劉玉燕，傅彩芬

改革傳感器實驗教學，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識

劉玉燕，傅彩芬

（華北電力大學 控制與計算機工程學院，北京 102206）

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是新時期各類院校肩負的重要使命，文中結(jié)合華北電力大學多年來從事科研和教學的積累，針對目前傳感器實驗教學中存在的問題，分析現(xiàn)狀，總結(jié)經(jīng)驗。以激發(fā)實驗興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新意識為目標，分別從教學方法、教學手段、教學內(nèi)容、成績評價、實驗設(shè)備等五個方面進行探討，并提出具體措施。實踐證明，這些新的舉措改變了學生對傳感器實驗的認識，改善了學生機械式按部就班地做實驗的局面，能夠提高學生做實驗的主動性和創(chuàng)新性，能很好地為創(chuàng)新實踐型人才培養(yǎng)打下堅實基礎(chǔ)。

傳感器；實驗；興趣；創(chuàng)新

為了適應(yīng)21世紀科技迅速發(fā)展的需要，高等院校培養(yǎng)的人才必須具備扎實的理論基礎(chǔ)、出色的科學實驗能力和勇于開拓的創(chuàng)新精神［1］。培養(yǎng)創(chuàng)新人才是高校的基本任務(wù)，華北電力大學也將“創(chuàng)新”二字作為校訓。由于實驗教學具有直觀性、綜合性和創(chuàng)新性，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在訓練科學思維方法和培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面起著不可替代的作用，因此培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基地在實驗室［2－3］。正確認識實驗教學對人才培養(yǎng)的作用，充分肯定實驗教學在高校整個教學工作中的地位，將對提高培養(yǎng)人才的質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。因此，各高校均將實踐教學放到了重要的地位［4］，我校也完善了“四模塊”實踐教學體系，進一步凸顯了“厚基礎(chǔ)、重實踐、強能力”的人才培養(yǎng)特色。

1 目前存在的問題

傳感器實驗教學通常是要求學生按實驗指導書上的步驟操作；實驗教學內(nèi)容陳舊；實驗教學手段單一；實驗設(shè)備落伍。近十年主要都在用CSY系列傳感器系統(tǒng)實驗儀，一般只能做一些驗證性實驗，綜合性、設(shè)計性實驗少。這往往束縛了學生的手腳，不利于學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)［4］。同時實驗室缺乏研究創(chuàng)新的氛圍，現(xiàn)在實驗室主要為本科教學服務(wù)，很少有專業(yè)教師和研究生進入實驗室做科學研究；而實驗員對實驗設(shè)備的改進等工作也很難得到量化。因此，目前實驗室尚未形成濃厚的科學研究和創(chuàng)新實踐氛圍，設(shè)備利用率不高［4］。

2 改進措施

2.1 實驗教學方法改革

美國大學不斷進行教育創(chuàng)新，即以學生為中心，逐漸形成了獨具特色的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，值得我們認真學習和借鑒。以學生為主體，以教師為主導，以實時互動實驗教學為主，強化學生的中心地位，重視個性培養(yǎng)，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，這符合教育規(guī)律和人才成長規(guī)律［5］。教師的指導只有在不斷的交流與溝通中才能更好地發(fā)揮作用，做到真正的相互啟發(fā)、教學相長。這種教學方式，以激發(fā)學生的興趣和潛能為重點、以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識為目的。在一所研究型大學，研究與教學有一種辯證的關(guān)系［5］。學習和借鑒美國大學的經(jīng)驗，無疑將有助于我們培養(yǎng)更多的具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才。

2.2 實驗內(nèi)容多樣化、層次化

大學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)本著“以人為本、因材施教”的原則，為學生提供多層次的選擇，實現(xiàn)個性化培養(yǎng)的目標。給學生形成一個從簡單到復雜、從預備到創(chuàng)新的氛圍，循序漸進地了解和掌握實踐教學內(nèi)容，體現(xiàn)“遞進式”。設(shè)立一系列實驗，實施分層次教學，優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，建設(shè)反映課程體系的預備性實驗、基礎(chǔ)性實驗、培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力的綜合性實驗及培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的設(shè)計性和創(chuàng)新性科研項目，形成“預備性——基礎(chǔ)性—綜合性—設(shè)計性—創(chuàng)新性”5個層次遞進的實踐教學體系，強調(diào)學生能力培養(yǎng)的漸進性、系統(tǒng)性和科學性［4］。

