機(jī)電工程專業(yè)傳感器課程的教學(xué)探索與研究

張國(guó)慶 劉保軍

【摘要】交叉學(xué)科是目前科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，其中機(jī)電工程作為一個(gè)典型的交叉學(xué)科，在其專業(yè)教學(xué)中越來(lái)越多的課程呈現(xiàn)出學(xué)科交叉性。為了適應(yīng)交叉學(xué)科發(fā)展方向，滿足社會(huì)對(duì)交叉學(xué)科技能人才的需求，本文以傳感器原理及應(yīng)用課程作為交叉學(xué)科課程教學(xué)研究對(duì)象，分析其課程結(jié)構(gòu)的合理性，提出符合交叉學(xué)科課程特點(diǎn)的課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)置，并針對(duì)當(dāng)前教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了更加完善和有效的教學(xué)訓(xùn)練機(jī)制以及評(píng)價(jià)機(jī)制。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電交叉學(xué)科課程教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）06-0219-02

當(dāng)今世界科學(xué)前沿的重大突破、重大原創(chuàng)性科研成果的產(chǎn)生，大多是多學(xué)科交叉融合的結(jié)果。因此，多學(xué)科交叉融合促進(jìn)了優(yōu)勢(shì)學(xué)科的發(fā)展，新興學(xué)科的產(chǎn)生，以及重大創(chuàng)新的推出，同時(shí)也對(duì)擁有交叉學(xué)科知識(shí)技能人才的培養(yǎng)提出了新的要求。機(jī)電工程作為一個(gè)典型的交叉學(xué)科，在其專業(yè)教學(xué)中越來(lái)越多的課程呈現(xiàn)出學(xué)科交叉性，本文以傳感器原理及應(yīng)用這門課程為主要試點(diǎn)研究對(duì)象，對(duì)該門課程在專業(yè)教學(xué)中的現(xiàn)狀進(jìn)行研究，分析其課程結(jié)構(gòu)的合理性，提出符合交叉學(xué)科課程特點(diǎn)的課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)置，并針對(duì)當(dāng)前教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，提出更加完善和有效的教學(xué)訓(xùn)練機(jī)制以及評(píng)價(jià)機(jī)制，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用復(fù)合技能型人才的目標(biāo)。

一、交叉學(xué)科研究的現(xiàn)狀

當(dāng)前科學(xué)研究各學(xué)科的發(fā)展不再僅限于本學(xué)科的深度和細(xì)化，而是在學(xué)科的廣度上不斷進(jìn)行拓展，打破學(xué)科界限，這些新興學(xué)科加強(qiáng)了學(xué)科間的聯(lián)系，消除了學(xué)科間的孤立和脫節(jié)現(xiàn)象，形成了一個(gè)完整的、系統(tǒng)的現(xiàn)代科學(xué)體系，而應(yīng)用這些新興學(xué)科研究成果的產(chǎn)品的大規(guī)模出現(xiàn)，也形成了對(duì)掌握交叉學(xué)科知識(shí)和技能人才的迫切需求。因此不論從科學(xué)研究的層面還是從人才培養(yǎng)的層面，對(duì)交叉學(xué)科教學(xué)的研究是提高大學(xué)學(xué)術(shù)和教學(xué)水平的重點(diǎn)之一，也是大學(xué)發(fā)展的主要支撐點(diǎn)和主題[1][2][3]。

由于交叉學(xué)科具有融合多學(xué)科知識(shí)的特點(diǎn)，近年來(lái)，在解決重大科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)問(wèn)題中發(fā)揮著巨大作用。因此，為滿足國(guó)家和社會(huì)對(duì)高層次交叉學(xué)科人才的需求，目前國(guó)內(nèi)外諸多大學(xué)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)展交叉學(xué)科的探索和研究。但都僅限于研究型大學(xué)和研究型人才的培養(yǎng)，對(duì)于本科階段教育的探索與研究較少。而本科教育是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的首要階段，同時(shí)也是向社會(huì)輸送技能型人才的主要來(lái)源，因此對(duì)本科交叉學(xué)科課程教學(xué)進(jìn)行探索和研究是具有積極意義的。

二、傳感器課程的特點(diǎn)

