遠(yuǎn)程模式下機(jī)電專業(yè)傳感器課程教學(xué)改革的研究

徐丹麗　曉莉

摘要傳感器與測(cè)試技術(shù)是機(jī)電、控制等專業(yè)的必修課程，知識(shí)面廣、實(shí)踐性強(qiáng)。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為介質(zhì)的遠(yuǎn)程教育模式下該課程的教與學(xué)面臨著新的難題，本文探討了其解決對(duì)策，包括多角度激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣；用案例作導(dǎo)向?qū)⒗碚撆c實(shí)踐緊密結(jié)合；在工程實(shí)踐中引入仿真技術(shù)，開發(fā)適合本門課程的工程仿真軟件。運(yùn)用策略后，教學(xué)效果得到明顯改善。

關(guān)鍵詞教學(xué)改革傳感器仿真技術(shù)實(shí)踐教學(xué)

信息傳播技術(shù)的飛速發(fā)展，給傳統(tǒng)的機(jī)械電子專業(yè)帶來(lái)猛烈沖擊，推動(dòng)學(xué)科教育的革新，專業(yè)教育也不斷探索與之相適應(yīng)的教學(xué)實(shí)施途徑。信息傳播技術(shù)的充分發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，遠(yuǎn)程教育成為新的教學(xué)模式并廣受歡迎。遠(yuǎn)程開放教育招生的注冊(cè)人數(shù)逐年快速上升，因?qū)W習(xí)能夠不受時(shí)空限制，專業(yè)學(xué)習(xí)者絕大部分是在職人員，他們更傾向于在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中接受專業(yè)教育。良好的招生形式需要好的教學(xué)體系來(lái)保證和維持，如何保證和提高網(wǎng)上辦學(xué)的教學(xué)質(zhì)量是遠(yuǎn)程教育工作者們面臨的新的課題。

教學(xué)質(zhì)量要靠?jī)?yōu)質(zhì)的課程單元來(lái)保證。隨著機(jī)器人、自動(dòng)控制等技術(shù)的興起，傳感器技術(shù)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯男枨蟛粩嘣黾樱亲詣?dòng)控制、機(jī)電一體化等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。本文將探討在遠(yuǎn)程教育環(huán)境下，如何進(jìn)行傳感器與測(cè)試技術(shù)課程的教學(xué)改革。

1遠(yuǎn)程模式下傳感器課程教學(xué)的新難題

傳感器技術(shù)是當(dāng)今世界令人矚目的高新技術(shù)之一。作為信息采集重要元件，傳感器廣泛應(yīng)用于各種智能控制、信息處理系統(tǒng)當(dāng)中，它是將各種待測(cè)非電量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量的裝置。傳感器種類繁多，包括應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、霍爾式傳感器等。傳感器與測(cè)試技術(shù)主要是講授工程檢測(cè)中常用傳感器的工作原理及在測(cè)試系統(tǒng)中的基本應(yīng)用。

在遠(yuǎn)程教育環(huán)境下，傳感器與測(cè)試技術(shù)課程的教學(xué)面臨著諸多新的教學(xué)難題和挑戰(zhàn)。首先，在教學(xué)內(nèi)容上涉及理論多而廣，增加了教與學(xué)兩方面的難度。不同類型的傳感器工作原理各不相同，講解時(shí)需涉及聲學(xué)、材料學(xué)、核物理、微電子學(xué)、工程數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)處理、控制工程等學(xué)科知識(shí)。這不僅對(duì)主講教師在學(xué)識(shí)、能力、技巧諸方面提出嚴(yán)峻考驗(yàn)，同時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)者的知識(shí)面和知識(shí)結(jié)構(gòu)提出一定的要求。

對(duì)開放大學(xué)往屆的機(jī)電專業(yè)學(xué)習(xí)者調(diào)查結(jié)果顯示，他們大多是生產(chǎn)線上的操作人員，或者僅是某個(gè)崗位上的負(fù)責(zé)者，知識(shí)面相對(duì)較窄，知識(shí)基礎(chǔ)也相對(duì)薄弱，而且每個(gè)人的知識(shí)結(jié)構(gòu)不盡相同，會(huì)覺得傳感器課程的知識(shí)理解起來(lái)困難重重。而課程的章節(jié)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，如果某次缺課，例如部分人工作環(huán)境中存在倒班制度，上課時(shí)間還需要根據(jù)工作時(shí)間安排來(lái)調(diào)整，知識(shí)的脫節(jié)將會(huì)給后面的學(xué)習(xí)帶來(lái)更大的困難。因此，很多學(xué)習(xí)者更加覺得內(nèi)容枯燥。

