吳瓊水，張 錚（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢430079）

在日常本科教學(xué)中，為了加深學(xué)生對(duì)傳感器及自動(dòng)控制原理的理解，有條件的高校均開(kāi)設(shè)了 《傳感器技術(shù)》和 《自動(dòng)控制原理》2門實(shí)驗(yàn)課程。從調(diào)查情況看，學(xué)生反映教學(xué)效果并不理想。主要原因是上述課程相互關(guān)聯(lián)，傳感器是信號(hào)獲取的源頭，而自動(dòng)控制是根據(jù)獲取的信號(hào)來(lái)決定控制方法和策略，將兩者相互割離并不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的融會(huì)貫通，因此，學(xué)生反映2門課程的實(shí)驗(yàn)難度較大，學(xué)生參與2門實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的積極性不高。為了改變上述狀況，筆者根據(jù)多年教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)進(jìn)行了改革，即在開(kāi)設(shè) 《傳感器技術(shù)》和 《自動(dòng)控制原理》2門實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，單獨(dú)開(kāi)設(shè)了 《傳感器與控制》實(shí)驗(yàn)課程。下面，筆者對(duì) 《傳感器與控制》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行闡述[1-2]。

1 完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的要求，將傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制原理主要內(nèi)容有機(jī)整合，重點(diǎn)放在物理信號(hào)的傳感器獲取以及開(kāi)、閉環(huán)控制方法和策略的實(shí)踐教學(xué)上，培養(yǎng)學(xué)生深入理解掌握傳感檢測(cè)與自動(dòng)控制共性技術(shù)、綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行 “系統(tǒng)”分析和設(shè)計(jì)的能力。結(jié)合自身專業(yè)特點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)室條件，根據(jù)大綱要求，目前主要設(shè)置了5類實(shí)驗(yàn)，即新型控制系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、常規(guī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。具體情況如下：①新型控制系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該類實(shí)驗(yàn)向?qū)W生演示一些近年研制的傳感器與控制系統(tǒng)或其他一些價(jià)格昂貴無(wú)法大批量采購(gòu)的系統(tǒng)。其目的是開(kāi)拓學(xué)生的視野，讓學(xué)生了解該領(lǐng)域新技術(shù)新設(shè)備情況。②驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該類實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生熟悉自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法，掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心。③常規(guī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該類實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生能夠設(shè)計(jì)一些日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中的基本傳感與控制系統(tǒng)，如人體入侵紅外報(bào)警器、煙霧報(bào)警器等，通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐，讓學(xué)生了解一般測(cè)量與控制儀器的基本設(shè)計(jì)制作方法。④綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。該類實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生根據(jù)老師提出的題目或者自擬題目，完成方案設(shè)計(jì)、裝置制作與調(diào)試，從而培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的能力。如恒溫水浴、直流電機(jī)勻速控制、無(wú)線遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，可以讓學(xué)生綜合利用傳感器進(jìn)行檢測(cè)、利用PID等策略進(jìn)行反饋控制，從而提高學(xué)生進(jìn)行整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。⑤創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。該類實(shí)驗(yàn)采用學(xué)生自擬題目、自定方案、自行制作調(diào)試、老師提供指導(dǎo)的方式來(lái)完成，因而具有有一定難度。設(shè)置該類實(shí)驗(yàn)的目的是發(fā)掘?qū)W生的潛能，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。分類型分層次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺入深，更適合學(xué)生認(rèn)知水平發(fā)展規(guī)律，也能夠滿足不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)需求[2]。

2 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

《傳感器與控制》實(shí)驗(yàn)是新開(kāi)設(shè)的一門實(shí)驗(yàn)課程，目前的實(shí)驗(yàn)主要基于已有的CSY型傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)和TDN-ACS＋型自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，因而在易用性和實(shí)驗(yàn)體系上均存在很大不足，尤其是基于8088的匯編程序設(shè)計(jì)讓學(xué)生望而生畏?；谏鲜鲈?，課程組決定針對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)發(fā)更加易于使用的實(shí)驗(yàn)裝置，其中核心裝置由實(shí)驗(yàn)教師負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)，輔助裝置由學(xué)生在自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中完成。

