傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程教學(xué)及考核方式改革

胡偉偉

（南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院 江蘇·南京 210023）

0 引言

“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程是我校弱電控制類專業(yè)的專業(yè)必修課，目前教學(xué)方式較為傳統(tǒng)，注重學(xué)生對(duì)傳感器原理、技術(shù)指標(biāo)、測(cè)量電路、誤差及補(bǔ)償?shù)纫c(diǎn)在理論上的學(xué)習(xí)及分析，考核也以閉卷考試為主，教學(xué)及考核方式無法滿足工科人才培養(yǎng)的要求，因此對(duì)本門課程的教學(xué)及考核方式的改革十分必要。[1]

目前本門課程的設(shè)置參照已在我校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)多年的“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程，共32學(xué)時(shí)，理論24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)8學(xué)時(shí)。采用的教材為賈伯，年俞樸，宋愛國(guó)主編，東南大學(xué)出版社出版的《傳感器技術(shù)（第三版）》。[2]

作為授課教師，筆者設(shè)計(jì)、開發(fā)及使用各類傳感器及研究相關(guān)檢測(cè)技術(shù)已有十年以上經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Windows平臺(tái)和嵌入式平臺(tái)上使用多傳感器實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量和智能控制有深入的研究，見證了智能傳感技術(shù)不斷走向成熟強(qiáng)大的過程。結(jié)合多年來使用各類傳感及相關(guān)檢測(cè)技術(shù)完成工程項(xiàng)目的體會(huì)和當(dāng)前工程教育改革背景下對(duì)本科生工程素質(zhì)培養(yǎng)的要求，充分認(rèn)識(shí)到依托傳感器技術(shù)，對(duì)于提升現(xiàn)代工程教育的重要性。

1 目前存在的問題

作為面向工科學(xué)生的專業(yè)必修課程，課程設(shè)置的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該在于培養(yǎng)工科學(xué)生的工程應(yīng)用能力以及解決實(shí)際問題的動(dòng)手操作能力，而在本門課的授課過程中，筆者發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題：

（1）當(dāng)前的教學(xué)以課堂理論授課為主，主要針對(duì)傳感器工作原理、分類及基本結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路、誤差補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行教學(xué)，而實(shí)踐、設(shè)計(jì)及應(yīng)用環(huán)節(jié)偏少，學(xué)生們往往提不起學(xué)習(xí)興趣；

（2）部分學(xué)生的電學(xué)及信號(hào)處理等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢，造成在理論課的教授過程中，某些問題授課教師覺得學(xué)生“應(yīng)該懂”，但是學(xué)生們卻“很茫然”的情況，即學(xué)教脫節(jié)；

（3）考核以閉卷考試成績(jī)?yōu)橹?，造成許多學(xué)生考前通過強(qiáng)化記憶，對(duì)各知識(shí)點(diǎn)死記硬背，不能真正理解和掌握各傳感器的相關(guān)知識(shí)，致使考完就忘，用而不會(huì)等問題。

2 改革的具體措施

2.1 課堂教學(xué)方面

2.1.1 課堂教學(xué)學(xué)教脫節(jié)的處理

傳感器及檢測(cè)技術(shù)課程以電路學(xué)、數(shù)模電以及信號(hào)處理等課程為基礎(chǔ)，但是部分學(xué)生在學(xué)習(xí)上述課程時(shí)沒有深化理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，并多采用死記硬背等方式通過考試，之后大部分的知識(shí)點(diǎn)都忘記。在學(xué)習(xí)傳感器工作原理、測(cè)量電路以及誤差補(bǔ)償部分時(shí)，需要大量的電路知識(shí)以及信號(hào)處理相關(guān)知識(shí)，而這些知識(shí)點(diǎn)因?yàn)楫?dāng)初學(xué)習(xí)時(shí)未能深化理解并且間隔時(shí)間較長(zhǎng)而忘記，從而難以基于此進(jìn)一步理解傳感器及檢測(cè)技術(shù)中的相關(guān)知識(shí)。例如，在講授變磁阻式傳感器的測(cè)量電路時(shí)，其中一種電路為諧振電路。此概念以及相關(guān)知識(shí)在電路分析課程已經(jīng)講過，但是在授課過程的互動(dòng)中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生都不能理解諧振的基本概念，更談不上諧振電路的原理以及基于此的電感測(cè)量及計(jì)算方法。

