物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)傳感器技術(shù)課程的教學(xué)改革

王曉曄溫顯斌肖迎元王法玉

（1.天津理工大學(xué)，天津 300384；2.天津市智能計(jì)算及軟件新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)傳感器技術(shù)課程的教學(xué)改革

王曉曄1，2溫顯斌1，2肖迎元1，2王法玉1，2

（1.天津理工大學(xué)，天津 300384；2.天津市智能計(jì)算及軟件新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程中傳感器技術(shù)難講、難懂的問(wèn)題，提出相應(yīng)的教學(xué)改革方案，分別從課堂教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和考核方式入手進(jìn)行改革。在課堂教學(xué)方面調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)，采用探究式的教學(xué)方式；在實(shí)踐教學(xué)方面實(shí)驗(yàn)形式從仿真到實(shí)作以及開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生循序漸進(jìn)的逐漸掌握自主制作傳感器的知識(shí)和技術(shù)；考核方式較以往更加多元化和人性化。通過(guò)對(duì)兩屆學(xué)生的教學(xué)改革的實(shí)踐結(jié)果分析，學(xué)生的實(shí)踐能力和學(xué)生對(duì)課程的滿意度顯著提高。

物聯(lián)網(wǎng)工程；傳感器技術(shù)；探究式教學(xué)；教學(xué)改革

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)問(wèn)題，自2009年我國(guó)制定“感知中國(guó)”的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)規(guī)劃以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)被列為重點(diǎn)研究領(lǐng)域，教育部也提出物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)以應(yīng)用為引導(dǎo)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系[1]。我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)就是在這樣的應(yīng)用背景下應(yīng)運(yùn)而生。

所謂的物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)[2-5]，將互聯(lián)網(wǎng)的終端延伸到了任何物品，因此對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，感知物品信息的傳感器是最基礎(chǔ)和最核心的技術(shù)環(huán)節(jié)。傳感器技術(shù)課程在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一門最為基礎(chǔ)的專業(yè)課。要求教師針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)制定相應(yīng)的課程教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。傳感器涉及物理學(xué)、電子電路學(xué)、機(jī)械工程、化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)等，因此，傳感器技術(shù)是一門綜合性、實(shí)驗(yàn)性課程[6-8]。雖然傳感器的相關(guān)課程在測(cè)控專業(yè)、機(jī)電一體化和電子信息等專業(yè)也有開(kāi)設(shè)，但是天津理工大學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)掛靠在計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，教學(xué)內(nèi)容較為側(cè)重于信息采集，因此，如果傳感器技術(shù)單純講述傳感器的工作原理，則顯得教學(xué)知識(shí)落后于物聯(lián)網(wǎng)感知層的技術(shù)發(fā)展。所以在簡(jiǎn)述傳感器原理的同時(shí)，加強(qiáng)傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的講解，更加注重傳感器的設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的實(shí)踐和動(dòng)手能力，同時(shí)通過(guò)Proteus軟件繪制傳感器應(yīng)用電路的原理圖，結(jié)合虛擬儀器Labview軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行輸出信號(hào)的顯示和各種性能評(píng)估。在不需要投入大量硬件的條件下，先行使用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，為學(xué)生提供了更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，同時(shí)極大地提高了傳感器的設(shè)計(jì)效率。

二、課堂教學(xué)內(nèi)容改革

傳統(tǒng)的傳感器原理的課程講授，主要是基于敏感元件的檢測(cè)原理進(jìn)行講解，主要涉及聲光電等物理知識(shí)，信息的采集和處理環(huán)節(jié)講解較少。實(shí)驗(yàn)設(shè)備也是大型的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，學(xué)生自由設(shè)計(jì)的靈活性小，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生，學(xué)習(xí)興趣不大，因此在教學(xué)內(nèi)容上需要進(jìn)行改革。

1.教學(xué)內(nèi)容的重新安排

傳感器是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，傳感器技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容也需要同時(shí)調(diào)整和更新。

