擬儀器的仿真技術，設計開放性的實驗進行工程問題的方案設計、實施和驗證，以達到使學生在仿真和實踐中對理論知識融會貫通的目的。

[關鍵詞]傳感器;復雜工程問題;案例;虛擬儀器

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）05-0130-03

隨著新工科建設理念的提出，各大高校開始對傳統工科專業進行升級改造，例如一些針對新興產業而設立的新專業：人工智能、智能制造、機器人、云計算等[1-2]。這類新專業的設立會讓傳感器這類課程成為必要的基礎課程，因為所有與智能相關的領域都離不開大數據，而大數據的獲取必須依靠傳感器去感知[3]。傳感器與儀表是武漢科技大學（以下簡稱“我校”）自動化專業學生的一門專業必修課，是學習和了解自動控制過程不可缺少的課程。而這門課在教學過程中常面臨學生知識吸收少、實踐能力弱等問題。文章結合我校自動化專業特色背景，探討基于案例探究式的傳感器與儀表課程教學改革。

一、課程教學過程面臨的問題

（一）缺乏對傳感器實物的認知

傳感器與儀表是一門綜合性很強的課程，涉及電路技術、信號處理技術、自動控制技術等，教學內容繁多，課程涉及的各類傳感器多達十幾種。在傳統教學過程中，傳感器教學以理論教學為主，教材更多的是對基礎電路的分析，這使學生缺乏對傳感器實物的認知，難以學以致用[4]。

（二）實踐能力不足

傳感器與儀表是一門理論與實踐緊密結合的課程，用以解決現代科學與工程中的復雜工程問題。傳統教學由于課時限制，實踐環節偏少，且大多是針對傳感器特性開展的驗證性實驗，例如應變片電橋性能實驗、電容式傳感器的位移特性實驗、壓力傳感器的壓力特性實驗等[5-6]。這些實踐雖然可以加深學生對傳感器原理的理解，但是由于缺乏自主實驗的設計，對如何培養學生利用傳感器解決復雜工程問題的能力方面仍有所欠缺。

二、案例探究式的課程教學改革

案例探究式教學模式主要通過構建教學案例庫和實驗案例庫引導學生主動探索和學習，并最終采用多元化的考核機制進行考核[7-8]。

傳感器與儀表課程需要教師具有扎實的理論基礎和豐富的實際工程經驗，能將傳感器的典型應用案例引入課堂，引導學生獨立思考并解決復雜的工程問題。我校在鋼鐵冶金行業的自動化控制和監測上具有較強的應用背景，本團隊在冶金機械的狀態監測和故障診斷上積累了豐富的理論知識和工程經驗，基本涵蓋了課程中各類傳感器的應用。這對課程的教學和實驗案例庫的構建具有重要的指導意義。

（一）教學案例庫搭建

該課程主要包含三個部分，即各類傳感器的原理及應用、自動檢測系統的設計及應用、虛擬儀器技術。其中各類傳感器的原理及應用涉及傳統傳感器和新型傳感器，傳統傳感器涉及電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器等，新型傳感器涉及光電式傳感器、光纖傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器等[9]。

教學案例庫涵蓋了整個課程的主線，其基礎理論知識以PPT教學為主，應用知識則以PPT和視頻結合的方式進行，需要驗證和探索的知識則以仿真實驗的方式進行。仿真環節主要基于虛擬儀器平臺Lab VIEW進行開發，一方面可以讓學生熟悉虛擬儀器軟件的操作，快速入門并自主搭建簡單的檢測系統;另一方面仿真環節的加入，可以引導學生在課下進行學習和探索，將有限的實驗課時更多地用在探索性實驗上。

各部分內容對應的案例形式是根據教學內容本身的特色所設計的。

1.傳感器原理等基礎知識需要更強的理論支撐，所以主要以PPT的形式進行設計，設計傳感器的結構、原理、測量電路等，并根據不同類型的傳感器設計采用不同類型的案例庫。傳感器的應用實例以PPT和視頻結合的方式進行設計，并盡可能涉及日常生活和制造業等。傳感器原理的驗證性實驗則通過開發仿真系統進行線上實驗，例如各類傳感器的特性實驗等。

