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同步互动教学实验平台“传感器”课程内容革新及实验教学改革与实践

编辑:山东耐思电子科技有限公司时间:2018-03-14

作者: 周利 祝杰

摘要:针对高年级本科生在学习“传感器”课程过程中存在的学习积极性低和学习效果差的问题,对理论课程教学和实验课程教学内容进行了改革,在实验教学过程中引入LabVIEW虚拟仪器开发平台,让学生自主设计与仿真传感器数据采集和控制系统。目的是提高学生的学习兴趣和积极性,同步互动教学实验平台培养学生自主学习和创新的能力。

关键词:传感器;教学改革;虚拟仪器;LabVIEW

作者简介:周利(1977-),男,湖北武汉人,武汉大学物理科学与技术学院,讲师;祝杰(1990-),男,湖北荆门人,武汉大学物理科学与技术学院硕士研究生。(湖北 武汉 430072)

基金项目:本文系武汉大学自主科研项目(项目编号:1101024)支持的研究成果。

中图分类号:G642.423 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)02-0141-02

“传感器”课程是电子技术、电气自动化技术、计算机应用等专业的一门重要的专业技术课程,现阶段国内高校理工科专业普遍都开设了传感器及其相关的课程。笔者承担的“传感器原理及应用”课程是电子科技专业大四学生的一门专业课,对于本科高年级学生而言,在学习上存在一些矛盾:一方面学生需要这些课程来完善知识结构,增强专业知识和技能,以及培养运用所学知识进行实践的能力;[1]另一方面该阶段的学生又有着考研、找工作、出国英语考试等压力,结果往往是学生对专业课没有学习积极性,学习效果也非常差,教师和学生都有怨言。

为了提高学生学习的积极性和教学质量,武汉大学对教学内容进行了一些改革,特别是加强了实验教学环节,对实验教学内容则进行了重新设计。如在实验教学环节中,引入虚拟仪器开发工具LabVIEW,[2]让学生自主设计硬件和软件系统,通过软件仿真和硬件电路构建传感器数据采集和控制系统。以期达到:通过丰富教学手段提高学生学习的积极性,达到较好的学习效果;同时通过课程中的实验教学内容和自主学习过程,锻炼学生的实践动手能力、分析问题和解决问题的能力、自主学习和创新的能力,提高学生的综合素质。本文介绍了“传感器”课程中课堂理论教学内容的革新,实验教学内容的改革和实践。文中涉及的内容在实际的教学过程中已经采用,明显提高了学生学习的积极性,取得了良好的教学效果,相关经验也可为其他同类型课程提供参考。

一、课堂理论教学内容革新

传感器技术是当今信息技术时代的支柱之一,其应该具有与计算机技术和互联网技术相当的地位。当今信息社会已经经历了计算机和互联网的技术浪潮,随着无线传感网络、物联网等领域的发展,当前传感器技术已经成为科技和产业领域的热点,各种传感器技术发展非常迅速。目前“传感器”课程面临的问题是:课程的教学内容相对陈旧,新的传感器技术和发展涉及较少;同时,纯粹的传感器原理讲授比较枯燥,学生学习积极性不高。因此,笔者在课堂教学环节中对教学内容进行了改革。

1.增加新的传感器技术知识

在教学内容上增加了新的传感器技术知识,让学生尽可能了解传感器的前沿发展动态。在教学中加入一些传感器的新兴技术应用和最新的传感材料和器件,如物联网技术,即通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。又如无线传感网络,即由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

2.介绍当前的科研热点

在当前的基础科学和应用科学研究领域,有很多与传感器相关的研究,涉及材料、物理、化学、生物、医学等诸多领域。通过给学生介绍最新发表的文献,让学习了解与传感器相关的科研进展。比如,美国化学会志(Journal of the American Chemical Society)2004年的一篇文章介绍了一种热敏感的聚合物,可以实现温度传感,并用温度和pH值作为输入实现与逻辑运算。[3]纳米快报(Nano Letters)2009年的一篇文章介绍了利用一种相转换材料VO2纳米线设计气体传感器的技术。[4]自然-纳米科技杂志(Nature Nanotechnology)2011年的一篇文章(Nat. Nanotechnol)指出利用碳纳米管设计和制备了一种应力传感器,可以检测人体的运动。[5]将上述最新的科研论文介绍给学生,可以让他们了解科学研究的前沿进展,同时拓展思维方式,增强创新意识。

3.安排课堂讨论环节

为了让学生主动参与到学习当中,可安排课堂讨论环节。课堂讨论内容主要包括两个方面:一是针对课堂讲授的某一种传感器,让学生利用此种传感器完成一次课后作业,通过课后查找相应的资料,自己设计一个传感器应用电路和系统,然后教师安排一次专门的讨论课,让学生介绍自己的设计,并与其他同学交流;二是针对当前市场上热门的传感器技术,如智能手机中的各种MEMS传感器、数码相机中的CCD传感器、安全领域的光纤传感器和指纹传感器等,在网上查询资料如技术指标、技术优势、市场占有率等,并做出演示报告在课堂上演讲,在整个过程当中学生可以自主地学到很多知识。

二、实验教学内容的设计

实验教学环节对于传感器的学习非常重要。在早期的实验教学过程中主要采用CSY传感器系统实验仪,为学生开设一些验证性的实验,学生在实验过程中按照实验指导教程操作,测试各种传感器的特性,了解传感器的工作原理。这种实验模式的好处是结合课堂内容,加深对传感器工作原理和特性的理解,不足之处是学生参与较被动,缺少创新性的实验内容。另外,该实验系统较贵,部分部件容易损坏,更新和维护的费用较高,并且通常是学生多、仪器少。