遠(yuǎn)程模式下中，實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施也需要探索新的實(shí)施途徑。傳感器課程是工科類學(xué)生培養(yǎng)其工程實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，實(shí)踐性強(qiáng)。單純從外觀上看，很多傳感器大同小異，但其應(yīng)用卻千差萬(wàn)別，通過實(shí)踐教學(xué)能有效幫助學(xué)習(xí)者深入掌握傳感器相關(guān)知識(shí)。目前社會(huì)上掌握計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的工程技術(shù)人員非常多，但精通傳感器技術(shù)的工作者卻很少，也是因?yàn)檎莆账枰e累大量的工程實(shí)踐知識(shí)。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)傳感器技術(shù)時(shí)，如果仍采用一般專業(yè)基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)方法，其形式相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)通常局限于在驗(yàn)證性的基本原理階段，這類實(shí)驗(yàn)與實(shí)際聯(lián)系不多，反映不出日新月異的傳感器的應(yīng)用，難以刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造欲望，教學(xué)效果不夠明顯。

2遠(yuǎn)程教學(xué)環(huán)境下傳感器課程改革的對(duì)策

2.1多角度激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)

眾所周知，學(xué)習(xí)興趣是學(xué)習(xí)者能否學(xué)好某門課程的重要因素，也是課程取得良好教學(xué)效果的重要條件，因此，培養(yǎng)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣至關(guān)重要。從以往的教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生在學(xué)期之初對(duì)傳感器課程有著一定的興趣，但這學(xué)習(xí)興趣在一段時(shí)間后容易失去，其主要原因是理論難度逐漸增加，以及遺忘了以前的基礎(chǔ)知識(shí)，導(dǎo)致前后知識(shí)不能順利銜接。

針對(duì)此類情況，傳感器與測(cè)試技術(shù)的遠(yuǎn)程教學(xué)從多角度激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。本課程開發(fā)團(tuán)隊(duì)確定出課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，具整理編寫基本的文字、圖片等學(xué)習(xí)材料，還有針對(duì)性地提供教學(xué)講解視頻、音頻、課件動(dòng)畫等資源。例如在講授熱電偶相關(guān)知識(shí)的教學(xué)中，教材上提供的熱電偶原理圖圖1（a）所示，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，但與工程實(shí)際中使用的產(chǎn)品相去甚遠(yuǎn)，學(xué)生很難將二者融為一體。在遠(yuǎn)程教學(xué)中我們補(bǔ)充了熱電偶實(shí)物圖、產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙，三者相互對(duì)照，學(xué)習(xí)者更容易接受和掌握熱電偶的工作原理和實(shí)際應(yīng)用。

遠(yuǎn)程教育的學(xué)生大多是在職學(xué)習(xí)者，教育背景、工作經(jīng)歷、知識(shí)結(jié)構(gòu)不盡相同。這種現(xiàn)象造成有些課程內(nèi)容對(duì)一部分人來(lái)說(shuō)是已經(jīng)掌握或者很輕松就能理解的，但對(duì)另一部分人來(lái)說(shuō)則相反。針對(duì)這一現(xiàn)象，為遠(yuǎn)程教學(xué)中提供的教學(xué)視頻、動(dòng)畫等多種多媒體資料可以充分發(fā)揮作用。

2.2案例導(dǎo)向的傳感器課程教學(xué)

傳感器與測(cè)試技術(shù)課程大綱中規(guī)定：除了要求學(xué)生掌握工程撿測(cè)中常用傳感器結(jié)構(gòu)、工作原理等理論知識(shí)外，還得使學(xué)習(xí)者掌握在工程實(shí)際中如何選擇和應(yīng)用基本類型傳感器，實(shí)現(xiàn)工程實(shí)際當(dāng)中對(duì)力、壓力、溫度、位移、物位、轉(zhuǎn)速和振動(dòng)等物理量的測(cè)量?，F(xiàn)有的傳感器教材絕大多是以理論知識(shí)來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容的，應(yīng)用往往是教學(xué)的難點(diǎn)。

筆者從多年的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，課堂上單純的理論講解，容易讓學(xué)生疲勞，若加入應(yīng)用案例分析，他們則會(huì)聚精會(huì)神，甚至還產(chǎn)生繼續(xù)研究的興趣，有些還能結(jié)合其實(shí)際工作舉一反三。在學(xué)生首次接觸課程時(shí)，筆者沒有急于講解第一章的傳感器概念和特性，而是結(jié)合教材向?qū)W生介紹生活中、工業(yè)中、軍事中傳感器的作用與地位，空調(diào)、冰箱為什么恒溫，機(jī)器人為什么能避開障礙物等，這些貼近實(shí)際的話題，讓學(xué)生們興致盎然。

因此，在傳感器課程遠(yuǎn)程教學(xué)中引入案例教學(xué)，即在案例的講解當(dāng)中穿插傳感器的相關(guān)理論知識(shí)，可以極大改善教學(xué)效果。案例的運(yùn)用可以大大縮短理論與實(shí)踐的差距，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

在遠(yuǎn)程教學(xué)過程中，傳感器課程內(nèi)容組織常以一個(gè)完整的項(xiàng)目開發(fā)為案例，進(jìn)行相關(guān)知識(shí)講解，項(xiàng)目對(duì)象可以選一輛智能遙控車、汽車油門控制系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱水器的水位控制裝置等。例如，在電容式傳感器知識(shí)講解過程中，筆者通過一個(gè)門鈴的工作過程作為案例，闡述其運(yùn)作的原理和模式，學(xué)生對(duì)門鈴較為熟悉，因此很容易接受深層次的關(guān)于門鈴內(nèi)部原理。