1）預備性實驗。面向?qū)嶒灮A(chǔ)差的學生，開設(shè)一定學時的預備性實驗。我們的實驗室是開放的，學生可以通過預約來實驗室做實驗。基礎(chǔ)差的同學可以提前來實驗室預習實驗，熟悉實驗設(shè)備。

2）基礎(chǔ)性實驗。基礎(chǔ)性實驗環(huán)節(jié)主要由課程對應(yīng)的必修實驗以驗證性為主，以大綱規(guī)定的基本要求為教學目標，以正常進度完成基本實驗內(nèi)容，最好提出一個具體的目標任務(wù)。比如電渦流傳感器特性實驗，要求測出手機電池的重量，這樣可以加深學生對此次實驗的印象。

3）綜合性實驗。綜合性教學環(huán)節(jié)主要由獨立設(shè)置的綜合性實驗組成。一般學期末有1～2周的傳感器綜合實驗，提供給學生多個綜合實驗題目，讓學生根據(jù)自己的興趣，自己選擇實驗內(nèi)容。注重多種傳感器實驗特性的比較，例如，我們固定電機轉(zhuǎn)數(shù)，用光纖傳感器和電渦流傳感器分別測量，觀察比較實驗數(shù)據(jù)和波形，得出結(jié)論。

4）設(shè)計性實踐。設(shè)計性實踐環(huán)節(jié)主要由設(shè)計性實驗組成。下面以兩個例子進行說明：

（1）基于浙江大學儀器系生產(chǎn)的CSY10A傳感器系統(tǒng)實驗儀。例如，差動變面積電容傳感器特性實驗的動片和靜片都是長方形的，此實驗是驗證性實驗，原理和操作都簡單，學生短時間內(nèi)可以完成。那么我們可以提示學生如果動片和靜片不是長方形的，例如三角形，圓形，扇形等等結(jié)果會是怎樣？大家給出理論分析，通過實驗驗證自己的結(jié)論。

（2）設(shè)計一個測溫儀。利用鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系來設(shè)計電路，制作測溫范圍為0℃～100℃的測溫儀。要求掌握鉑電阻測溫的原理，根據(jù)鉑電阻與溫度的關(guān)系建立模型，掌握鉑電阻常用的測溫電路，并進行設(shè)計電路和焊接。

通過這樣的實驗安排，讓學生自主地設(shè)計實驗步驟，從而發(fā)現(xiàn)理論和實踐的距離，強化其對知識的綜合運用能力，激發(fā)學生做實驗的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

5）創(chuàng)新性實踐。創(chuàng)新性實踐環(huán)節(jié)包括各類創(chuàng)新比賽等。通過增設(shè)一些內(nèi)容新、綜合性、設(shè)計性的實驗題目，作為“選修實驗項目群”。供實驗基礎(chǔ)好、動手能力強的學生選擇，或者學生自己帶著課題，想要解決的問題來實驗室探討，這樣就為學生的主動性和創(chuàng)造性的發(fā)揮創(chuàng)造了廣闊的空間，使傳感器實驗進一步適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的需要［4］。

2.3 實驗教學手段現(xiàn)代化

隨著21世紀知識經(jīng)濟的崛起，各學科知識之間的相互交叉，原有的實驗室體制已不能滿足時代和社會的需要，不能有效地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力?；谏鐣碗娏π袠I(yè)對人才培養(yǎng)的需求，不斷探索實驗教學改革。利用先進的教育技術(shù)手段輔助實驗教學，注重虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合，推進學生自主性學習、研究性學習和創(chuàng)造性學習。

2.3.1 利用MATLAB軟件和誤差理論知識進行數(shù)據(jù)

