智能传感与检测技术的教学创新设计论文
智能传感与检测技术的教学创新设计论文
【摘要】针对传统传感器与检测技术教学的特点，分析当前教学存在的问题，结合目前技术发展趋势及社会发展需要，提出了智能传感器与检测技术课程。描述了智能传感器与检测技术课程的优点，提出了一种全新的理论教学和实践教学相结合的教学方法。采用新型传感器、最新嵌入式技术、通信技术和虚拟仪器技术等完成了智能传感器的综合项目，将理论知识综合应用于实践项目，很大程度上提高了学生的实际项目开发能力。并通过教学过程考核，全方位考查了学生的掌握程度。
【关键词】智能传感器；教学项目；过程考核
智能科学与技术是面向前沿高新技术的本科专业，经过近几年的发展其广泛的应用前景日趋明显，比如智能机器人、智能电器、智能家居等产品的技术越来越成熟，对人类生活的方方面面产生了重要的影响。然而传感器在这些智能产品中起着重要的作用。因此传感器与检测技术这门课程在诸多高校的电子信息类专业中作为一门重要的专业课[3]。随着智能科学技术专业的诞生以及传感器技术的迅速发展，各种新型传感器不断出现，传统的传感器与检测课程中所讲授的传感器则有些落伍。我校秉承“教育创造学生价值”的办学理念，为了适应时代的需要和智能科学技术的发展，针对传感器课程进行改革和创新，并将课程命名为智能传感与检测技术。传统的传感器与检测课程的主要任务是以传感器的工作原理、基本结构、测量电路和应用方法为主，而在智能传感与检测技术中不但讲授各种传感器的工作原理、测量电路以及应用方法，更重要的是结合智能科学的特点将传感器与嵌入式技术、通信技术以及虚拟仪器技术相结合。侧重于传感器应用的智能性和通用性，为智能产品的开发提供良好的教育基础。
1教学现状分析
传统的传感器与检测技术教学中，理论知识偏多，实践课程偏少。而在课程中设置的实验课大都是验证类的实验，并不能满足培养学生实践能力的需求。目前来说传感器与检测技术课程存在如下几个问题：1)教学内容陈旧，不能及时更新，因而不能反映最新的传感器技术水平；2)教学重原理，轻实践。课程内容比较抽象，涉及到很多物理、化学、数学等多个学科的知识，记忆和理解难度大；3)课程内容之间缺乏整体联系，一个章节讲述一种工作原理的传感器，不同章节之间联系较少；4)实验教学内容验证性实验较多，设计和创新性内容较少；5)实验项目采用传感器试验台可以较好理解工作原理，但不能满足实际应用的需要。针对出现的这些普遍性问题，在智能传感与检测技术课程中，笔者认为应从教学培养方案设计、教学大纲设计、教材与教学内容的改革以及教学方法和手段等方面综合考虑解决方法。
2课程培养目标
根据智能科学技术专业的特点，为了适应科技发展的需求，智能传感器与检测技术这门课程旨在让学生掌握各类传感器的原理、结构、测量电路和应用方法，建立完整的检测技术整体概念[1]，具备传感器与检测技术方面的基本知识和基本技能。对生产和科研任务中的检测任务能够正确的选择传感器以及配套的测量电路，设计相应的测量系统，完成所承担的检测任务。通过课程中的项目设计，培养学生能够将传感器进行模块化设计，组成传感器系统，结合嵌入式技术和虚拟仪器技术，完成多参数检测系统的设计[2]。本课程是针对智能科学与技术专业的三年级下半学期全体学生开设的专业课，同时学生前续课程中将所学的《数字电路》、《模拟电路》、《电路分析》、《单片机原理与应用》、《虚拟仪器技术》等课程作为基础知识，与实际项目相结合，通过项目实践深入的理解智能检测系统的开发过程，为后续专业课的学习打下良好的基础。课程结束后学生不但能够深入理解所学的理论知识，而且能够将所学的知识熟练地应用到智能检测系统设计等实际的工程当中，进而提高学生的工程实践能力。
3教学改革方法
