《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

李發(fā)英，于芳

(湘南學(xué)院，軟件與通信工程學(xué)院，郴州 423000)

0 引言

在我們學(xué)校，對(duì)于傳感器技術(shù)類課程，我們同時(shí)兼顧了與課程群中《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程的緊密結(jié)合?！秱鞲衅髟砑拔⒉僮飨到y(tǒng)》與《單片機(jī)與接口技術(shù)》、《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)類課程群，講解內(nèi)容在一定程度上融合了單片機(jī)以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)知識(shí)，綜合性強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度大，課程名《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》也正體現(xiàn)了這一特點(diǎn)，微操作系統(tǒng)部分的課程占總課時(shí)的1/8，目的是在傳感器技術(shù)授課的過(guò)程中提前對(duì)后續(xù)課程提前導(dǎo)入。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程授課重點(diǎn)與其他專業(yè)應(yīng)有區(qū)別，主要體現(xiàn)在：

一是講解內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不同。如對(duì)于電氣專業(yè)學(xué)生，講解電阻式傳感器時(shí)，主要介紹傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及電路組成，適應(yīng)畢業(yè)生的就業(yè)需求，主要掌握傳感器的設(shè)計(jì)；而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的課程教育應(yīng)側(cè)重于具體應(yīng)用，由于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是應(yīng)用性、綜合性極強(qiáng)的專業(yè)，學(xué)生主要關(guān)注傳感器的工作原理、特性、選型以及在智能系統(tǒng)中的性能需求。

二是講解方式不同。如對(duì)于電氣專業(yè)學(xué)生，側(cè)重于講解傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)，對(duì)于儀表與檢測(cè)專業(yè)學(xué)生，則重在關(guān)注傳感器的特性分析和誤差分析。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，授課方式則以應(yīng)用背景為中心，向邊緣逐步講解傳感器的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、特點(diǎn)和誤差分析，基于此，這種教學(xué)方式可以用圖1來(lái)描述。

圖1 以應(yīng)用背景為中心的教學(xué)方式

1 目前課程教學(xué)現(xiàn)狀

《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》課程與《單片機(jī)與接口技術(shù)》、《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)》構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心專業(yè)課群，學(xué)生在掌握了《單片機(jī)與接口技術(shù)》課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)后，再學(xué)習(xí)《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》，目前對(duì)于課程的教學(xué)方式，采用傳統(tǒng)的按課程教材結(jié)構(gòu)和內(nèi)容順序講解，分別介紹電阻式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器等，對(duì)于某一類傳感器，涉及到傳感器的概念、傳感器的結(jié)構(gòu)、傳感器的工作原理和特性，最后講解傳感器的選型，這種教學(xué)方式容易造成學(xué)生頭腦僵化，沒(méi)有任何應(yīng)用背景，影響學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)揮，而且由于傳感器涉及到的內(nèi)容概念多、抽象，很難理解，或者學(xué)生在感性認(rèn)識(shí)的層次學(xué)習(xí)，限制了應(yīng)用能力的提升，使得整個(gè)教學(xué)停留在填鴨式教學(xué)水平，教學(xué)效果不佳，在一定程度上降低了學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣，不能有效發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。

2 基于應(yīng)用背景的教學(xué)改革

綜上所述，《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》的教學(xué)方式改革勢(shì)在必行，如何進(jìn)行改革，怎樣圍繞課程知識(shí)點(diǎn)以及學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行改革是關(guān)鍵，以下結(jié)合電阻式傳感器知識(shí)點(diǎn)的講解詳細(xì)描述。

以電阻式傳感器在農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用為具體應(yīng)用背景，以此為中心展開(kāi)來(lái)講解傳感器的相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)：

2.1 基于應(yīng)用背景教學(xué)的基本思想

傳統(tǒng)的傳感器原理及應(yīng)用類技術(shù)課程大多數(shù)遵循先講解傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、類型等基本理論知識(shí)，然后舉例說(shuō)明某一類傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景，這種教學(xué)方式主要圍繞理論部分展開(kāi)，教師概念講解枯燥、學(xué)生概念理解困難的特點(diǎn)，造成學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下，影響學(xué)生應(yīng)用能力的發(fā)揮?；趹?yīng)用背景為中心的教學(xué)，則是將傳感器應(yīng)用作為首要講解內(nèi)容，以此為中心逐步引入傳感器的自身特性，并結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景中的需求，分析傳感器的工作原理、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及選型，使學(xué)生思維方式發(fā)生質(zhì)的變化，由主要關(guān)注傳感器本身的原理知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注傳感器的實(shí)際應(yīng)用，這是一種應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用思維，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性有著極為重要的作用。

