《傳感器與檢測技術(shù)》課程教學(xué)模式創(chuàng)新探討

朱 立， 李躍忠， 錢 敏， 夏 洪

(東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西撫州344000)

《傳感器與檢測技術(shù)》課程教學(xué)模式創(chuàng)新探討

朱 立， 李躍忠， 錢 敏， 夏 洪

(東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西撫州344000)

“傳感器與檢測技術(shù)”作為一門專業(yè)應(yīng)用性課程，其理論在工業(yè)制造及科研領(lǐng)域中均起著技術(shù)導(dǎo)向性作用。針對(duì)綜合性強(qiáng)的課程特點(diǎn)，以及傳統(tǒng)教學(xué)方式在教學(xué)中凸顯的問題，文章著重從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面提出了教學(xué)模式的創(chuàng)新，并對(duì)改革實(shí)施效果進(jìn)行了分析總結(jié)。

傳感器與檢測技術(shù);理論教學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著信息時(shí)代的到來，任何一項(xiàng)決策的正確性、科學(xué)研究的可行性、高新技術(shù)的有效應(yīng)用，都將基于對(duì)外界信息的準(zhǔn)確獲取，以及對(duì)成果輸出的如實(shí)反饋。傳感器檢測作為實(shí)現(xiàn)測試對(duì)象與控制系統(tǒng)接口的一項(xiàng)核心技術(shù)，已被列為目前優(yōu)先發(fā)展的科技領(lǐng)域之一［1］。

《傳感器與檢測技術(shù)》為電氣信息類及工程技術(shù)專業(yè)的實(shí)用性專業(yè)課程［2］。鑒于該門課程學(xué)科上的交叉性:融合電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、半導(dǎo)體物理等多項(xiàng)理論;滲透自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理等多種工程方法;其觸角也已廣泛深入到工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、軍事醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域中，我們力求有效的教學(xué)模式，利用有限的課時(shí)，呈現(xiàn)這門學(xué)科的精髓所在，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)由理論掌握到實(shí)踐能力的提升，并對(duì)該領(lǐng)域相關(guān)的研發(fā)有所創(chuàng)新思考。

1 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

1.1 課時(shí)有限與課程復(fù)雜的矛盾

有限的課時(shí)分配與繁雜的課程內(nèi)容形成矛盾，是教學(xué)安排上的一大難點(diǎn)?！秱鞲衅髋c檢測技術(shù)》的開設(shè)建立在數(shù)模電等專業(yè)基礎(chǔ)課之上，但學(xué)生對(duì)這些課程的掌握和記憶情況，卻往往在教學(xué)期望之下，表現(xiàn)為學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解耗時(shí)且吃力。因此，急需尋求高效直觀的授課方式，提高課時(shí)成效。

教材普遍以檢測原理對(duì)傳感器分類，進(jìn)行章節(jié)劃分，但由于知識(shí)的相通性，難以避免內(nèi)容重復(fù)，如差動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器靈敏度的提高，合理選擇激勵(lì)源對(duì)傳感器檢測效果的改善等。

隨著新型傳感器不斷涌現(xiàn)，傳感檢測技術(shù)呈現(xiàn)種類細(xì)化、數(shù)量增多的趨勢。若對(duì)課程的要求僅止于掌握幾類基本傳感器的檢測原理，那么學(xué)生今后將感覺理論的更新與實(shí)際脫節(jié)。

1.2 課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重復(fù)

課程一般安排8個(gè)課時(shí)實(shí)驗(yàn)，且均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn):給出實(shí)驗(yàn)器材、電路圖，學(xué)生只需依照實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)試，記錄、分析數(shù)據(jù)即可。如此，學(xué)生最終掌握的也僅是對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的操作及基本的物理原理，而與工程實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)，并未達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)重在應(yīng)用、讓學(xué)生在動(dòng)手的同時(shí)兼鍛煉思維能力的教學(xué)目的［3］。

1.3 課程要求與考核方式的矛盾

我們一再強(qiáng)調(diào)教學(xué)方式多元化，但由于我國高等教育的改革不可能一蹴而就，因此，該門課程作為必修課，其考核方式還是以卷面考試為主，而閉卷考核形式對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的考察是有限的。我們審閱了往年的考卷，發(fā)現(xiàn)不乏存在卷面成績與平時(shí)思維能力表現(xiàn)不成正比的現(xiàn)象。所以，現(xiàn)有的課程考核方式的有所側(cè)重，在某種程度上壓制了學(xué)生對(duì)自身綜合能力的鍛煉。

