摘要:在“傳感器與檢測技術”教學過程中,教師以應用為導向開展“建模式”教學,引導學生在學科學習過程中應用“溫故知新”學習方法,同時,對學生進行傳感器檢測系統(tǒng)開發(fā)思維培養(yǎng)。該教學模式以應用為導向把各個知識點關聯(lián);以培養(yǎng)工程師高度出發(fā),給學生貫徹研發(fā)設計理念;以系統(tǒng)研發(fā)設計為目標,注重培養(yǎng)學生模塊到系統(tǒng)思維。
關鍵詞:“建模式”教學;溫故知新;熱電式傳感器
作者簡介:盧森幸(1977-),男,壯族,廣西宜州人,河池學院物理與機電工程學院,講師,桂林電子科技大學電子工程與自動化學院碩士研究生。(廣西#8194;宜州#8194;546300)
中圖分類號:G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼:A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號:1007-0079(2014)14-0136-02
21世紀是信息化時代,傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件,它既是現(xiàn)代信息技術系統(tǒng)的“感官”,又是信息社會賴以存在和發(fā)展的物質與技術基礎。[1]因此,培養(yǎng)具有傳感器技術的學生將會是培養(yǎng)應用型人才的有效途徑。
一、“傳感器與檢測技術”教學現(xiàn)狀
1.學科知識多元化,學生方向難定
“傳感器與檢測技術”是一門交叉學科,知識多元化,并且實踐性強,相關知識更新快。多元化使得學生摸不到頭緒,不知道從何下手;由于時間、實踐設備、精力等因素限制,實踐無法做到面面兼顧;面對學科知識更新無法迎頭趕上。這樣,學生往往“在努力中失敗”,學習倍感壓抑,學習興趣自然會逐漸被磨滅。
2.教材編寫知識點分立化,關聯(lián)性差
在教材編寫上,為了能夠明確闡析,節(jié)省版面,教材編寫一般分為傳感器原理、結構、性能(參數(shù))、測量電路、補償電路和應用模塊,但分模塊單獨列舉和說明,它們的關聯(lián)性沒有很好地得到針對性說明。學生在學習過程中,由于知識面不夠,大局觀受到限制,自然把這些知識都分立開來,導致感覺所學的知識雜,難以掌握。
3.傳統(tǒng)教學模式缺乏綜合性和和實踐性
在傳統(tǒng)的教學模式中,教師往往依照教材內容、應用教材課件完成教授任務,享受教材知識分立說明便捷,忽略教材知識模塊之間的關聯(lián)性的重組。同時,教師過于注重獨立知識點的解釋、公式的推導、原理的分析等內容,缺乏對傳感器技術的分析和應用具體問題的教授,無法很好涉及綜合應用,更多采用口號式說明“綜合性和實踐性強”。
二、以應用為導向開展“建模式“教學模式
“建模式”教學模式以應用為導向,把各個知識點關聯(lián);以培養(yǎng)工程師高度出發(fā),給學生貫徹研發(fā)設計理念;以系統(tǒng)研發(fā)設計為目標,注重培養(yǎng)學生模塊到系統(tǒng)思維。
1.“建模式”是“溫故知新”學習模式
“傳感器與檢測技術”幾乎涉及現(xiàn)代文明的所有學科,并且傳感器又有自己的工作原理和性能特性。學生如果什么都當成新知識,那么腦子的“內存空間”就會不夠用了,學習就會走上迷途,當然難以產(chǎn)生學習興趣?!敖J健笔恰皽毓手隆苯虒W模式,教學過程中要鼓勵學生自信已學知識夠用,樹立學習信心。具體做法是:在教學過程中,給學生灌輸“吃老本”的思想,即應用已學的知識、技能去“感知”待測量的學習過程。其實,所涉及的學科學生大部分已經(jīng)學習,但學生迷茫的是:不懂得如何去應用,特別是綜合應用。在教學過程中,教師實施“建模式”教學,幫助學生弄清楚學習方法、線索,引導學生進行檢測系統(tǒng)“入門學習”,指導學生應用已學知識去解析新知識,找到各個知識點之間聯(lián)系;以應用為導向和開發(fā)思維式進行教學。這樣,學生綜合能力、實踐能力自然得到提高,學習興趣當然濃厚。
2.“建模式”教學模式的建立與實施方法