同步互动教学实验平台为了培养学生的探索精神和创造能力,武汉大学将LabVIEW虚拟仪器开发平台引入了实验教学环节。LabVIEW是美国国家仪器公司(National Instruments,简称NI)推出的虚拟仪器开发平台,它是一种图形化的编程语言开发环境,具有强大的功能和友好的开发环境,提供了多种总线接口和数据通信接口的支持,以及丰富的图形化控制元件和软件面板,同时提供了强大的数据和信号处理功能函数。[6,7]利用LabVIEW+串口通信+单片机,设计了一套传感器实验平台,学生以小组为单位,基于此平台完成软件仿真和硬件仿真。随后学生需查阅资料,设计自己的传感器数据采集和控制系统,合作完成设计方案、硬件电路和软件系统,最后形成完整的实验报告。   这个实验过程提高了学生的学习兴趣,让学生掌握了传感器件选择以及数据的采集与处理技能;促使学生主动参与实验过程,学生为了完成自己的实验,需经过独立的资料查询、分析和讨论,可以加深对所学理论知识的理解;同时也培养了学生的综合应用能力和团队协作精神。另外,该设计方案结构灵活,容易更新和扩展,开发成本也较低,适合学生独立自主地完成设计和实践。

三、基于虚拟仪器的实验教学平台

本传感器实验平台包括几个模块,以传感器、模数转换芯片和单片机组成前端数据采集系统(模拟温度采集),通过数模转换芯片将传感器信号转变为数字信号进入单片机,随后通过通讯系统将传感器信号传送给上位机(PC机),此处采用串口通信接口,也可以转换为USB接口电路,以适应没有串口的计算机,上位机数据处理系统程序采用LabVIEW编写,可以实现实时动态显示温度、存储数据和设定报警温度等功能,并对温度进行分析处理,系统还可由通讯系统利用单片机实现对控制系统的控制,此处利用单片机与LED灯模拟后端控制系统。系统的结构如图1所示。

这个系统可分解成硬件设计、软件设计、软件仿真、硬件仿真和电路板开发等多个实验,学生依次完成各个实验环节。每个实验环节的具体内容如下:

硬件设计是在电路设计软件(如Protues)中设计前端采集系统、后端控制系统和通信接口电路。学生在前期的课程中已经学习了电路的开发和设计,对于电路设计软件也非常熟悉,可以比较顺利地完成实验。

软件设计包括下位机单片机程序和上位机LabVIEW程序,LabVIEW平台提供了方便的图形化开发环境,学生可以很快掌握。图2给出了本系统的LabVIEW主程序框图,完成数据接收、处理、显示、存储等功能,并形成控制信号给单片机。LabVIEW平台为学生提供了丰富的开发接口和功能模块,学生在此平台上可以完成各种传感器数据处理功能。

软件仿真完全在计算机上进行,由几个开发程序(Protues、Keil、LabVIEW等)联合调用,通过虚拟串口,模拟上位机和下位机之间的通信,图3给出了LabVIEW的前面板和仿真运行结果。

硬件仿真是在软件仿真的基础上,利用单片机实验箱构建下位机系统,完成整个系统的功能。

在上述仿真过程都成功后,可以进行电路板开发、购买所需元器件、焊接电路板,最后连接PC机调试运行。

硬件仿真环节和PC机调试环节中的实验内容可供学习兴趣较高和动手能力较强的同学自主完成,并且系统中具体的功能和模块可以是学生重新设计的,软件仿真成功以后,再进入硬件仿真和PC机调试。

同步互动教学实验平台系统结构非常灵活,学生可以根据自己的情况逐步完成上述实验环节。随后可以设计自己的系统,更换和扩展其中的部分模块,添加新的模块。且整个系统的开发成本低,不会给教师和实验室带来太大的压力。

四、结束语

本文介绍了对“传感器”课程中的一些理论教学内容和实验内容的改革,将LabVIEW虚拟仪器开发平台引入实验教学中,学生可以设计自己的传感器数据采集和控制系统,合作完成设计方案、硬件电路和软件系统,学生经过独立的分析和相互间的讨论,可以加深对所学理论知识的理解,同时也培养了学生的综合应用能力和团队协作精神。实践证明,通过在实际教学过程中采用以上教学内容和方法,显著增强了学生的学习积极性,提高了学生的学习效率和教学质量。

参考文献:

[1]刘永顺.传感器原理课改革初探[J].物理与工程,2009,(4):37-39.

[2]杨武夷.“虚拟仪器设计”课程中的比较教学法探讨[J].中国电力教育,2012,(4):72-73.

[3]Uchiyama,S. Kawai,N. de Silva,A. P.Iwai,K. Fluorescent Polymeric AND Logic Gate with Temperature and pH as Inputs[J].Journal American Chemical Society,2004,126(10):3032-3033.

[4]Strelcov,E. Lilach,Y. Kolmakov,A. Gas Sensor Based on Metal-Insulator Transition in VO2 Nanowire Thermistor[J].Nano Letters,2009,9(6):

2322-2326.

[5]Yamada,T. Hayamizu,Y. Yamamoto,Y. Yomogida,Y. Izadi-Najafabadi,A. Futaba,D.N. Hata,K. A Stretchable Carbon Nanotube Strain Sensor for Human-motion Detection[J].Nature Nanotechnology,2011,(6):296-301.

[6]姜利英,张艳.LabVIEW在数字信号处理教学中的应用[J].中国电力教育,2011,(27):160-161.

[7]徐相波,徐超,张兴然.基于LabVIEW的“电力系统分析”课程仿真[J].中国电力教育,2012,(21):79-80.

(责任编辑:孙晴)


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