智能传感与检测技术是一门应用性很强的课程，通过理论知识指导实践，反过来实践也可以更好的理解理论知识。所以说理论与实践对于这门课程都很重要，因此将理论教学和实践教学紧密结合是一种较好的教学方法。教学改革也要同时从理论教学和实践教学两个方面入手，提高课堂教学和实践教学的效果。而学生是教学改革活动中的主体，所有的改革都以学生为中心，结合当今技术发展情况从学生的需求出发。因此在本课程的教学改革过程中，需通过深入研究和反复实践从以下几个方面进行提升：1)以TOPCARES－CDIO人才培养模式为指导进行教学培养方案的设计。对专业人才培养预期应掌握的知识、能力、态度进行明确的、具体化的分析，重视实践项目在人才培养中的作用，构建一体化的人才培养方案和教学体系。2)理论教学方面主要是让学生掌握传感器的工作原理和特性，学会传感器的设计和使用。但是仅靠灌输性的讲解会比较枯燥，达不到教学的目的。因此需要结合实际应用引出传感器的工作原理，合理组织教学内容，让学生在用中学、学中用，提升学生的学习兴趣。另外应让学生参与到教学过程中，改变传统的以教师为主导、学生被动接受信息的知识传授方式。可采取以下措施：①通过课前预习课堂提问的方式，提升同学们的参与意识。②部分内容学生讲解，老师点评的方式展开学习。③增加课堂分组讨论，老师提供问题和应用场景，学生分组讨论解决方案，提高学生的参与度和积极性。④布置课外书面作业和项目调研报告，让学生课后能够有效复习、应用所学知识。3)实践教学一直是培养学生综合应用能力和创新能力的重要途径，但是如果按照实验指导书生搬硬套的实验操作并不能真正提高学生的动手能力。因此除了原理验证型实验之外，增加应用项目于实践教学中，让学生不仅能读取传感器的数据，还能结合电子线路的知识、微处理器的知识和通信技术能够采集和处理相关的数据，构建具体实用的智能检测系统应用方案。通过实践项目让学生加深对智能传感器工作原理的理解，更要注重培养学生的实际项目应用能力。4)根据智能传感与检测技术一体化的教学体系，组织编写可用于一体化培养方案的一体化教学教材。编写的教材要能体现最新的传感器技术和最新的应用，紧密结合实际，让学生把课程的学习与日常生活结合起来，通俗易懂，可操作性强。根据传感器技术的发展，需定期对教材进行更新和修订，以适应时代的发展。
4教学内容安排
传统的传感器与检测技术的主要教学内容中除了讲解传感器与检测技术的基本知识、各种常用传感器的介绍、标定、检测系统的组成外，并没有实际的项目在课程中。不但导致学生的实践动手能力偏差，而且对理论知识的理解也不够深入[4]。为此在智能传感与检测技术课程的教学中，以理论课和实验课相结合进行授课，目前在智能科学与技术专业中总课时是80学时，其中理论课是48学时，实践课是32学时。理论课程中是以按照项目分类，根据项目需求引出所用传感器，并讲述其工作原理、测量电路及应用方法等。实验课则分为基础实验课和项目实践课两部分。理论教学内容包括：检测技术的基本知识；常用传感器的工作原理、基本结构、测量电路和应用方法。实验课的主要内容包括：常用传感器工作特性实验，包括测量电路的零点调试，线性度调试、测量数据拟合等。项目实践课内容包括：项目的需求分析，硬件设计，软件设计、系统调试等步骤。
5教学项目设计
智能传感与检测技术课程中的项目教学是一个系统工程，对教师队伍的要求很高，不仅需要教师具备理论知识而且还需具备一定的工程实践能力，同时还需要配备精良的实验设备。在智能传感与检测技术课程中开展实践项目，仅靠课堂上的仿真软件难以达到教学效果，因此实验实训平台的选择是一项重要的指标。为了能更好的结合理论教学，针对智能传感与检测技术所选用的实验实训平台必须具备以下几个特点：1)采用的实验实训平台要有足够种类的传感器，并采用模块化设计。2)配备统一的总线接口，具备扩展功能。3)具有主流的嵌入式核心系统，并且能够适应不断更新的处理器。4)价格合理、售后服务良好、教学资源丰富。综上几点，在智能传感与检测技术课程中，采用的是上海硕博科教设备有限公司的“SBJCS-1113创新型测控/传感器技术综合实验实训平台”，该平台配备大量常用传感器，同时具备工业实际中广泛采用的成熟电路完成对各种传感器信号的拾取、转换、调理、采样、存储、解算、控制及显示等处理电路。同时实验装置具备一定的抗干扰及可靠性，学生可以做到学以致用。该实验实训平台如图1所示。该平台具体特点如下：1)传感器种类丰富:包括压力、压电、应变、电容、霍尔、温度、光敏、气敏(酒、C0)、电涡流、光纤位移、长光栅位移、差动变压器、光电耦合等各种常见传感器。