项目驱动下传感与检测课程研究

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1.课程内容整合在课程内容中，传感器课程选择比较片面，较少考虑课程之间的自然衔接和相互配合，而检测技术课程的众多知识点与其他课程有复杂的联系。教师在课程讲授中，难免会出现有些内容重复讲授，而有些内容在各门课程中都没有深入阐述的情况，因此，将传感器技术和检测技术两门课程的主要内容有机地整合为一门课程，整合后的课程从系统角度出发，以具体的检测实例入手提出检测问题，激发学生的学习兴趣，并使学生认识到传感器的重要性及意义所在。[3]针对学校的石化特点，笔者首选化工检测问题，其次是生产、生活问题，全面介绍传感器、检测技术，并将更多的学时用于介绍现代检测方法和以化工为背景的系统实例，更贴近于工程实际。[4]虚拟仪器[5]是一种计算机技术介入仪器领域所形成的富有生命力的仪器，将之应用于检测，可以实现对现场实时、在线、灵活、方便的检测，节省用户的开发时间，提高测量的精度。同时通过对不同传感器信号的采集，A/D转换，分析并采用虚拟仪器使检测系统构成简便实用，人机界面采用LabVIEW的编程语言让学生容易掌握且富有个性，学生在学习过程中充分体验到了检测和过程控制的乐趣，是对传感与检测课程知识的扩展与延伸，虚拟仪器使学生更深入地了解课程的理论及应用，同时也让学生对虚拟仪器和实现虚拟仪器测量功能的基本原理有更深入的认识。实验采用由CSY2000系列传感器与检测技术实验台、数据采集模块与LabVIEW开发软件及PC机构成一个完整的虚拟仪器系统。CSY系列实验平台是用于提供各种传感器、信号激励源、处理电路；数据采集卡采集各类电量信号并传输给PC机，通过开发软件编程组成各类不同的检测系统如图1所示。实验过程中，学生依据被控对象自行选择传感器，对所有来自传感器检测到的或者直接由信号发生器产生的各种信号，经过预处理，由数据采集卡输入通道完成数据采集，采用LabVIEW进行程序设计，对所采集到的数据进行数据处理，实现信号的存储、显示等功能，这个过程让学生完整地体会到过程检测基本原理和方法。[6]使学生从信号的发生、采集、处理、显示中得到训练，真正使学生的计算机能力、设计能力、工程实践能力等综合能力得到强化和提高。2.教学具体实施由于传感器与检测课程都是实践性很强的课程，因此在教学上教师以工程实践中最通用的测量案例和课堂实验为主线，采用项目教学，将教学目标浓缩在项目中，以实际工程项目为对象，对项目进行分解，让学生围绕项目各个方面进行讨论。学生在讨论过程中发现问题，分析问题最后解决问题，这样完成了项目也就实现了教学目标。项目教学导向由五个基本步骤构成。（1）项目描述。项目要有明确的目标，才能让学生切身感受到学以致用的快乐，因此学生首先了解生产实际是项目教学的第一步，进而才能得到实用的适合的项目主题，如在化工生产过程中，经常需要检测和控制反应釜中液体的温度，使之能够稳定在一定的范围内，才能得出可靠的试验数据或是合格产品。同样压力监控应用也非常广泛，如锅炉蒸汽与水的压力监控，炼油厂减压蒸馏的真空压力监测等等，而随着工业水平的不断提高和国家对环保的日益重视，对有毒、有害气体的监测也成为需要。根据这些工程应用，培养学生对项目的文献检索能力。通过生产调研、文献检索来撰写调研报告，确定设计任务及思路，同时培养学生撰写科技论文的能力。本项目以反应釜中液体的温度检测为项目背景，说明整个项目驱动教学在课程中的具体实施。（2）项目要求。根据项目任务设定项目要求。在“反应釜液体温度检测”这一项目中要求学生了解温度测量的原理，掌握热电偶、热电阻和热敏电阻的原理、种类、结构与应用，重点掌握热电偶的基本定理、基本类型、温度补偿方法及使用热电偶测温的方法，掌握热电阻内部引线方式及其适用场合，热敏电阻的电阻-温度特性，并会使用分度表，学会设计测量转换电路，并能根据项目任务，以组或个人为单位，让其在规定时间内完成项目任务。