“雙向五步式”教學(xué)法在“傳感器技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：針對軍校學(xué)員及“傳感器技術(shù)”課程特點，在課程教學(xué)實施中提出“雙向五步式”教學(xué)法，以應(yīng)用為牽引，以傳感器的五個環(huán)節(jié)為載體，培養(yǎng)學(xué)員解決工程問題的能力及獲取新知識的能力，使其具備較好的專業(yè)素養(yǎng)和較強的探索、創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)；雙向五步式；教學(xué)方法；教學(xué)改革

作者簡介：黃旌（1975-），男，廣東揭陽人，空軍第一航空學(xué)院計量技術(shù)教研室，講師；韓梅（1984-），女，河南商丘人，空軍第一航空學(xué)院計量技術(shù)教研室，助教。（河南信陽464000）

中圖分類號：G642#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）16-0056-02

“傳感器技術(shù)”課程是空軍第一航空學(xué)院（以下簡稱“我院”）本科層次測控技術(shù)與儀器專業(yè)的專業(yè)方向階段主要課程。該課程的任務(wù)是向?qū)W生介紹各類傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用電路，使學(xué)生掌握傳感器的信號轉(zhuǎn)換與處理以及傳感器在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，對于學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。

一、教學(xué)對象及課程特點分析

1.學(xué)員特點及教學(xué)要求

我院作為航空機務(wù)院校，學(xué)員相對于地方高校學(xué)生具有以下兩個特點要求。

（1）基礎(chǔ)較弱、主動性不強。學(xué)員通過基層部隊考入軍校，紀律性強，但是文化基礎(chǔ)相對薄弱，習(xí)慣了講授法教學(xué)，學(xué)習(xí)的積極性、主動性普遍不高，相對不關(guān)心自己要學(xué)會什么，掌握怎樣的技能，培養(yǎng)哪些能力，一般為了考試而學(xué)習(xí)。

（2）軍事特色的要求?？紤]到我校學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)以及學(xué)員第一任職的明確性，課程在實施過程中除了培養(yǎng)學(xué)員的專業(yè)能力以外，還應(yīng)具有明確的航空機務(wù)工作針對性。

2.傳感器技術(shù)課程特點

課程知識內(nèi)容的本身也決定了課程實施具有一定的難度，其原因分析如下。

（1）多學(xué)科交叉。各種傳感器的學(xué)習(xí)涉及力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科知識，[1]所需前修課程的基礎(chǔ)知識較多。

（2）教學(xué)內(nèi)容多、難。課程內(nèi)容包括電阻傳感器、電容傳感器、電感傳感器、熱電偶傳感器、壓電傳感器等二十余總傳感器，課程涉及的原理和公式多，教材上理論推導(dǎo)、分析較多，理論性較強，比較枯燥，難以理解，不便組織實施教學(xué)。[2]

（3）內(nèi)容聯(lián)系不緊密。內(nèi)容聯(lián)系不緊密主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面，各種傳感器內(nèi)容之間相對比較孤立，不具有延續(xù)性，因此不利于教員組織銜接，也不利于學(xué)員學(xué)習(xí)理解。另一方面，每一種傳感器學(xué)習(xí)一般按照教材學(xué)習(xí)其“原理”、“結(jié)構(gòu)”及“電路”，了解其“特性”及“應(yīng)用”，但這五部分內(nèi)容之間的聯(lián)系不緊密，相互關(guān)系闡述不夠。如果按照教材內(nèi)容組織實施教學(xué)，整個過程是平鋪直敘的模式，沒有分析傳感器課程的學(xué)習(xí)為什么按照這幾個環(huán)節(jié)進行，這幾個環(huán)節(jié)有什么內(nèi)在聯(lián)系，這樣孤立、枯燥的理論講解不利于理解，也很難引起學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果不理想，更難達到人才培養(yǎng)方案對專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)的要求。

針對以上課程及授課對象的特點和需求，必須梳理教學(xué)各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，找到其內(nèi)在的聯(lián)系及因果關(guān)系，采用合適的教學(xué)方法，將各個環(huán)節(jié)有機地組合開展教學(xué)，以實現(xiàn)既符合軍校學(xué)員特點，又能夠達到培養(yǎng)學(xué)員的專業(yè)能力、對學(xué)員的專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)起支撐作用的目標(biāo)。為此在課程多年的實施中提出“雙向五步式”教學(xué)法，其思路是以應(yīng)用為牽引，以傳感器的五個環(huán)節(jié)為載體，在知識的傳授中培養(yǎng)學(xué)員分析、解決工程實際問題的能力和獲取新知識的能力，使其具備較好的專業(yè)素養(yǎng)和較強的創(chuàng)新精神，促進其人格成長。