MATLAB是一款科學與工程計算軟件，集成了計算、可視化和程序編制等工程，它使用方便、簡單易學、功能強大。在傳感器實驗中，經(jīng)常測量外界非電量與電壓的關(guān)系，在實驗數(shù)據(jù)處理時通常采用最小二乘法擬合得到標定曲線，并且計算靈敏度和非線性誤差，傳感器的標定和數(shù)據(jù)處理很重要且計算量大。學生通常采用坐標紙繪圖，計算器運算，效果不理想。針對這個問題，利用MATLAB軟件和誤差理論知識進行數(shù)據(jù)處理，利用擬合函數(shù)polyfit進行最小二乘擬合可以得到最高9次多項式的擬合［6］，利用cftool工具箱可以計算非線性誤差、靈敏度和滯后誤差等傳感器靜態(tài)標定指標，也可以擬合、繪圖和建模。MATLAB軟件處理實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果簡單直觀，一方面解決實驗數(shù)據(jù)處理和標定困難的問題，可以提升學生做傳感器實驗的積極性［7］；另一方面豐富了實驗內(nèi)容，比如在傳感器綜合實驗中，要求學生掌握傳感器靜態(tài)、動態(tài)特性，輸入信號分別采用為階躍信號和正弦信號，對二階傳感器的動態(tài)特性進行Matlab/Simulink仿真，并對仿真結(jié)果進行討論［8］。

2.3.2 基于虛擬儀器的傳感器實驗教學

虛擬儀器是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［9］。在這一領(lǐng)域使用較為廣泛的計算機語言是美國國家儀器（NI）有限公司的LabVIEW，虛擬儀器實驗平臺將硬件與軟件相結(jié)合，學生采用圖形化編程語言，就可以設(shè)計自己的實驗系統(tǒng)，給學生提供了一個充分發(fā)揮自己想象力、創(chuàng)造力的空間，使思維得到了拓展。實現(xiàn)在計算機上模擬實驗，并將結(jié)果以數(shù)字或圖像形式表示出來。這樣有助于學生熟悉實驗過程，強化實驗效果，直觀有趣的交互界面，課堂教學生動形象，激發(fā)學生興趣，比搭建純硬件實驗要快，這樣就有更多的時間開展設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗。

若將傳感器課程教學與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，必能更好地激發(fā)他們的學習興趣和探索精神［9］。虛擬儀器系統(tǒng)在實驗教學中打破了驗證性實驗的局限性，便于學生在實驗中綜合運用所學知識。既提升了實驗設(shè)備的水平，又避免了實驗設(shè)備的不斷更新。使學生從傳統(tǒng)的被動學習轉(zhuǎn)向主動學習。創(chuàng)新意識也得到增強，課堂教學效率提高［10］。利用虛擬儀器系統(tǒng)是高校進行實驗室建設(shè)、改革實驗教學的一個新的發(fā)展方向。

2.3.3 利用示波器觀察實驗結(jié)果

用光纖傳感器、電渦流傳感器測電機轉(zhuǎn)速實驗，雖然實驗臺的電壓頻率表可以直接顯示其轉(zhuǎn)速，但是通過示波器觀察波形，有助于對實驗原理的理解。分析幅值電壓的差異得出兩個電機葉片在轉(zhuǎn)動過程中的抖動現(xiàn)象，可以有意外的收獲。

2.3.4 NI數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用

一般教學用的示波器只有8位采集分辨率，而采集卡是16位。因此示波器受限于采集分辨率，基本上不能做出精度比較高的響應(yīng)曲線；另外，NIDAQmx是NI公司開發(fā)的最新數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序，對于微弱電壓信號，運用Measurement&Automation Explorer（MAX）數(shù)據(jù)記錄軟件，節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和數(shù)據(jù)記錄時間?；贜IPXI電壓采集卡和MAX軟件做一些實驗，具有操作簡單、精度高等優(yōu)點。