2)模块化设计：采用标准的模块化设计，增强系统的结构性和互换性。3)总线标准：建立统一的内总线和接口约定，以实现最灵活的个性化配置、扩展和系统管理。4)接近工程实际：实验装置上采用多种工业型传感器，既可以用来完成传感器原理、结构与调理电路的教学，也可以用解决工业工程和过程中的实际问题。5)学以致用：构成实验装置中的智能仪器的各模块，在其设计时充分体现实际系统的抗干扰设计技术和可靠性设计技术，其核心卡可作为实际智能仪器的核心单元。实验装置中信号转换与信号调理电路采用工业和工程实际中所采用的成熟电路。实验装置中使用的各种数字信号处理方法，采用典型的也是未来实践系统首选的数字信号处理手段，具有很强的工程实用特征。6)智能仪器仪表设计：结合工程实际给出了一个将常规仪器实现智能化的实例。7)开放式设计：实验装置中的软、硬件及系统均按照全开放的思想进行设计，以便于学生开展研究型和创新型的实验。在项目教学中，教师指导学生，按照项目开发的流程来完成系统的需求分析、硬件设计、软件设计、系统调试等步骤。最后完成整个项目的总结报告，并以小组为单位完成课程项目的设计。学生可以利用课外时间，完成资料查找、系统设计和代码编写等工作。本项目要求学生完成一个智能家居远程监控模拟系统。与传统的检测系统比起来，智能传感器检测系统更加具有智能性、综合性等特点，将传感技术、嵌入式技术、通信技术以及虚拟仪器技术有机结合，使学生深入理解智能传感器与检测技术这门课的应用，具体项目教学安排见表1。
6课程考核形式
在素质教育的大背景下，课程的考核的结果不能只看期末考试成绩，应采用多元化的考核方式，要能反映出学生的学习效果、应用能力和解决问题的能力。本课程的考核贯穿整个教学过程，最终成绩由课堂表现、作业成绩、实验成绩、项目成绩、期末考试成绩等部分组成。老师在平时应根据学生的课上表现和问题回答情况记录成绩，作为平时成绩的依据。实验成绩要能体现实验过程中的表现和实验报告的完成情况。项目成绩的考核则包括项目实施过程中的表现、阶段性成果成绩、最终项目结果成绩、项目报告成绩和答辩成绩组成。期末考试采用闭卷方式，考核内容侧重对传感器工作原理和应用设计的考核。总体来说，改革后的课程考核不是通过一次考试定好坏，而是更重视过程，要能体现学生的综合素质和水平。其中项目教学作为教学改革的创新点，所以项目考核形式的也是多样化的。考核贯穿在教学过程的各个环节，从学生的出勤、日常表现、作业、实验、项目及考试等，对学生进行全方位的考核。其中项目考核中的项目答辩包括自述、现场操作、教师提问、解答几个环节，通过答辩，教师可以直观评价学生对相关理论的掌握程度，综合评价学生的实际应用能力及应变能力，对设计不完善的地方给予指导建议，给学生提供创新的空间。智能传感与检测技术这门课的所有考核项目中，采用过程考核和终结考核相结合的方式能够全方位的考核学生的平时学习情况及动手实践能力，并激发学生学习兴趣。
7结语
智能传感与检测技术是电子信息类专业的一门非常重要的专业课，如何让学生更好的掌握理论知识提升应用能力一直是困扰任课教师的难题。笔者从教学培养方案、教材与教学内容的选择以及教学方法和手段等方面进行了分析和探索，提出了相应的改革举措。文中的改革举措是TOPCARES-CDIO人才培养模式在智能传感器与检测技术上的运用，采用教学与项目相结合的方式对当今智能传感与检测技术的教学具有有益的参考价值。
参考文献
[1]李玲,张旭.传感器与检测技术课程教学改革研究[J].科教文汇旬刊,2015(4):55-56.
[2]张琳,袁新娣.《传感器与检测技术》课程教学改革与实践[J].赣南师范学院学报,2012,33(6):106-108.
[3]周润景,刘晓霞,韩丁,朱莉.传感器与检测技术[M].北京:电子工业出版社,2014.
[4]王东霞,温秀兰.传感器与检测技术课堂教学改革探索[J].中国现代化教育装备，2008,(7):92-93.
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