“建模式”模型建立過程有4個步驟,即原始模型(建立)、模型分析、模型假設和模型應用,如圖1所示。該教學模式把學科內容中傳感器原理、結構、性能(參數(shù))、測量電路、補償電路和應用有機結合起來。
“建模式”模型各個步驟的具體內容如表1所示,在實施過程中,按照各個步驟內容進行,注意各個步驟具有獨立性,同時,注重關聯(lián)性引導教學。
表1#8194;“建模式”模型各個步驟的具體內容[2]
步驟具體內容
原始建模系統(tǒng)設計需要有核心理論來支撐的。傳感器檢測系統(tǒng)是物理、化學、生物效應的應用,這些就是檢測系統(tǒng)的支撐理論。根據(jù)待測量特點、系統(tǒng)結構和性能要求、系統(tǒng)設計目標進行某個效應、公式或理論選用過程,也就是原始模型建立過程
模型分析根據(jù)待測量特點、系統(tǒng)結構和性能要求、設計目標進行模型分析。本科階段,傳感器檢測系統(tǒng)一般為線性系統(tǒng),以應用為導向進行分析,創(chuàng)建線性傳感器檢測系統(tǒng);建立過程中得出傳感器檢測系統(tǒng)的結構
模型假設為了達到待測量特點,結合系統(tǒng)結構、系統(tǒng)性能要求和系統(tǒng)設計目標而構建的線性傳感器檢測系統(tǒng)必須做出諸多假設,從中將引出傳感器檢測系統(tǒng)的性能參數(shù)。同時,檢測系統(tǒng)產(chǎn)生諸多誤差,因此,在進行檢測系統(tǒng)分析、設計的時候,需要構建相應的補償電路
模型應用傳感器檢測系統(tǒng)將待測量轉化為已知量輸出,構建相應的測量電路,應用電路,形成待測量檢測系統(tǒng)
在“建模式”教學的過程中,課堂課后都注重發(fā)揮學生的主導作用。具體操作方式是:利用課堂教學平臺、網(wǎng)絡教學平臺、第二課堂平臺,對學生進行分組,并分配任務:收集補償電路、設計補償電路;收集并講解經(jīng)典電路、設計功能電路;收集并講解檢測系統(tǒng)電路、設計檢測系統(tǒng)。
整個施行過程,以小組為單位,針對“建模式”教學模型各個模塊開展教學:學習他人設計模仿他人設計自行設計;最小模塊設計模塊關聯(lián)設計檢測系統(tǒng)設計。
這些教學最大的特點是,由于網(wǎng)絡和第二課堂平臺應用,使得這些教學不用拘泥傳統(tǒng)教學中的時間、空間、人等因素。
3.“建模式”教學模式實施實例
現(xiàn)以熱電式傳感器為例簡單講解“建模式”的教學模式實施。篇章限制,授課內容點到為止,重點講解課程知識點的引導、授課方式/手段和相關學科知識在授課過程中的引入、關聯(lián)、應用。
(1)原始模型。熱電式傳感器終極設計目標是制成熱電式傳感器檢測系統(tǒng),用來檢測測量量是溫度。它支撐理論是熱電效應,這是物理學知識應用。教學時,用動畫、實驗演示熱電效應。在進行操作的時候,強調兩電極材料不同,兩接觸點溫度不同;應用高等數(shù)學知識解析理論中的接觸電勢和溫差電勢。其中的具體內容就是熱電式傳感器工作原理,即原始模型。通過直觀操作可以加深學生對原理理論理解,讓學生相信實踐可行性。學生能夠應用所學物理知識去完成溫度測量,這是一個巨大的成就感,學習興趣自然濃厚。
(2)模型分析。線性系統(tǒng)要求:被測量溫度變化轉化為電動勢變化。而熱電動勢公式參量中,有玻爾茲曼常數(shù)、電子電荷量、材料自由電子密度、湯姆遜系數(shù)、兩觸點溫度。這就涉及兩個問題:一是在構建線性系統(tǒng)時,如何弱化無關參量從而實現(xiàn)系統(tǒng)線性化。二是如何進行系統(tǒng)結構設計?針對問題,應用高等數(shù)學理論進行分析,引出溫度檢測系統(tǒng)結構并建構。在建立結構的過程中,選取材料要注重幾何形狀、工藝、環(huán)境因素等影響。同時,材料涉及很多參數(shù),其實是材料物性、電氣特性應用,引導學生具體應用,使學生懂得材料選擇相關因素,從而更為直觀理解電氣知識應用、電氣知識與材料乃至系統(tǒng)結構構建的協(xié)調關系。這是在一般教學中無法做到的。講解完該線性化例子后,以組為單位,完成電阻公式的線性化。在學院網(wǎng)絡教學平臺進行,各組討論完成。