2.3遠(yuǎn)程教學(xué)模式下的實(shí)踐環(huán)節(jié)引入仿真技術(shù)

強(qiáng)調(diào)理論和實(shí)踐研究相結(jié)合是工程技術(shù)學(xué)科的一個(gè)顯著特點(diǎn)。隨著高等教育的普及化，社會(huì)對(duì)各類專業(yè)人才的需求有了更進(jìn)一步的提升。企事業(yè)單位不僅要求新入職者掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，還希望他們具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。如何提高學(xué)生的動(dòng)手能力呢？實(shí)訓(xùn)設(shè)備價(jià)格昂貴，也不符合遠(yuǎn)程教育的隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)原則；工廠實(shí)習(xí)是傳統(tǒng)的教育方法，但目前制造企業(yè)都注重安全生產(chǎn)，不愿意接受學(xué)生實(shí)習(xí)。

遠(yuǎn)程教學(xué)中，對(duì)于文字、圖片、視頻等教學(xué)資源，目前的教育網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠給予很好的支持，對(duì)于傳感器與測(cè)量技術(shù)課程所強(qiáng)調(diào)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，因用到專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等，給專業(yè)的遠(yuǎn)程教育帶來(lái)新的難題。開發(fā)虛擬設(shè)備、建立虛擬實(shí)驗(yàn)室等仿真技術(shù)的應(yīng)用，為解決這一困境提供了有效途徑。

仿真技術(shù)在教學(xué)中存在如下優(yōu)點(diǎn)：（1）創(chuàng)造一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，減少了繁瑣的硬件設(shè)備的投資和維護(hù)；（2）將多種專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用，滿足培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的理論與實(shí)踐結(jié)合的能力；（3）操作都在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下運(yùn)行，利于遠(yuǎn)程教育模式。以下就用飛機(jī)上使用的電容式油量表系統(tǒng)為例，說(shuō)明傳感器課程實(shí)踐環(huán)節(jié)中如何引入仿真技術(shù)。

油量表采用自動(dòng)平衡電橋電路，由油箱液位電容式傳感裝置、交流放大器、兩相伺服電機(jī)、減速器、指針等部件組成。油箱中的液位高低變化會(huì)引起這些組成部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最后反映在油量表的指針上，操作者根據(jù)油量表的讀數(shù)獲取當(dāng)前油箱中的油位高低。

油量表的原理圖如圖2所示，當(dāng)油箱無(wú)油時(shí)，電容式傳感器Cx具有一個(gè)初始電容，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為零，伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)油箱中油量增加，電容式傳感器的電容之將會(huì)發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出電壓，電壓經(jīng)過放大后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，經(jīng)減速后一方面帶動(dòng)油量表指針偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，另一方面移動(dòng)可變電阻Rw，使其達(dá)到一個(gè)新的平衡。

單純的文字說(shuō)明和過程講解是無(wú)法達(dá)到好的知識(shí)傳遞效果，而實(shí)物系統(tǒng)龐大，就算有也無(wú)法獨(dú)立操作和講解。

為了讓學(xué)習(xí)者明了其“輸入-輸出”關(guān)系的運(yùn)動(dòng)過程，我們將仿真技術(shù)納入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，用動(dòng)畫的方式展現(xiàn)出整個(gè)控制過程，并且彌補(bǔ)沒有實(shí)物的不足。過程仿真的開發(fā)軟件很多，本案例使用東方仿真軟件中的過程系統(tǒng)仿真平臺(tái)來(lái)進(jìn)行開發(fā)。動(dòng)作仿真的開發(fā)結(jié)果能讓學(xué)習(xí)者輸入或改變油位高低參數(shù)h，動(dòng)態(tài)展示出油量表隨著液位高低而發(fā)生變化的一系列過程，能觀察到油量表相應(yīng)的變化。學(xué)生通過這一過程輕松掌握電容式傳感器在工程中的典型應(yīng)用，并能對(duì)其它類型的變介質(zhì)式電容傳感器的使用舉一反三，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

3小結(jié)

傳感器與測(cè)試技術(shù)是一門融理論與實(shí)踐于一體的課程，課程知識(shí)面廣，涉及到力學(xué)、電磁學(xué)等多門學(xué)科的綜合運(yùn)用；課程實(shí)踐性強(qiáng)，是工科類學(xué)生培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的重要一環(huán)。這給遠(yuǎn)程模式下的教和學(xué)帶來(lái)新挑戰(zhàn)。筆者針對(duì)遠(yuǎn)程模式下工科課程的教與學(xué)，提出幾點(diǎn)解決措施，主要有依托多媒體技術(shù)開發(fā)多種學(xué)習(xí)課件，多角度激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣；用案例為導(dǎo)向?qū)⒗碚撆c實(shí)踐緊密結(jié)合起來(lái)；在工程實(shí)踐中引入仿真技術(shù)，開發(fā)適合本門課程的工程仿真軟件。目前這些舉措實(shí)施后已達(dá)到較好的教學(xué)效果。