機(jī)電工程作為一個(gè)典型的交叉學(xué)科，在其專業(yè)教學(xué)中越來(lái)越多的課程呈現(xiàn)出學(xué)科交叉性。相比其他一些專業(yè)基礎(chǔ)課程，其在課程內(nèi)容和課程實(shí)踐等方面具有自身的特點(diǎn)。以《傳感器原理及應(yīng)用》課程為例，它是講述傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的實(shí)用科學(xué)，在現(xiàn)代檢測(cè)與控制系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用。該課程主要介紹常用傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)、特性和應(yīng)用以及相關(guān)的信息處理技術(shù)，是一門內(nèi)容繁雜的交叉學(xué)科，知識(shí)密集性強(qiáng)，內(nèi)容離散性大，應(yīng)用性較強(qiáng)。[4]

1.課程知識(shí)面廣

傳感器課程是一門知識(shí)密集高度綜合的應(yīng)用技術(shù)課程，融合了電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、磁學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門學(xué)科的知識(shí)，也是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。其教學(xué)的內(nèi)容隨著信息技術(shù)的發(fā)展也不斷更新和豐富。傳感器課程的內(nèi)容主要包括傳感器原理和檢測(cè)技術(shù)兩部分，其中傳感器的基本原理涉及到電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域的內(nèi)容，而檢測(cè)技術(shù)部分涉及到模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)與分析的知識(shí)。因此在教學(xué)過(guò)程中需要對(duì)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，并以此優(yōu)化調(diào)整教學(xué)結(jié)構(gòu)，做好先導(dǎo)知識(shí)的教學(xué)，和課程教學(xué)的引導(dǎo)。

2.課程的實(shí)踐性強(qiáng)

傳感器課程中的檢測(cè)技術(shù)主要集中在傳感器檢測(cè)電路的原理分析與設(shè)計(jì)，即傳感器各種電信號(hào)的轉(zhuǎn)換與處理方法，這部分內(nèi)容涉及電路電子等課程知識(shí)，也是操作性較強(qiáng)的部分。包括電路的設(shè)計(jì)和信號(hào)的分析與處理等。這部分的內(nèi)容教學(xué)需要采用更直觀、互動(dòng)性更好的方式進(jìn)行，以此加深學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析能力和問(wèn)題處理的能力。

3.課程內(nèi)容的持續(xù)拓展

傳感器檢測(cè)技術(shù)與機(jī)械、電子、光學(xué)以及信息技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，這些技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)著傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)拓展并豐富著傳感器檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容。如單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，催生出了傳感器數(shù)字接口技術(shù)的發(fā)展，而物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，催生出了傳感器無(wú)線組網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展等等。伴隨這些技術(shù)的發(fā)展，傳感器檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容也在不斷拓展，因此結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展背景，改進(jìn)和豐富傳感器課程教學(xué)內(nèi)容，是該門課程教學(xué)改革的重點(diǎn)之一。

三、傳感器課程教學(xué)方法的研究

如圖1所示，以培養(yǎng)應(yīng)用復(fù)合型人才為教學(xué)目標(biāo)，選取《傳感器原理及應(yīng)用》課程為對(duì)象，從教學(xué)課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法和教學(xué)管理等三個(gè)方面進(jìn)行交叉學(xué)科課程教學(xué)的分析與研究。

圖1 交叉課程教學(xué)研究框架圖

1.教學(xué)內(nèi)容研究

傳感器課程是一門知識(shí)密集高度綜合的應(yīng)用技術(shù)課程，融合了電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、磁學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門學(xué)科的知識(shí)，也是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。其教學(xué)的內(nèi)容隨著信息技術(shù)的發(fā)展也不斷更新和豐富。在課程結(jié)構(gòu)上，必須著重分析該門課程的前后銜接關(guān)系，尤其是先導(dǎo)課程的設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容設(shè)定。傳感器課程的內(nèi)容主要包括傳感器原理和檢測(cè)技術(shù)兩部分，傳統(tǒng)教材中對(duì)傳感器原理部分內(nèi)容比較注重，但對(duì)檢測(cè)技術(shù)部分介紹較少，但考慮到目前社會(huì)的用人需求大部分集中與測(cè)控系統(tǒng)的組建和管理方面，因此對(duì)傳感器檢測(cè)技術(shù)的熟悉和掌握也變得很重要。所以在教學(xué)內(nèi)容上需要對(duì)檢測(cè)技術(shù)相關(guān)內(nèi)容投入更多關(guān)注，同時(shí)注重與實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)相聯(lián)系，拓展學(xué)生的思維，激發(fā)其創(chuàng)新意識(shí)[5]。