2.4 “多元智能”的實驗成績評價體系

將美國哈佛大學心理學教授霍華德·加德納1983年提出的“多元智能理論”應(yīng)用到實踐教學中，建立“操作+報告+答辯”的“多元智能”評價體系［4］。對學生的實驗能力和科技創(chuàng)新能力給出綜合評價，建立一套系統(tǒng)的完整的實踐教學體系，激發(fā)學生的自主性和創(chuàng)造性，不以實驗數(shù)據(jù)的好壞作為唯一的評判標準。這必將為我校工科專業(yè)的人才培養(yǎng)提供一個更好的平臺，改變目前學生對實驗環(huán)節(jié)不重視而導致的動手能力差、創(chuàng)新意識弱等現(xiàn)狀。例如，做差動變面積傳感器特性實驗，通過理論分析可得出線性的結(jié)果，有的同學做的數(shù)據(jù)不理想，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳躍、突變的可能，這時如果同學能仔細觀察實驗儀器，查看操作過程，分析實驗結(jié)果，找到誤差產(chǎn)生的原因；在通過測微頭帶動動片上下移動過程中可能會使動片不是垂直上下移動，稍有傾斜，這樣動片和靜片的距離會發(fā)生變化，導致最后得到的電壓值不隨位移線性變化。這樣會比順利得出漂亮的實驗結(jié)果更費時、費力，當然收獲也更大，可以考慮給出更好的成績，鼓勵學生多動手、多動腦、遇到問題善于分析問題解決問題的好習慣，激發(fā)學生做實驗的興趣。

2.5 實驗設(shè)備的更新?lián)Q代

關(guān)注實驗臺的發(fā)展，去相關(guān)院校參觀考察，新出的相關(guān)實驗臺允許的情況下引入一臺，給學生做些演示實驗，觀察學生反應(yīng)，對于老的實驗臺每批都要留有一臺，讓學生自己拆卸，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也能讓學生更好地看到實驗室的發(fā)展和成長歷程。

3 結(jié)束語

本文對現(xiàn)有的傳感器實驗教學存在的問題進行分析、總結(jié)，分別從五個方面提出具體措施。經(jīng)過多年的建設(shè)，各項措施已基本落實，取得了良好的實驗教學效果。學生做實驗的興趣得到改善、創(chuàng)新意識得到增強。相信隨著進一步深化實驗教學改革，傳感器實驗室建設(shè)的日趨完善，定能使其真正成為培育創(chuàng)新型人才的搖籃，為學生更好地就業(yè)服務(wù)。

［1］孫連榮.高校實驗教學模式的研究與探索［J］.實驗室研究與探索，2003，22（1）：4－6.

［2］楊丹.全面培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的舉措［J］.實驗室研究與探索，2011，30（7）：1－5.

［3］王麗，周玲.創(chuàng)新型實踐教學在大學生能力培養(yǎng)中的作用［J］.實驗室研究與探索，2013，32（3）143－146.

［4］袁銀男，許楨英，劉會霞，等.完善實踐教學體系強化創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］.實驗室研究與探索，2010，29（4）：92－95.

［5］張曉鵬.美國大學創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探析［J］.中國大學教學，2006（3）：7－11.

［6］陳敏.應(yīng)用Matlab擬合傳感器特性曲線［J］.南京師范大學學報，2003，3（1）：45－49.

［7］高宇飛，牟海維，呂秀麗.MATLAB語言在傳感器實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用［J］.大學物理實驗，2012，25（5）：65－67.

［8］尤源，劉艷，劉成林.MATLAB軟件在傳感器實驗教學中的應(yīng)用［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2010（3）：36－38.

［9］韋民紅.基于Labview的傳感器實驗教學研究［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2012（19）：53－55.

［10］薛曉穎，高峰.基于虛擬儀器技術(shù)的傳感器綜合實驗教學［J］.重慶郵電大學學報：社會科學版，2008（6）：49－51.

Reform Experiment Teaching of Sensors and Cultivate Students，Innovation

LIU Yuyan，F(xiàn)U Caifen
（School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Beijing102206，China）

The cultivation of innovative talents is an importantmission for all kinds of universities and colleges in new era.Combining with the accumulation of research and teaching，in view of existing situation in the experiment teaching of sensor，the current situation is analyzed and the experiences are summarized.In order to stimulate interest in experiment and cultivate innovation，some concretemeasures are put forward from the teachingmethods，teachingmeans，teaching contents，performance evaluation，experimental equipment and so on five aspects.Practice has proved that these new initiatives changed students'understanding for sensor experiment，improved the experiment situation，can improve the initiative and innovation and can lay a solid foundation for the training of innovation talents.

sensor；experiment；interest；innovation

G642.423；TP212.6

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.061

2014－06－19；修改日期：2014－07－10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（13MS20、13MS28）。

劉玉燕（1980－），女，碩士，工程師，主要從事實驗室管理與實驗教學工作。