因此，針對(duì)此問題，應(yīng)該對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)度安排作適當(dāng)調(diào)整。在開課的前兩次課程教授中，應(yīng)當(dāng)對(duì)電路、數(shù)模電以及信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)作簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)。主要包括：電路分析中的RLC電路時(shí)頻域分析方法，三極管電路分析，集成運(yùn)放電路分析、相敏檢波電路分析，脈寬調(diào)制電路分析，信號(hào)處理相關(guān)課程的傅里葉變換的物理及數(shù)學(xué)意義，頻率域的物理意義，信號(hào)的時(shí)頻域轉(zhuǎn)換方法以及在電路分析中的應(yīng)用，信號(hào)采樣定理及數(shù)字信號(hào)的頻率域分析方法等等。這些知識(shí)作為弱電控制類專業(yè)的基礎(chǔ)及核心，通過回顧將這些基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，不僅僅方便傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程的教授，也有利于學(xué)生對(duì)本專業(yè)及本學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)及知識(shí)架構(gòu)的建立。

2.1.2 課堂教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)不足

目前本門課程的理論及實(shí)踐課程的安排為：理論課24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課8學(xué)時(shí)。作為一門工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其開設(shè)主要目的是基于傳感器及檢測(cè)技術(shù)原理上的開發(fā)及應(yīng)用。而目前實(shí)踐環(huán)節(jié)的不足不僅僅表現(xiàn)在學(xué)時(shí)數(shù)量（8學(xué)時(shí)），而且表現(xiàn)為實(shí)踐教學(xué)方法及條件的制約。目前實(shí)踐教學(xué)主要利用傳感器試驗(yàn)臺(tái)SET-2000型，其主要包括多個(gè)傳感模塊，學(xué)生主要利用接線方式以及根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)所提供的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，其好處在于學(xué)生能快速完成實(shí)驗(yàn)，但是授課過程中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生只是按操作步驟應(yīng)付實(shí)驗(yàn)，其中深層次的傳感器及測(cè)量電路的工作原理在實(shí)踐過程中并未得到體現(xiàn)，并且大部分學(xué)生亦在實(shí)驗(yàn)過程中不去思考與嘗試，從而實(shí)踐環(huán)節(jié)的效果收效甚微。此外，目前的試驗(yàn)臺(tái)所提供的試驗(yàn)功能與傳感器的設(shè)計(jì)開發(fā)的主流方向并不一致：目前針對(duì)傳感器的開發(fā)基本都以MCU為開發(fā)核心，不僅僅包括傳感及測(cè)量電路部分，試驗(yàn)環(huán)節(jié)還應(yīng)包含信號(hào)處理電路、采集電路、電源設(shè)計(jì)電路以及MCU中程序開發(fā)等一系列環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)做到從系統(tǒng)開發(fā)的角度去培養(yǎng)學(xué)生對(duì)傳感器與檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

針對(duì)以上不足，考慮對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革：（1）將授課學(xué)時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，理論課部分壓縮至17學(xué)時(shí)(包含2學(xué)時(shí)的電路及信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)的回顧)，實(shí)踐環(huán)節(jié)增加至15學(xué)時(shí)；（2）將SET-2000型接線式實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的4個(gè)課內(nèi)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)壓縮至3個(gè)學(xué)時(shí)；（3）增加以傳感器設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用以及基于MCU為核心的檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)的試驗(yàn)環(huán)節(jié)。此過程中，教師提供設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，讓學(xué)生在12個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成相應(yīng)系統(tǒng)的開發(fā)，其中MCU模塊可以借助單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)。學(xué)生可在課外時(shí)間實(shí)現(xiàn)調(diào)研、原理框架構(gòu)建以及其他一些可在課外進(jìn)行的任務(wù)。這樣，讓學(xué)生們著眼于解決實(shí)際工程問題，從應(yīng)用場(chǎng)景及相關(guān)技術(shù)要求入手進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)待解決的科學(xué)問題，在此基礎(chǔ)上對(duì)傳感器選型、安裝、后續(xù)電路設(shè)計(jì)以及單片機(jī)相關(guān)程序的設(shè)計(jì)等一系列實(shí)際工程能力的培養(yǎng)。