表1

2.2 應(yīng)用背景驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)步驟

2.3 實(shí)例分析

本文以“汽車后窗玻璃自動(dòng)去濕系統(tǒng)”為應(yīng)用背景講解傳感器相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

第一步：系統(tǒng)功能講解。汽車后窗玻璃自動(dòng)去濕系統(tǒng)主要有濕度傳感器完成對(duì)當(dāng)前汽車內(nèi)濕度檢測(cè)并驅(qū)動(dòng)加熱電阻加熱，在常溫常濕情況下，調(diào)節(jié)好電路電阻值，加熱電阻無(wú)電流流過(guò)而不具備加熱功能。當(dāng)汽車內(nèi)外溫差較大，且濕度過(guò)大時(shí)，加熱電阻有電流流過(guò)，加熱電阻絲開(kāi)始加熱，驅(qū)散后窗玻璃上的濕氣，同時(shí)加熱指示燈亮。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)去濕功能。

第二步：介紹傳感器的結(jié)構(gòu) 去濕傳感器由三個(gè)部分組成，即敏感元件，轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路。敏感元件是去濕傳感器的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前濕度的檢測(cè)，轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于在大多數(shù)場(chǎng)合電子設(shè)備和系統(tǒng)處理的都是電信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電荷輸出，轉(zhuǎn)換電路包括了信號(hào)濾波、信號(hào)去噪等部分。

第三步：講解傳感器的類型和工作原理。濕度傳感器類型很多，上述系統(tǒng)中用的是電阻式濕敏傳感器，它是利用器件電阻值隨濕度變化的基本原理來(lái)進(jìn)行工作的，其感濕特征量為電阻值。根據(jù)使用感濕材料的不同，電阻式濕敏傳感器可分為電解質(zhì)式、陶瓷式和高分子式三類。除電阻式傳感器之外，還有電容式濕度傳感器，電容式濕敏傳感器是有效利用濕敏元件電容量隨濕度變化的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，屬于變介電常數(shù)型電容式傳感器，通過(guò)檢測(cè)其電容量的變化值，從而間接獲得被測(cè)濕度的大小。電容式濕敏傳感器按照極間介質(zhì)分為高分子和陶瓷材料兩大類。

第四步：講解傳感器的特性和誤差。在大多數(shù)情況下，濕度傳感器難以得到相對(duì)于濕度變化而線性變化的輸出電壓，這給濕度的測(cè)量、控制和補(bǔ)償帶來(lái)了困難。因此，在需要精確測(cè)量濕度的場(chǎng)合，必須加入線性化電路，使傳感器測(cè)量電路的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比于濕度變化的電壓；濕度傳感器在低濕、中濕或高濕狀態(tài)下的線性關(guān)系一般會(huì)有所不同，因此，可采用放大倍數(shù)隨輸入值變化的放大電路，使其輸出與輸入呈折線近似線性關(guān)系(即分段近似關(guān)系)，常用運(yùn)算放大器。

3 結(jié)語(yǔ)

《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心專業(yè)課，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)要培養(yǎng)應(yīng)用型復(fù)合型人才，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)是必要的。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是實(shí)踐性、工程性很強(qiáng)的一個(gè)專業(yè)，為了提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，在新工科背景下，切實(shí)開(kāi)展“新方法，新思維”教學(xué)改革，同時(shí)，以習(xí)近平總書記在全國(guó)高校教育大會(huì)上提出的“課程思政”理念，將“思政元素”融合到工科專業(yè)建設(shè)和課程改革中，通過(guò)課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)高素養(yǎng)和高專業(yè)質(zhì)量人才。專業(yè)課程教學(xué)改革是一個(gè)永恒的話題，隨著教學(xué)對(duì)象的變化，教學(xué)資源的升級(jí)更新，我們一直在探索課程教學(xué)方式的改革。下一步應(yīng)用線上線下混合式教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)、文獻(xiàn)引導(dǎo)式教學(xué)等，進(jìn)一步提高應(yīng)用型工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量。