圖1 傳感器組成

傳感器的組成如圖1所示，主要包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路，其中的敏感元件是直接感受被測(cè)量（溫度、濕度、光照強(qiáng)度、流量等被測(cè)量），并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的物理量（如相對(duì)面積或角度的變化、電子的擴(kuò)散速度等）；轉(zhuǎn)換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量（如電阻、電容、電感、電勢(shì)和振動(dòng)頻率等）；上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。

對(duì)于敏感元件，涉及到物理學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等各門學(xué)科，如果想講解清楚并非易事，而且原理性過(guò)強(qiáng)，會(huì)學(xué)生造成難懂、難學(xué)的困擾。限于課程的學(xué)時(shí)問(wèn)題，一般情況下相關(guān)知識(shí)只要學(xué)生了解其工作原理，重點(diǎn)介紹敏感元件的輸出與輸入的關(guān)系，動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性便可。轉(zhuǎn)換元件主要涉及機(jī)械工程學(xué)、材料學(xué)和電學(xué)，此處主要介紹電路參量和輸入之間的線性或非線性關(guān)系。相較于三個(gè)核心組成部分，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)中傳感器技術(shù)的教學(xué)重點(diǎn)主要集中于轉(zhuǎn)換電路部分，因此需要學(xué)生有很好的模擬和數(shù)字電路基礎(chǔ)，在教學(xué)這一部分內(nèi)容前，可以簡(jiǎn)略回顧一下典型的模擬電路，如放大器的基本特性、加法器、減法器、查分放大電路、比較器、電橋、振蕩器等。

2.教學(xué)內(nèi)容的重新組織

目前傳感器技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容安排分別是按傳感器（敏感元件）類別講解和按被測(cè)量的類型來(lái)進(jìn)行講解。傳統(tǒng)的傳感器種類已有幾十種，并且新功能傳感器還在不斷推出，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，新知識(shí)還要及時(shí)補(bǔ)充到課程里。

按照被測(cè)量的類別來(lái)劃分教學(xué)內(nèi)容更易于拓展學(xué)生的思維。提出一個(gè)被測(cè)物理量后，教師可以提供幾種典型的傳感器，簡(jiǎn)要分析它們的測(cè)量原理，然后引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)不同類別的傳感器來(lái)思考相應(yīng)的測(cè)量方案，分析幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，考察傳感器的工作特性。這樣的教學(xué)內(nèi)容安排更靈活，使學(xué)生明白傳感器提供的是檢測(cè)手段和方法。

3.教學(xué)形式的重新規(guī)劃

傳感器技術(shù)課程涉及知識(shí)面廣，要求學(xué)生動(dòng)手能力強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)形成一定的挑戰(zhàn)。因此擬在教學(xué)形式上進(jìn)行改革，采取探究性的教學(xué)方式，小班化教學(xué)，以小組為單位，以科研項(xiàng)目為目標(biāo)，以學(xué)生為項(xiàng)目研究的主體，教師在小組內(nèi)主要起輔助作用。

探究性學(xué)習(xí)是國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)教育改革的一項(xiàng)重大舉措，但在需要投入大量的人力、物力、財(cái)力，推廣起來(lái)較為困難。但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有全面感知、可靠傳遞、智能處理等特征，可以模擬真實(shí)場(chǎng)景，為探究性學(xué)習(xí)提供有利的技術(shù)支持?？梢砸袁F(xiàn)階段比較成熟的智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為模擬場(chǎng)景，拆解系統(tǒng)中的各個(gè)感知模塊，作為教學(xué)小組的研究目標(biāo)，在課程結(jié)束時(shí)，以可以投入實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的傳感器作為考核重點(diǎn)。這種教學(xué)形式能夠很好的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手實(shí)踐能力。