二、采用模擬設(shè)計的方法，培養(yǎng)學(xué)員的工程應(yīng)用能力

“授之以魚，不如授之以漁?！闭n程教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)員的工程應(yīng)用能力，在應(yīng)用方面，一個測試問題的解決，主要包括傳感器的選型及檢測單元模塊的設(shè)計兩部分。因此，在教學(xué)過程中，從應(yīng)用引入，以“應(yīng)用→特性→原理→結(jié)構(gòu)→電路”五步為環(huán)節(jié)，采用模擬設(shè)計的方法，通過傳感器的選型及檢測單元模塊的設(shè)計兩部分的實踐，達到培養(yǎng)學(xué)員工程應(yīng)用能力的目的，具體內(nèi)容及步驟包括：

1.結(jié)合“應(yīng)用”，提出檢測問題，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣

每一種傳感器教學(xué)的引入都以具體的檢測實例入手，首先提出檢測問題，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，并使學(xué)員認識到該傳感器的重要性及意義之所在。針對教學(xué)對象特點，首選航空檢測問題，其次為生產(chǎn)、生活中的問題。以某型飛機進氣道調(diào)節(jié)錐的錐位控制為例，提出如何對調(diào)節(jié)錐的位移實時檢測的問題，引入電位器式傳感器教學(xué)。部分檢測問題與傳感器對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

2.根據(jù)檢測問題，分析“特性”要求

在提出需要分析、解決的檢測問題后，第二步就是根據(jù)檢測問題，分析相應(yīng)的檢測需求以及對傳感器的特性要求等。例如，某型飛機調(diào)節(jié)錐的錐位控制需要使用位移傳感器實時檢測位移變化，所用傳感器應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出特性精度高，穩(wěn)定性好等特性；再如，數(shù)控機床對位移精確控制問題的解決，需要使用大量程、高分辨力的位移傳感器等等。

3.學(xué)習(xí)傳感器“原理、結(jié)構(gòu)”，實現(xiàn)傳感器的選型

決定傳感器特性的是傳感器的原理以及依據(jù)原理制作出的傳感器結(jié)構(gòu)，因此在提出檢測特性要求之后就可以引導(dǎo)學(xué)員帶著疑問學(xué)習(xí)傳感器的原理及結(jié)構(gòu)了，從而完成傳感器的選型工作。例如，數(shù)控機床中位移測量提出大量程、高分辨力的特性要求后，將問題進一步細化為：如何利用光柵測量位移→學(xué)習(xí)單光柵測量位移原理；如何解決高分辨力的問題→學(xué)習(xí)莫爾條紋、莫爾條紋細分；如何解決大量程的問題→根據(jù)被測位移和計數(shù)次數(shù)成線性關(guān)系由需要延長光柵尺寸。通過三個問題的解決，完成光柵傳感器原理及結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，同時完成傳感器模擬選型。

4.完善配套“電路”，完成檢測單元模塊的設(shè)計

選型完畢，再配合相應(yīng)的特征調(diào)理、處理電路，即虛擬完成檢測單元模塊的設(shè)計，實現(xiàn)檢測功能，從而解決最初提出的應(yīng)用問題。

以上過程為“雙向五步式”教學(xué)法中的反向，以工程應(yīng)用實例引入，把傳感器“應(yīng)用→特性→原理→結(jié)構(gòu)→電路”五個步驟有機的聯(lián)系在了一起，并在問題分析過程始終貫穿解決測試問題的選型、檢測功能實現(xiàn)的思路，從而達到了培養(yǎng)學(xué)員的工程應(yīng)用能力的目的。

三、以知識為載體，以教學(xué)實施為過程，培養(yǎng)學(xué)員的探索精神及學(xué)習(xí)能力

愛因斯坦說過：教育的成功與否，在于學(xué)生將課本知識遺忘之后，還留下什么素質(zhì)。課程教學(xué)的目的首先是傳授知識，其次更具有意義的是在此基礎(chǔ)上以知識為載體，以教學(xué)實施為過程，培養(yǎng)學(xué)員的思維方式及學(xué)習(xí)能力。

傳感器學(xué)科知識的認知規(guī)律及過程。原理：首先發(fā)現(xiàn)某種現(xiàn)象，對現(xiàn)象研究分析總結(jié)其規(guī)律，探索得到其原理；結(jié)構(gòu)：是由原理根據(jù)各種需求，使用各種工藝做成相應(yīng)的傳感器器件、結(jié)構(gòu)；特性：傳感器的原理及結(jié)構(gòu)共同決定了傳感器的特性；電路：在此基礎(chǔ)上配合后續(xù)電路實現(xiàn)測試功能；應(yīng)用：傳感器的特性決定了傳感器的應(yīng)用范圍。