（3）项目分析及设计。项目任务确定后，教师不急于讲解，先让学生分析讨论，提出其中隐含的知识点。学生在教师的引导启发下理解掌握新知识，并运用其解决相关项目问题。在检测反应釜中液体温度这一项目中，温度传感器的选择是一大重点。因为在石油、化工、冶金等领域，有相当多的重要工艺是在高温、高压和强腐蚀环境中实施的，因此对于传感器的选择，同样也必须具有耐高温、高压及抗腐蚀的特点。这些都需要学生分析了解。其次，还需要让学生解决以下问题：1）根据信号给传感器选用调理电路；2）根据传感器设计运放、模数/数模转换及选用专用芯片设计检测电路；3）设计单片机与温度传感器接口电路并完成相应软件设计等。整个设计过程让学生掌握检测系统各部分的功能及其特性。项目在实验台上完成试验调试。采用模块化结构的CSY-2000实验平台，利用传感器和相应实验模块开展实验。再引入虚拟仪器开发软件LabVIEW，完成数据采集、处理、显示、查询程序设计，实现虚拟仪器开发。（4）项目完成。整个项目[7]框架为：被测信号→传感器→信号处理板→数据采集卡PC/LabVIEW。在分析完每一步骤后，每组学生各自通过不同设计完成项目。项目完成流程：首先绘制电路原理图，并根据需要列出元件仪器设备清单。其次学生自行选择元器件组建实验平台，完成系统的整体设计及调试，再通过采用LabVIEW完成虚拟仪器功能。项目中LabVIEW采用串口通信方式，在LabVIEW平台下采用标准的输入输出应用程序接口VISA处理串口，同时设计前面板，如图2所示，实现数据采集及显示，执行程序可在屏幕上看到当前温度的动态采样值和图表显示及最高温度、最低温度、平均温度显示。并可实现温度上限报警功能同时还可将采样数据保存到用户指定文件中。整个项目使学生从设计到实现、从局部到系统、从硬件连接到软件设计得到多方面的训练，既拓宽了知识面又提高了综合能力。教师分阶段及时跟进，促其达到预期目标。最后，完成项目报告，报告内容应包括：设计方案、设计步骤等方面的总结性阐述；还应有对原始数据的记录、处理及分析。整个实验过程拓展了实验内容，锻炼了学生的动手能力，拓宽了知识面，提高学生实验的主动性和积极性。（5）项目评估及考核。项目完成后，教师首先要求学生结合项目进行自我评估，由每组学生分别介绍项目实施的具体任务、目标、方法以及收获和体会。教师的评估除了考核项目成果外，还要指出学生项目整个过程中存在的问题及解决的方法，重点分析项目相对应的知识点掌握情况，[8]并总结、比较各组的特点，重在考核学生在学习过程中的积极性和主动性，包括与人合作的能力等，引导学生积极参与项目学习，掌握好基本技能。在评定学生成绩时注重鼓励学生的创新思想，及时表扬新思想、新创意、新方案，培养学生的创新能力，实现教与学最佳的统一。

在实际教学中，这种基于项目驱动模式下“传感器技术”与“检测技术”课程整合已经在逐步应用，借助虚拟仪器技术进一步丰富了教学内容，淡化了理论教学，强化了实验教学及应用，这些改进使学生更透彻地掌握了理论知识，极大地扩展了课程知识，开阔学生视野，同时增强他们的动手、创新、交流和组织的能力，真正培养了技能，提高了综合素质和学生参加课外科技活动的兴趣和信心。测控2007级至2009级学生中超过30%的学生参加了课外创新实践活动，包括积极参加校级电子科技大赛、省级电子设计大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等等，例如结合当前的物联网、无线传感器网络等研究热点完成环境监测、智能家居等等，并获得很好的奖项。可见，课程改革已取得了初步的成效，当然，在实施过程中也遇到一些问题，例如设备资金不足、师资力量欠缺等等，还需不断改进、完善、实践，进一步全面提高学生的综合能力。

本文作者：徐小玲刘美工作单位：广东石油化工学院