2.2 考核方式

目前，本課程的考核方式為“7+2+1”，即卷面分70%，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)20%，平時(shí)簽到10%。這種考核方式過于強(qiáng)調(diào)閉卷考試成績(jī)，而學(xué)生們?yōu)榱藨?yīng)付考試多采用強(qiáng)記的方式，忽視知識(shí)點(diǎn)的理解和吸收。因此，針對(duì)此問題，可以對(duì)考核方式進(jìn)行如下改動(dòng)：（1）將閉卷改為開卷，考試內(nèi)容將目前的填空、選擇、問答、計(jì)算等題型改為四個(gè)系統(tǒng)開發(fā)大題，根據(jù)題目要求對(duì)傳感器的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、測(cè)量電路各參數(shù)的計(jì)算、存在誤差補(bǔ)償及校正問題的針對(duì)此應(yīng)用場(chǎng)景提供合適的補(bǔ)償方法以及后端與信號(hào)處理電路、采樣電路、放大電路等一系列工程應(yīng)用的常見電路的計(jì)算及接口的設(shè)計(jì)等，從而讓學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握不局限于書本，更注重實(shí)踐，讓學(xué)生學(xué)會(huì)合理地應(yīng)用目前手里掌握的資料對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)；（2）實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核比重增加至30%，取消平時(shí)簽到10%的平時(shí)分。在面臨多個(gè)行政班的授課時(shí)，簽到太占用時(shí)間，并且學(xué)生代簽到的現(xiàn)象無法制止，從而使得平時(shí)分并不公正。根據(jù)3.1.2節(jié)增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的課時(shí)，在此基礎(chǔ)上以12學(xué)時(shí)的系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐作為實(shí)踐環(huán)節(jié)的主要考核依據(jù)，在實(shí)物驗(yàn)收的基礎(chǔ)上增加現(xiàn)場(chǎng)答辯環(huán)節(jié)，針對(duì)所開發(fā)的基于傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)提問，根據(jù)回答結(jié)果評(píng)分并作為實(shí)驗(yàn)分記錄至考核成績(jī)。此方法可避免實(shí)驗(yàn)代做等現(xiàn)象，督促學(xué)生自己動(dòng)手去做，自己動(dòng)腦去思考，加強(qiáng)對(duì)傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)原理及執(zhí)行細(xì)節(jié)等各方面的理解，增加傳感器應(yīng)用環(huán)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生明白基本的工作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程。

3 執(zhí)行效果

根據(jù)此課程及考核方式進(jìn)行試探性改革，相對(duì)往屆學(xué)生，本屆學(xué)生加強(qiáng)電路及信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)的回顧，在此基礎(chǔ)上理解傳感器及檢測(cè)電路各工作原理較為輕松，課堂互動(dòng)也較為積極，并且理論課進(jìn)度明顯加快，有效壓縮理論課教學(xué)時(shí)長(zhǎng)?；诠ぷ髋_(tái)的實(shí)驗(yàn)部分學(xué)生完成較快，12課時(shí)的開放性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)學(xué)生投入比較積極，關(guān)于MCU開發(fā)部分的軟硬件相關(guān)知識(shí)學(xué)生能夠課后積極學(xué)習(xí)，并且此開放實(shí)驗(yàn)可作為畢設(shè)課題的部分工作?？己说淖罱K結(jié)果整體較為理想，相比往年通過率提升了10個(gè)百分點(diǎn)，并且從考核結(jié)果來看部分學(xué)生的思維比較活躍，能用多種方法和傳感原理處理某一應(yīng)用場(chǎng)景的待測(cè)參量，大部分學(xué)生能夠較好掌握基本系統(tǒng)的搭建及實(shí)現(xiàn)方法。通過對(duì)學(xué)生的后期問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對(duì)此次改革方式比較認(rèn)可，認(rèn)為不僅對(duì)傳感器原理有大致了解，而且可以做到學(xué)以致用，真正將所學(xué)用于工程實(shí)踐，能獲得較高的成就感。

4 結(jié)論

針對(duì)目前傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程教授及考核存在的問題，對(duì)授課內(nèi)容做一定調(diào)整，理論課內(nèi)容進(jìn)行壓縮，增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)及開放實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，改變考核方式，對(duì)閉卷考試內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，增加開放實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收及答辯在考核的比重。經(jīng)過嘗試及最終教學(xué)結(jié)果反饋，確定該改革的有效性。