2.理論教學(xué)方法改進(jìn)

傳統(tǒng)的傳感器課程教學(xué)主要以課堂理論教學(xué)為主，介紹傳感器的工作原理，對(duì)其應(yīng)用設(shè)計(jì)的介紹偏少，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)完課程后，與實(shí)踐銜接不夠，學(xué)習(xí)效果并不理想。同時(shí)配套的實(shí)驗(yàn)多以簡(jiǎn)單的電路搭接和測(cè)量為主，其中重要的檢測(cè)電路都是現(xiàn)成固定的，學(xué)生的參與度不夠，通常只是機(jī)械地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)拼接電路完成實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果并不理想。

針對(duì)高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求，同時(shí)保證培養(yǎng)人才的可持續(xù)發(fā)展的潛在要求，傳感器課程在理論教學(xué)中要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，將基礎(chǔ)理論與實(shí)際相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高他們的學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)在實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)互動(dòng)性、靈活性更強(qiáng)的平臺(tái)以及輔助教學(xué)軟件，增強(qiáng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的能動(dòng)性和創(chuàng)造性，提升他們的參與感，以獲得更好的學(xué)習(xí)效果。

3.實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新

傳感器課程作為一門交叉學(xué)科課程，涉及到的各種學(xué)科專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，但目前傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要以實(shí)驗(yàn)檢測(cè)電路的搭建和信號(hào)的檢測(cè)為主[6]。這種方式存在兩個(gè)弊端，一是實(shí)驗(yàn)過(guò)程靈活性不夠，學(xué)生只是機(jī)械照搬實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說(shuō)明進(jìn)行操作，主觀能動(dòng)性不強(qiáng)，加上學(xué)生的惰性，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并沒(méi)有深刻理解，實(shí)驗(yàn)效果不好；二是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)以電路實(shí)驗(yàn)箱為主，實(shí)驗(yàn)箱在學(xué)生的高頻使用或錯(cuò)誤使用情況下，損壞率較高，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備的完好率下降，學(xué)生實(shí)際可操作的設(shè)備有限，實(shí)驗(yàn)秩序和實(shí)驗(yàn)效果都難以保證。因此可以采用一種新型的結(jié)合虛擬仿真技術(shù)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和配套的相應(yīng)軟件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，構(gòu)件一個(gè)基于教學(xué)適用性和強(qiáng)化工程實(shí)踐性的一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[7]。

傳感器教學(xué)中主要設(shè)計(jì)敏感單元、傳感單元和信號(hào)處理電路三個(gè)部分。由于當(dāng)前電子技術(shù)向集成化、微型化方向發(fā)展，大多數(shù)的傳感器產(chǎn)品都對(duì)上述三個(gè)部分進(jìn)行了封裝，所以單從外觀上，并不能對(duì)傳感器的組成有清晰的認(rèn)識(shí)，更不用說(shuō)對(duì)這三個(gè)部分的工作原理有深刻的認(rèn)識(shí)。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的迅速發(fā)展，傳感器的主要構(gòu)成部件都可以采用CAD軟件經(jīng)行設(shè)計(jì)和仿真。例如敏感單元部分，可采用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與繪制，完成傳感器件的裝配。針對(duì)信號(hào)處理電路，可采用MultiSim或Proteus軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將常用電路進(jìn)行模塊化，供學(xué)生自己設(shè)計(jì)搭接，同時(shí)利用這些軟件的仿真功能，實(shí)時(shí)觀察信號(hào)的轉(zhuǎn)換情況。

為了適應(yīng)交叉學(xué)科發(fā)展的歷史趨勢(shì)，滿足社會(huì)對(duì)多學(xué)科技能人才的需求，本文對(duì)高等學(xué)校機(jī)電工程交叉學(xué)科本科課程教學(xué)進(jìn)行探索和研究，包括交叉學(xué)科專業(yè)的構(gòu)建、課程教學(xué)的研究、學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的完善等方面，提出相應(yīng)的專業(yè)構(gòu)建方案和思路，研發(fā)具體課程的配套教學(xué)方案和軟件，對(duì)于促進(jìn)高校構(gòu)建新的教育體系，培養(yǎng)更高層次和符合社會(huì)需求的人才等具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：

張國(guó)慶，1977.10出生，男，四川營(yíng)山，博士講師，主要從事機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)測(cè)控和智能儀器儀表研究。

劉保軍，1968.10出生，男，河南信陽(yáng)，工程師，主要從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。