三、實(shí)踐教學(xué)改革

1.傳感器實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

目前，傳感器教學(xué)儀器的生產(chǎn)廠家很多，而且產(chǎn)品都比較成熟，但他們所設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的傳感器教學(xué)儀器多為傳感器原理性驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要驗(yàn)證傳感器的工作原理和物理效應(yīng)，分析傳感器的動(dòng)靜態(tài)特性。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解的是傳感器的物理原理，比如電阻式壓力傳感器，當(dāng)應(yīng)變片所受壓力變化，電阻值也會(huì)隨之發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路，可測(cè)量輸出電壓，讀出對(duì)應(yīng)的壓力值。所有的應(yīng)變片和轉(zhuǎn)換電路都封裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)里，做完實(shí)驗(yàn)學(xué)生只是記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析靈敏度繪制遲滯曲線等被動(dòng)的工作，無(wú)法對(duì)傳感器有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于當(dāng)前的實(shí)踐教學(xué)，在實(shí)踐課上，教師在講臺(tái)上講解實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)及實(shí)驗(yàn)要求，然后學(xué)生兩至三人一組，按照教師和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的步驟依序做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是什么往往并不清楚。這樣的實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際工程傳感器的具體應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)，學(xué)生無(wú)法掌握溫度傳感器的使用方法和制作過(guò)程，不了解在實(shí)際工程中怎樣利用傳感器進(jìn)行測(cè)量與控制，不適用于目前追求的探究式的教學(xué)方式。

2.傳感器實(shí)踐教學(xué)改革

為了使學(xué)生更好的理解傳感器的工作原理和設(shè)計(jì)過(guò)程，讓學(xué)生更加深刻的認(rèn)識(shí)傳感器在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)中的重要地位，在該課程的教學(xué)過(guò)程中，以構(gòu)建智能家居為例，設(shè)計(jì)相關(guān)的溫濕度、光照、二氧化碳、紅外線、壓力、流量、電流等傳感器，將學(xué)生進(jìn)行分組選擇相關(guān)傳感器的設(shè)計(jì)。

在學(xué)習(xí)之初，由于學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)并不熟悉，為了降低電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤造成的PCB板損壞的經(jīng)濟(jì)損失，我們開(kāi)設(shè)了基于 protues的電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，由于protues可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真，可以將線路上變化的電壓和電流信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，支持通用外設(shè)模型，因此學(xué)生完全可以通過(guò)protues設(shè)計(jì)好相關(guān)轉(zhuǎn)換電路，調(diào)試正確后，一鍵便可進(jìn)入PCB的設(shè)計(jì)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)，大大減少了設(shè)計(jì)時(shí)間、降低了經(jīng)濟(jì)損耗。在教改過(guò)程中設(shè)計(jì)了基于labivew的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，通過(guò)labview即可方便靈活地完成對(duì)被測(cè)試量的動(dòng)靜態(tài)分析、判斷、顯示。當(dāng)設(shè)計(jì)的仿真電路通過(guò)虛擬儀器分析正確后，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的傳感器。通過(guò)模擬工程實(shí)際應(yīng)用背景，讓學(xué)生自己動(dòng)手搭建各種測(cè)量系統(tǒng)，在完成測(cè)量任務(wù)的同時(shí)，學(xué)生也掌握了傳感器的設(shè)計(jì)方法和使用技術(shù)，對(duì)提高學(xué)生專業(yè)技能起了重要作用[9-12]。

在我校的物聯(lián)網(wǎng)工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室老師的共同努力，設(shè)計(jì)了開(kāi)放的Zigbee數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)?zāi)K，該模塊留標(biāo)準(zhǔn)的傳感器接口，學(xué)生按照接口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的傳感器可以直接插在Zigbee模塊上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為后續(xù)的其他課程打下基礎(chǔ)。

四、考核方式改革

由于調(diào)整了課堂教學(xué)方式和實(shí)踐教學(xué)方式，因此在學(xué)生的課程考核方式上也進(jìn)行了改革。由于采用了探究式的教學(xué)方式，更注重學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的知識(shí)獲取，因此擯棄傳統(tǒng)的一卷定成績(jī)的考核方式，課程的最后成績(jī)除了有期末考試以外，還包括平時(shí)的學(xué)習(xí)筆記的考查，作業(yè)完成情況的考查，實(shí)驗(yàn)課的成績(jī)考查，小組最后設(shè)計(jì)完成的傳感器作品成績(jī)有老師和其他小組共同打分，小組內(nèi)部成員協(xié)調(diào)和配合情況由老師和小組成員互相打分，具體組成如圖2所示。雖然這樣的期末考核給授課教師帶來(lái)了較大的工作量，但是，所得成績(jī)更能體現(xiàn)學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)水平，很受學(xué)生的歡迎。