2.自動檢測系統的設計及應用需要綜合運用傳感器信號處理、自動控制等知識，實踐性偏強，在設計案例庫時主要以仿真和實踐的形式進行。由于Lab VIEW支持各種類型的模擬量輸入，基于現有的旋轉機械故障檢測平臺可構建自主探索類案例庫，如轉速測量、溫度測量、振動測量、軸偏心測量等案例。學生通過線上仿真開發和線下實踐，對自動檢測系統涉及的信號采集、信號處理、自動控制、狀態監測等知識進行探究式學習。

3.虛擬儀器技術的案例庫主要以工業應用為背景進行設計，以能搭建常用的自動檢測系統為目的，對數據采集、數據處理、波形顯示等基本功能進行教學，復雜的部分網絡內容可以不在該課程中涉及。結合前面傳感器原理和自動檢測系統設計的知識，分別設計簡單的仿真案例：各類傳感器測量電路的搭建、傳感器特性的驗證、模擬量采集和分析（電流、電壓、溫度、轉速、位移等），以及一個能解決實際問題的旋轉機械狀態監測系統。

（二）實驗案例庫的搭建

傳統的傳感器實驗多以不同類型傳感器的特性驗證實驗為主，學生在實驗過程中缺乏獨立思考和探索的空間[10]。因此，需要設置開放性的、具有探索空間的實驗案例庫供學生進行探究式實驗。而原本的特性驗證性實驗則通過虛擬儀器系統以仿真的形式讓學生進行學習。

在實驗案例庫的設計中，需要借助上述介紹的虛擬儀器仿真平臺。學生在仿真平臺上開發自動檢測系統后，最終還是需要在線下進行實踐。實驗案例庫也是圍繞現有的旋轉機械故障檢測平臺開展，初級的實驗案例可以設置轉速測量、溫度測量、振動測量、軸偏心測量等;復雜的實驗案例則可以設置為旋轉機械狀態監測。在線下實驗的過程中，學生對傳感器的選型、模擬信號處理、數字信號處理、自動檢測等知識，都可以進行系統操作。這樣更加有助于學生對理論知識的融會貫通，提高學生解決復雜工程問題的能力。

現有的旋轉機械故障檢測平臺可供學生選取的放大器有1倍、10倍和100倍，數據采集卡具有模擬輸入通道、輸出通道和數字I/O通道。我們可以此構建實驗案例庫。

1.溫度監測系統。根據提供的儀器設備搭建軸承溫度監測系統。該系統涉及的傳感器主要為溫度傳感器。可供學生選擇的傳感器類型有熱電偶溫度傳感器、玻璃管液體溫度傳感器、光纖溫度傳感器、紅外測溫傳感器等。該實驗案例庫可以鍛煉學生用Lab VIEW編寫簡單的溫度監測系統的能力。在采集卡的支持下，該軟件系統編寫比較簡單，主要涉及數據采集、數據顯示。而在線下實驗中，學生需要根據所學知識和被測對象選擇傳感器類型、合適的被測量范圍等。

2.轉速監測系統。根據提供的儀器設備搭建軸承轉速監測系統。該系統涉及的傳感器主要為轉速傳感器。可供學生選擇的傳感器類型有激光式轉速傳感器、磁電式轉速傳感器。在采集卡的支持下，軟件編程簡單。在線下實驗中，學生可以進一步學習和掌握不同轉速傳感器的測試原理和方式。

3.振動監測系統。根據提供的儀器設備搭建軸承振動監測系統。該系統涉及的傳感器主要為振動傳感器。可供學生選擇的傳感器類型有聲發射傳感器、壓電式振動加速度傳感器、電容式振動加速度傳感器等。在采集卡的支持下，軟件編程簡單。在線下實驗中，學生可以進一步學習和掌握采樣定理、傳感器安裝等知識。

4.偏差監測系統。根據提供的儀器設備搭建軸承偏差監測系統。該系統涉及的傳感器主要為位移傳感器。可供學生選擇的傳感器類型有電感式位移傳感器、應變式位移傳感器、光柵位移傳感器。在采集卡的支持下，軟件編程簡單。在線下實驗中，學生可以進一步學習和掌握傳感器原理和安裝等知識。

5.旋轉機械狀態監測系統。根據提供的傳感器和各狀態指標的異常閾值搭建復雜的狀態監測系統，并對異常狀態進行報警。該案例庫可以培養學生從方案制訂、系統調試、系統完善到系統上線的工程全流程的能力。系統的編程，難度適中。線下實驗可以培養學生在實踐中解決異常問題的能力。