2 教學(xué)模式的相應(yīng)改進(jìn)與實(shí)施成效

任何一門課程，扎實(shí)掌握其基礎(chǔ)理論是必須的，而實(shí)踐作為最終的教學(xué)目的，在激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)體系與工程實(shí)際接軌中起著促進(jìn)作用。因此，對(duì)于這兩者的“度”的掌握至關(guān)重要，既不能局限于數(shù)理層面的講授，也不可在理論根基不牢固的情況下盲目加大實(shí)驗(yàn)力度。

2.1 針對(duì)理論教學(xué)方式的改革

2.1.1 以應(yīng)用為導(dǎo)向的倒敘式理論教學(xué)

“傳感器與檢測技術(shù)”課程傳統(tǒng)的教學(xué)安排為:先做理論推導(dǎo)，再在應(yīng)用介紹中對(duì)理論進(jìn)行鞏固。在理論講授階段，因涉及到大量的數(shù)理推導(dǎo)，學(xué)生會(huì)因內(nèi)容相對(duì)枯燥、抽象而難以始終保持關(guān)注，導(dǎo)致在之后的應(yīng)用介紹階段，理解上又感困難。所以，為了在整個(gè)課時(shí)中飽滿地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，我們對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)思路做了相應(yīng)的調(diào)整——由應(yīng)用入手，圍繞實(shí)例展開原理分析。

如對(duì)光敏電阻的講解。我們首先提出其應(yīng)用實(shí)例——節(jié)能電梯(圖1)。學(xué)生對(duì)于課堂所學(xué)能應(yīng)用到日常生活中，興趣總是比較高昂的。

圖1 節(jié)能電梯示意圖

其工作原理是大家熟知的:無人搭乘時(shí)電梯緩慢運(yùn)行，有人靠近搭乘時(shí)改為快速運(yùn)行。但如何利用傳感檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種功能?——系統(tǒng)感知到有人靠近時(shí)電動(dòng)機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)，反之，無感應(yīng)信號(hào)時(shí)低速運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)有無乘客靠近如何進(jìn)行判斷?(1)裝置發(fā)射紅外光;(2)裝置為接收器，有無人靠近對(duì)應(yīng)為紅外光的通過和被遮擋。光信號(hào)的有無又通過何種敏感元件感知?如此最終引出光敏電阻，其阻值隨光照而呈反比變化的性能。最后再上升到理論本質(zhì)，從半導(dǎo)體物理角度講解內(nèi)光電效應(yīng)的原理。

由應(yīng)用實(shí)例引出問題，隨著進(jìn)一步提出問題、對(duì)問題的解決，這種層層遞進(jìn)“謎底揭曉”式的教學(xué)方式，必然能帶動(dòng)學(xué)生的求知欲，最后回歸到對(duì)基本原理的探究，加深學(xué)生對(duì)整個(gè)檢測系統(tǒng)的理解，使理論教學(xué)過程不再枯燥抽象。

2.1.2 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段的匹配

在教學(xué)改革中，提倡采用多媒體教學(xué)的呼聲越來越高。但我們認(rèn)為，多媒體和板書教學(xué)方式本應(yīng)是相輔相成的。多媒體教學(xué)優(yōu)勢在于生動(dòng)形象，畫面相比與數(shù)字，更能激發(fā)學(xué)生的關(guān)注度、加深對(duì)知識(shí)的記憶。但對(duì)于工科課程，課件教學(xué)容易陷入照本宣科的尷尬局面，難以形成老師與學(xué)生的同步思維。鑒于兩種教學(xué)方式各有所長，我們?cè)谡n堂教學(xué)中注重把不同的教學(xué)手段應(yīng)用在能充分發(fā)揮其優(yōu)勢的教學(xué)內(nèi)容中。

對(duì)于多媒體教學(xué)，我們將其應(yīng)用到教學(xué)中，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容首先有一個(gè)直觀的掌握，對(duì)于一個(gè)新概念，先解決“為何物”的疑問。

比如對(duì)“霍爾式傳感器”的教學(xué)，學(xué)生對(duì)霍爾效應(yīng)的本質(zhì)難以理解。但若通過圖2動(dòng)畫演示，學(xué)生將易于理解霍爾效應(yīng)本質(zhì):自由電子在磁場中受力，漂移聚集的過程。

圖2 霍爾效應(yīng)動(dòng)畫演示截圖

包括光電效應(yīng)、渦流效應(yīng)等，幾乎任何一類傳感器所基于的原理都可以flash形式動(dòng)態(tài)演示。這樣，既能讓學(xué)生有直觀的理解，又可大大提高課堂效率。

對(duì)于原理的掌握，我們的教學(xué)目標(biāo)不能只停留在定性了解階段，所以，課堂的講授勢必離不開定量的推導(dǎo)和計(jì)算。這部分教學(xué)內(nèi)容，我們認(rèn)為，黑板板書比課件教學(xué)更具成效。一方面老師的板書推導(dǎo)可以同步于學(xué)生思考速度，另一方面這對(duì)老師有了更高的要求，也可提升學(xué)生對(duì)教師的信服度。