(3)模型假設。為了做成線性系統(tǒng)、達到溫度檢測系統(tǒng)設計要求,構建模型的時候,需要做出諸多假設。這樣,就會引入一定誤差。然而,學生出于多種原因,對于誤差補償存在以下局限性:1)不補償。設計時找一個電路,調試出結果是運氣,調試不出就放棄。2)補償手段單一。學生見識面少,導致補償手段單一。3)補償不周全。學生缺乏大局觀,補償不周全。
要想對構建系統(tǒng)時的假設引起的誤差進行補償,首先,需要從構建結構所用的材料出發(fā)。構建結構所用的材料有許多性能參數(shù),參數(shù)涉及物理特性、電氣特性。授課時點到相關知識點應用,只要知識點聯(lián)系上,學生自然能夠“頓悟”。其次,引導學生從結構設計上進行補償,如:熱傳導處理、隔熱處理、觸點焊接處理。授課過程中重點講解冷端補償:延長導線法;0℃恒溫法;熱電勢修正法;溫度修正法;冷端溫度自動補償法。其中,延長導線法、0℃恒溫法都是結構設計上補償;操作時,熱電偶冷端遠離測量場,溫差明顯;在講解過程中,強調引入第三方導體及其影響處理,即物理特性——中間導體定律應用,引導學生如何完成理論到結構設計具體實施。熱電勢修正法、溫度修正法從理論公式上的補償,其實就是電氣公式的數(shù)學處理,電子技術知識和高等數(shù)學應用。冷端溫度自動補償法是電子法,即電子技術知識應用,講解時,指出中間溫度到0度間產(chǎn)生一電動勢,這使得輸出初始時不為0,而檢測系統(tǒng)需要初始輸出為0;利用電子法產(chǎn)生一電動勢,大小相等,方向相反即可。最后,對輸出熱電勢及其誤差分析并補償:輸出熱電動勢微小,注意負載的影響,這其實是電子技術知識應用;從結構設計、物理特性、電氣特性等方面進行分析,即材料學、物理學、電氣知識的應用;研究系統(tǒng)的動態(tài)響應,做到系統(tǒng)補償,即自動控制原理知識應用。
為了鞏固學習,布置任務:分析某一溫度補償電路圖;以組為單位,收集或設計一溫度補償電路。任務在第二課堂或學院網(wǎng)絡教學平臺上進行且討論完成,課堂抽查,講解討論。
(4)模型應用。講授經(jīng)典電路,從溫度檢測系統(tǒng)組成、構造、調理等方面入手,培養(yǎng)學生系統(tǒng)設計思維。檢測系統(tǒng)各組成模塊電路——學生大多已經(jīng)學習、接觸、應用。但是,學生少用,綜合應用更少,應引導學生收集、理解、應用、設計各個模塊電路——即電子技術知識積累、應用。同時,引導學生收集經(jīng)典電路、構建虛擬檢測系統(tǒng)和實物檢測系統(tǒng)。教學過程中,課堂引導、利用學院網(wǎng)絡平臺、第二課堂開展以學生為主的檢測系統(tǒng)討論、設計,培養(yǎng)學生檢測系統(tǒng)設計思維,提高學生實踐能力。
4.實施“建模式”教學顯著效果
在施行以應用為導向“建模式”教學的過程中,課堂、課后都注重發(fā)揮學生的主導作用,發(fā)揮課堂平臺、網(wǎng)絡教學平臺和第二課堂作用,讓學生有時間、有空間、有動力進行學習,具體效果如下:第一,通過多組收集同一功能不同設計電路,這可以成為學生課程設計、畢業(yè)設計乃至成為工程師的電路素材。第二,通過多組講解同一功能不同設計電路,讓學生主動理解更多功能電路,電路知識認知、應用得到飛速提高。第三,通過設計功能電路、檢測系統(tǒng),可以提升學生電路、檢測系統(tǒng)設計能力。第四,“建模式”教學以應用為導向,把各個知識點關聯(lián);以培養(yǎng)工程師高度出發(fā),給學生貫徹研發(fā)設計理念;以系統(tǒng)研發(fā)設計為目標,培養(yǎng)學生模塊到系統(tǒng)思維。
三、結束語
近年來教學實踐證實,在“傳感器與檢測技術”教學過程中,以應用為導向開展“建模式”教學,學生對傳感器與檢測技術知識能夠找到學習規(guī)律,并且能夠系統(tǒng)掌握相關知識;對傳感器檢測系統(tǒng)認知、構建、設計都能夠比較從容進行;綜合能力、系統(tǒng)意識和設計思維得到明顯提高。
參考文獻:
[1]何道清,張禾, 湛海云,等.傳感器與傳感器技術[M].科學出版社,2008:1-2.
[2]盧森幸,鄒清平.“傳感器原理與檢測技術”教學改革探索[J].中國電力教育,2013,(1):108-109.
(責任編輯:王意琴)