對(duì)于核心裝置，主要是開(kāi)發(fā)主控卡和運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的控制軟件。主控卡是一個(gè)功能復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理與控制輸出卡，其具體功能如下：①對(duì)于模擬部分，能夠完成多路常規(guī)電壓輸入、毫伏電壓輸入、程控增益、程控單端輸入和差分輸入、A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換、溫度采集和波形發(fā)生等功能。②對(duì)于數(shù)字部分，能夠完成頻率計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入輸出、PWM波形發(fā)生、USB計(jì)算機(jī)通信等功能。計(jì)算機(jī)上的控制軟件通過(guò)USB接口與主控卡進(jìn)行通信，采集到的波形、數(shù)字狀態(tài)能夠在計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)，輸出波形頻率和特征能夠在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編輯和設(shè)置，一些自控控制算法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。與以前基于8088的匯編程序設(shè)計(jì)不同，利用現(xiàn)有裝置，學(xué)生無(wú)需編寫(xiě)代碼，只需根據(jù)輸入狀態(tài)設(shè)定參數(shù)即可完成一些基本的自動(dòng)控制策略。如PID控制，學(xué)生只需要根據(jù)輸入信號(hào)波形與設(shè)定的偏差，手工計(jì)算PID參數(shù)并輸入計(jì)算機(jī)，即可按照設(shè)定的PID參數(shù)完成控制功能，從而把學(xué)生從復(fù)雜的匯編程序設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，專注于自動(dòng)控制方法的實(shí)現(xiàn)上。

對(duì)于輔助裝置，主要利用一些學(xué)生的優(yōu)秀作品進(jìn)行開(kāi)發(fā)。學(xué)生自主創(chuàng)新作品能夠大大豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改善實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件。

3 改革教學(xué)方式

為了更好地開(kāi)設(shè)該實(shí)驗(yàn)課程，應(yīng)借助多媒體和網(wǎng)絡(luò)逐步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)室管理水平：①構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。在虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室借助于Flash等動(dòng)畫(huà)手段來(lái)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理演示，也可以利用Java小程序在服務(wù)器上交互仿真一個(gè)控制過(guò)程，從而讓學(xué)生能夠更直觀地了解控制系統(tǒng)的特性。②建立師生互動(dòng)平臺(tái)。老師可以通過(guò)該品將實(shí)驗(yàn)要求提前發(fā)布，學(xué)生也可以通過(guò)該平臺(tái)向老師提問(wèn)，提交創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案初稿與老師進(jìn)行討論等，一些優(yōu)秀學(xué)生作品也可以在平臺(tái)進(jìn)行展示。③建立實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，學(xué)生可以預(yù)約部分創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)間和設(shè)備，老師也可以根據(jù)學(xué)生的申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)籌安排，從而提高實(shí)驗(yàn)室管理效率。

4 革新考評(píng)體系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的是為了培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)操作技能和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯克刭|(zhì)，提高學(xué)生的科研能力，因而必須具有較完備的綜合評(píng)價(jià)考核體系，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作技能、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等方面情況進(jìn)行綜合考核。實(shí)驗(yàn)操作技能可反映學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作基本功，占15%；綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可反映學(xué)生綜合實(shí)踐能力，占35%；實(shí)驗(yàn)報(bào)告可反映實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)展、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、思考與探索等內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣有重要作用，因而該部分占50%。除此之外，還可以單獨(dú)設(shè)立了創(chuàng)新性加分和團(tuán)隊(duì)協(xié)作加分，創(chuàng)新性加分一方面是為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)造積極性，另一方面也是對(duì)學(xué)生勞動(dòng)的認(rèn)可；團(tuán)隊(duì)協(xié)作加分是為了鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作。從學(xué)生反饋的情況來(lái)看，這種評(píng)分機(jī)制確實(shí)能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者根據(jù)多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)裝備、考評(píng)體系等對(duì) 《傳感器與控制》實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探討。實(shí)踐結(jié)果表明，通過(guò) 《傳感器與控制》實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以鞏固學(xué)生學(xué)習(xí) 《傳感器技術(shù)》與 《自動(dòng)控制原理》的理論知識(shí)，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力具有重要作用。由于實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革涉及面廣，在今后的教學(xué)實(shí)踐工作中，應(yīng)加大探索力度，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)新人才作出貢獻(xiàn)。

[1]秦嶺 .“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討 [J].中國(guó)電力教育，2010（1）：147-148.

[2]張懷，陳富軍，楊勇，等 .傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討 [J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2007（18）：1739-1740.