例如，對(duì)霍爾效應(yīng)做了動(dòng)態(tài)演示后，我們還需計(jì)算霍爾電壓值UH=KHBI，幫助學(xué)生定量地理解各物理量對(duì)霍爾電壓大小的影響。對(duì)于內(nèi)容本身不具備生動(dòng)性的知識(shí)點(diǎn)，其講解更應(yīng)注重方式。比如，我們應(yīng)把推導(dǎo)的重點(diǎn)放在各表達(dá)式的環(huán)環(huán)相扣，各變量間的相互關(guān)聯(lián)上。如圖3所示，從微觀層面的粒子受力平衡入手，分別展開對(duì)洛倫茲力FL和電場力FE的計(jì)算，最后導(dǎo)出霍爾電壓UH表達(dá)式，指出霍爾輸出電壓除了受磁場強(qiáng)度B、通電電流I的影響外，還與材料種類(載流子濃度n)以及材料尺寸(厚度d)有關(guān)，再引申到為什么霍爾片通常做成薄片狀，在材料的選擇上為何多采用N型半導(dǎo)體［4］。這樣的講解層次分明，使講解和理解都更為容易。

圖3 對(duì)霍爾電壓值的推導(dǎo)過程

板書和多媒體相結(jié)合的教學(xué)方式，讓學(xué)生對(duì)霍爾式傳感器如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測的理解，既有畫面可聯(lián)想，又有公式數(shù)據(jù)可依，能對(duì)課堂所學(xué)內(nèi)容更牢固更深入地掌握。

2.1.3 學(xué)生參與課堂教學(xué)

傳感器的種類成千上萬，檢測技術(shù)的發(fā)展也日新月異，但教學(xué)不可能無限擴(kuò)充學(xué)時(shí)來緊跟當(dāng)前科技的更新動(dòng)態(tài)。所以，我們把這部分教學(xué)內(nèi)容安排學(xué)生自主完成，并鼓勵(lì)學(xué)生間實(shí)現(xiàn)知識(shí)分享。比如，完成對(duì)熱電偶的學(xué)習(xí)后，布置學(xué)生課后搜集“目前非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的應(yīng)用實(shí)例”，并整合資料在課堂上進(jìn)行講解。實(shí)施效果表明，大部分學(xué)生積極于這樣的對(duì)前沿科技的探求工作，能夠從材料選擇、工作原理、檢測性能等方面分析各類傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及適宜的應(yīng)用領(lǐng)域。在資料查找及講解與互享的過程中，學(xué)生對(duì)課堂所學(xué)做到了鞏固，并有效地與實(shí)際建立了應(yīng)用關(guān)聯(lián)。

2.1.4 開辟不同的支線做課程小結(jié)

在教學(xué)中，出現(xiàn)許多原理相似或應(yīng)用領(lǐng)域相同的傳感器，在課程小結(jié)中可考慮基于這樣的線索對(duì)課程內(nèi)容做一個(gè)歸類總結(jié)。比如，差動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)電阻應(yīng)變式、電感式、熱電阻式傳感器分別如何起到性能改善的效果。對(duì)壓力、液位、位移的檢測，分別可利用哪些傳感器如何實(shí)現(xiàn)等等。選擇一個(gè)新的知識(shí)體系劃分方法，讓學(xué)生從另外一個(gè)角度對(duì)所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行梳理和回顧，能讓學(xué)生產(chǎn)生二次興趣并有新的領(lǐng)悟。

2.2 針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

2.2.1 驗(yàn)證型試驗(yàn)增強(qiáng)應(yīng)用性

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大綱中編寫的實(shí)驗(yàn)，多數(shù)為基于專業(yè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的操作，基本為相關(guān)物理效應(yīng)的演示。為了增強(qiáng)理論與應(yīng)用的關(guān)聯(lián)，對(duì)于傳感檢測技術(shù)的原理驗(yàn)證，我們?nèi)诤狭藢?duì)產(chǎn)品實(shí)例的分析。

比如，對(duì)于光敏三極管的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，我們?yōu)槊總€(gè)試驗(yàn)臺(tái)準(zhǔn)備一個(gè)煙霧報(bào)警器(圖4)，鼓勵(lì)學(xué)生拆開分析其內(nèi)部運(yùn)作原理。實(shí)驗(yàn)報(bào)告也并非簡單的數(shù)據(jù)記錄及處理，而是要求學(xué)生根據(jù)實(shí)物圖，繪出煙霧報(bào)警器的內(nèi)部電路，并通過簡易的外部輸出電路搭建，檢測不同煙霧濃度時(shí)，報(bào)警信號(hào)輸出情況。