實驗案例庫的數量適中，前面4個實驗案例都是單指標監測，主要了解各物理量的檢測方法、傳感器選擇、傳感器安裝、信號預處理等知識，入門比較容易。而最后的實驗案例庫，更多的是培養學生的綜合能力，提高學生解決實際工程問題的能力。

這些實驗大多可以有不同的解決方案，學生的參與度非常高，在實驗過程中的教育收獲也比簡單的驗證實驗要多。此外，不需要改變現有的理論教學和實踐教學的時間比例。

（三）探究式學習機制

由于傳感器課程的理論知識比較枯燥，自動化專業更需要培養的是學生根據傳感器的原理進行自動檢測系統搭建的能力，而非制作傳感器的能力，在這種情況下，灌輸式的教學模式很難讓學生真正掌握傳感器的應用知識。甚至在缺乏實際操作的情況下，部分學生對模擬信號放大、模數轉換的工程意義還比較模糊。通過探究式學習機制，教師根據理論教學內容的進度，可以下達仿真實驗的任務;學生根據任務進行分組討論并完成任務;教師再根據學生完成任務的情況進行答疑和評定。在這個過程中，初級仿真實驗的難度不是很高，從特性驗證到搭建簡單的單指標監測系統，這些都是可以在不占用特別多的課外時間的情況下分組完成。而旋轉機械狀態監測系統由于涉及多指標的監測，更能培養學生的團隊合作、方案制訂、方案實施、方案完善等綜合能力。

在一個個由淺入深的仿真實驗的完成過程中，學生會不斷收獲成就感，增加課程學習的代入感，提高課程學習的興趣，最終提高解決復雜工程問題的能力。

（四）多元化考核機制

基于案例式的傳感器與儀表課程的仿真和實驗對學生的綜合能力反映更加直觀。因此，課程考核不能單憑理論考試的成績決定，而是需要綜合考慮理論知識掌握程度、過程學習表現、實踐能力等因素。其中理論知識掌握程度可以通過理論考試進行考核，過程學習表現需要綜合考慮學生在分組進行仿真實驗和線下實驗過程中所表現出來的主動性、團隊協調性、方案合理性、總結與匯報能力等;實踐能力則需要考查學生在線下實驗過程中所表現的實操能力和解決問題的應變能力。

在整個考核過程中，教師的參與尤為重要，只有教師全程參與，才能給出合理的仿真和實踐的考核成績。多元化的考核機制，將學生的學習能力、團隊協作能力、實踐能力、解決復雜工程問題能力作為考核學生的標準，有助于學生積極主動地參與到各個教學環節中。

三、結論及建議

（一）主要結論

文章對傳感器與儀表課程的案例探究式教學模式進行了探索，得到了如下結論。

1.案例探究式教學和實驗的核心是根據課程的內容構建不同類型的案例庫，且案例庫需要難易結合，逐步增加其復雜度。

2.案例探究式教學需要教師給予學生足夠的學習空間去思考、討論和總結，最終培養學生解決復雜工程問題的能力。

（二）研究建議

雖然案例探究式教學從教學方式、實驗設計等方面進行了改革，可以提高學生解決復雜工程問題的能力，但仍需要注意以下問題。

1.優化課程案例庫。課程案例庫應以社會工程的需求為導向，時刻關注傳感器的前沿知識，特別是新型傳感器的應用。同時，需要不斷完善案例庫，以達到與時俱進的目的。

2.控制探究式實驗節奏。在探究式仿真和實驗的環節中，初期的學生對虛擬儀器系統的應用十分生澀，教師需要進行正確的引導，合理安排時間讓學生完成仿真實驗，后期則可以加快探究式實驗的節奏。在整個過程中，雖然學生以探究式學習為主，但是教師的及時跟進也很重要，不能放任學生自己學習。整個學習過程中，教師必須要做到布置任務—跟進任務—評定任務的閉環把控。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 蔡劍華，郭杰榮，王先春，等.校企合作中項目式教學在傳感器與檢測技術課程教學里的應用[J].大學教育，2015（11）：125-126.

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[4] 陳成軍，李東年.機電一體化系統設計案例教學研究與實踐[J].大學教育，2017（9）：54-56.

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[責任編輯：李香蓮]