圖2 課程期末成績(jī)組成

五、教學(xué)結(jié)果分析

1.學(xué)習(xí)效果分析

為了驗(yàn)證課程改革的效果，我院在物聯(lián)網(wǎng)工程2012屆和2013屆兩屆學(xué)生的傳感器技術(shù)課程上進(jìn)行了改革，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容如表1所示。對(duì)學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示，由表可知，學(xué)生對(duì)課程改革中的探究性的分組學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排、考核方式都是比較滿意的，但是學(xué)生需要自學(xué)的知識(shí)量偏多，這應(yīng)該和需要學(xué)生自學(xué)Protues和Labview軟件有關(guān)，而且需要學(xué)生自行設(shè)計(jì)傳感器的轉(zhuǎn)換電路，對(duì)學(xué)生的模擬電路和數(shù)字電路的基礎(chǔ)要求較高，因此造成一部分學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。在后期學(xué)生的培養(yǎng)計(jì)劃中，建議增加模擬電路的數(shù)字電路的學(xué)時(shí)數(shù)，并且授課教師應(yīng)該強(qiáng)調(diào)這兩門課在后續(xù)課程中的重要性，因?yàn)樵谖以旱慕虒W(xué)傳統(tǒng)中，學(xué)生普遍對(duì)模擬電路的重視不夠。

表1 調(diào)查問(wèn)卷內(nèi)容

表2 問(wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.考試成績(jī)分析

對(duì)兩屆學(xué)生傳感器原理課程的考試平均成績(jī)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍成績(jī)較高，尤其是設(shè)計(jì)類題目和項(xiàng)目成績(jī)普遍偏高，反映了學(xué)生對(duì)傳感器技術(shù)這門課程有了更高的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的動(dòng)手能力大大提高。后續(xù)課程的授課教師也普遍反映學(xué)生的基礎(chǔ)更加扎實(shí)，知識(shí)面寬了，自學(xué)能力更強(qiáng)。但是計(jì)算題目的成績(jī)偏弱，反映了工科學(xué)生不愿意進(jìn)行理論推導(dǎo)工作，這是需要老師在課堂教學(xué)工作中，需要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)的。

表3 平均成績(jī)統(tǒng)計(jì)

綜合上述的分析，總體而言，教師和學(xué)生對(duì)這門課程的教學(xué)改革比較滿意。

六、結(jié)語(yǔ)

本文分析了傳感器技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)中存在的問(wèn)題，總結(jié)了從課堂教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)和考核方式三方面的改革和教學(xué)心得。在今后的教學(xué)過(guò)程中，要相信學(xué)生的能力，給學(xué)生提供寬松的學(xué)習(xí)氛圍，盡可能營(yíng)造接近工程實(shí)踐的環(huán)境，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用及動(dòng)手能力，調(diào)整課程考核方式，才能提高教學(xué)質(zhì)量。

[1]教育部，高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì).高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范（試行）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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（責(zé)任編輯：張華凡）

Teaching Reform in Sensor Technology Course

WANG Xiaoye1,2,WEN Xianbin1,2,XIAO Yingyuan1,2,WANG Fayu1,2
（1.Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China;2.Tianjin Key Laboratory of Intelligence Computer and Novel Software Technology,Tianjin 300384,China）

In view of the difficulties in teaching sensor technology,a teaching reform was carried out in classroom teaching,practice teaching and evaluation as well.The teaching focus was adjusted and eliciting teaching is now used.Teaching practice includes simulation,implementation and open experimental environment,which can help students,step by step,master the technology of sensor making.The evaluation methods are more diversified and humanized.The results of the teaching reform in the past two years show that the students’practice ability and their satisfaction with the curriculum have both improved significantly.

internet of things;sensor technology;inquiry teaching;teaching reform

G642.0

王曉曄（1972—），女，教授，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。

天津市教委重點(diǎn)項(xiàng)目（C03-0809）；天津理工大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目（YB15-20）。