圖4 煙霧報(bào)警器實(shí)物圖

實(shí)施這樣改良過的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，課程內(nèi)容更貼近實(shí)際，也不乏理論支持。學(xué)生也因切身感受到傳感器檢測技術(shù)的實(shí)用性，而能夠?qū)@門課程提升興趣，加強(qiáng)重視。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容向設(shè)計(jì)型過渡

我們嘗試將課程體系中的知識(shí)轉(zhuǎn)化為開放性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供更大的思維空間［5］。比如，試設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速測量器，方法不限。具體實(shí)施頗具成效:部分學(xué)生選擇渦流傳感器，在轉(zhuǎn)軸上設(shè)計(jì)一個(gè)金屬突起;或利用霍爾傳感器，在轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤上安置N、S極相間的永磁;也有采用遮擋式光電檢測，均最終實(shí)現(xiàn)檢測信號(hào)的周期性突變，通過連接示波器對(duì)頻率的記錄推算轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。雖然由于硬件設(shè)施制約，學(xué)生的設(shè)計(jì)并非盡善盡美，但實(shí)驗(yàn)過程真正實(shí)現(xiàn)了將理論運(yùn)用到實(shí)踐，通過對(duì)傳感器檢測的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換電路的搭建，以及整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試，讓學(xué)生自主自發(fā)地在設(shè)計(jì)中引出相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中加深對(duì)專業(yè)知識(shí)技能的綜合運(yùn)用。

3 教學(xué)實(shí)施成效小結(jié)

通過對(duì)“傳感器與檢測技術(shù)”新教學(xué)模式的實(shí)施，使學(xué)生建立了對(duì)傳感檢測技術(shù)的整體概念，培養(yǎng)了學(xué)生組建非電測量和控制系統(tǒng)的實(shí)踐能力。

3.1 考核成績收效良好

我們對(duì)考核模式進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，基本摒棄了名詞解釋，大量減少了概念問答的題型，而適量提出了實(shí)例分析及設(shè)計(jì)題。學(xué)生普遍認(rèn)為:這種重在理解和實(shí)踐的考核形式更能提升對(duì)該課程學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)對(duì)理論的掌握程度。成績分析中也體現(xiàn)出:總體分值呈正態(tài)分布，對(duì)于比較新穎的綜合型應(yīng)用題，學(xué)生在答題中能貫通各項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)，并融入自己的合理理解。

3.2 促進(jìn)第二課堂開展

在課程結(jié)束后，學(xué)生還能將課堂所學(xué)拓展到如“3+1”實(shí)驗(yàn)班等二課形式的動(dòng)手實(shí)踐中，如:協(xié)同完成電容式豬肉注水率檢測儀的專利實(shí)現(xiàn)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，學(xué)生也體現(xiàn)了對(duì)該門學(xué)科的濃厚興趣及靈活運(yùn)用，如:對(duì)酒精探測儀的設(shè)計(jì)，學(xué)生能完成完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合自己的想法和思考，用理論所學(xué)解決實(shí)際問題。

這無疑提高了今后歷屆學(xué)生對(duì)該門課程的重視，并為學(xué)生日后在相關(guān)領(lǐng)域中的工作開展提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)及有力支持。

［1］徐科軍.傳感器與檢測技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:1-25.

［2］陳杰，黃鴻.傳感器與檢測技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2007:1-20.

［3］Knudsen D S.Experimental modeling of dynamic systems and educational approach［J］.IEEE Contr，1999(11):40-43.

［4］Pallas Areny，Ramon.Sensors and signal conditioning［M］.Chicago:University of Chicago Press，1999:52-57.

［5］Leva A.A hands on experimental laboratory for undergraduate courses in automatic control［J］.IEEE Trans，2003，46(2):263-272.

Teaching Reformation for Sensor and Detecting Technology

ZHU Li， LI Yao-zhong， QIAN Min， XIA Hong
(Faculty of Mechanical and Electronic Engineering，East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou344000，China)

As an important applied course，Sensor and Detecting Technology plays an important role in industrial manufacturing and scientific research fields.Considering the characteristic of strong comprehensiveness of the course and the shortages of traditional teaching mode，this paper puts forward reforms from two aspects as Theory Teaching method and Experiment content，and then makes analysis and summary of the implementation effect.

Sensor and Detecting Technology;Theory Teaching;Experiment Teaching

G642

A

1674-3512(2011)01-0077-04

2010-11-29

朱 立(1984—)，女，湖北監(jiān)利人，碩士，助教，主要從事控制理論與控制工程研究。