例如，對于電阻應(yīng)變片式傳感器的學(xué)習(xí)中，這五步劃分及闡述如下。

原理：1856年英國工程師W.Thomson在鋪設(shè)海底電纜時發(fā)現(xiàn)電纜的電阻值隨海水的深度不同而不同，并在此基礎(chǔ)上通過對銅絲和鐵絲拉伸試驗后總結(jié)出了三條結(jié)論，歸納為電阻應(yīng)變效應(yīng)；結(jié)構(gòu)：根據(jù)工程中需求，需要測量某一點的應(yīng)變，因此測量用金屬絲不能過長，且較細，需將金屬絲繞制成柵狀，并輔以基片和保護層構(gòu)成應(yīng)變片；特性：電阻應(yīng)變效應(yīng)決定了應(yīng)變片簡單、經(jīng)濟、可靠、測量范圍寬等特性，同時正是應(yīng)變片的敏感柵結(jié)構(gòu)具有橫向彎頭部分，使整個應(yīng)變片在承載時既受縱向應(yīng)變又受橫向應(yīng)變影響，從而產(chǎn)生不利的橫向效應(yīng)；電路：配合交直流電橋?qū)崿F(xiàn)溫度補償，并將應(yīng)變片輸出的小電壓調(diào)理放大到宏觀可用；應(yīng)用：應(yīng)變片的特性決定了它在工程中各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，除了測量力以外，還廣泛應(yīng)用于壓力、扭矩、位移、加速度等各種量的測量。

這五步的劃分及實施，清晰地闡明了傳感器的幾個環(huán)節(jié)之間的內(nèi)在聯(lián)系，并且這五步蘊含了前人發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的思路。因此，在五步實施過程中的每一步中應(yīng)通過剖析、揭示前人的探索過程，培養(yǎng)學(xué)員的這種解決問題的能力、創(chuàng)新精神和探索精神。例如，在原理的學(xué)習(xí)中，更應(yīng)引領(lǐng)學(xué)員分析前人探究的精神及過程，W.Thomson在工作中發(fā)現(xiàn)電纜的電阻值的異常變化，但他并未滿足于干好本職工作，止步不前，而是進一步對鐵絲、銅絲做拉伸試驗，分析其內(nèi)因，并將現(xiàn)象歸納總結(jié)，提升到效應(yīng)的高度。在制作應(yīng)變片時，最初是將一根金屬絲繞制成絲式應(yīng)變片，它具有較明顯的橫向效應(yīng)，會產(chǎn)生較大的測量誤差；隨后對誤差成因分析改進，將其橫向彎頭改為較粗的短接點，減小了橫向效應(yīng)；最后又利用光刻、腐蝕等工藝制作箔式應(yīng)變片，在箔式應(yīng)變片的橫向連接處進一步加大了面積，由此基本上消除了橫向效應(yīng)產(chǎn)生的誤差，三種應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)分別如圖1中（a）、（b）、（c）所示。在應(yīng)用部分，溫度誤差的兩種原因及三種補償法的不斷改進等等。以上各步的實施中都蘊含這種“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、再發(fā)現(xiàn)問題……”不斷進取、循序進步的思想內(nèi)涵。

以上五個步驟為“雙向五步式”教學(xué)法中的正向，通過正向的“原理→結(jié)構(gòu)→特性→電路→應(yīng)用”五步的學(xué)習(xí)，潛移默化地培養(yǎng)了學(xué)員發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，初步概括能力、自學(xué)能力及探究精神。

四、結(jié)束語

“教育是幫助被教育的人，給他們能發(fā)展自己的能力，完成他的人格?！薄半p向五步式教學(xué)法”的教學(xué)改革實踐，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性、積極性，并在教學(xué)實施中較好地實現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)員的工程應(yīng)用能力與學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新精神和探索精神的目的。

幾年來，“雙向五步式”教學(xué)法的教學(xué)改革實施取得了良好的教學(xué)效果：從學(xué)員方面來看，學(xué)員每年的評教、評學(xué)滿意度逐漸提高；學(xué)員參與科技創(chuàng)新、畢業(yè)設(shè)計完成情況逐年進步提高。從教員方面來看，教員的教學(xué)水平不斷提高，幾年來在學(xué)院教學(xué)督導(dǎo)組聽課中多次獲通報表揚；在學(xué)院每年授課質(zhì)量的評定中授課質(zhì)量均為優(yōu)良；多次有教員參加系教法競賽并選送到學(xué)院參加教法競賽，2011年“光柵傳感器”一課獲學(xué)院教法競賽一等獎。

參考文獻：

[1]黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用(第二版)[M].西安:電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]姜利英，張法全，梁威.“傳感器原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革與實踐[J].中國電力教育，2009(1).

（責(zé)任編輯：宋秀麗）