《傳感器原理及應(yīng)用》課程教學模式改革與實踐研究*

張紅梅 朱毅 李小靜

（湖北商貿(mào)學院）

今天，在社會發(fā)展和科學進步中信息技術(shù)發(fā)揮著決定性作用。信息技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)在當今信息社會的發(fā)展過程中，也被稱為支撐現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)包括信息傳輸、信息收集和信息處理，信息采集離不開傳感器技術(shù)，在檢測和控制之前傳感器技術(shù)是在信息采集系統(tǒng)的最前端，是檢測、采集和感知的前端。本課程長期側(cè)重于講解課程內(nèi)容中的測量處理電路和各種傳感器的工作原理，教學方式提供少量驗證性實驗，實驗根據(jù)教學內(nèi)容進行設(shè)置，這種教學方法有明顯的缺陷。因為學生第一次接觸到的是傳感器測量原理，學生缺乏感性認識，看不到實物，引入類似的教學內(nèi)容會讓學生感到無聊，教師對這些分析方法的深層原理不注重講解，其影響了學生的學習意愿。因此，未來，課程教師需要結(jié)合學生特點、學校條件、檢測技術(shù)的最新應(yīng)用動向?qū)嵤┙逃母?，仔細分析課程的教育目標?！秱鞲衅髟砑皯?yīng)用》已成為應(yīng)用電子技術(shù)、自動化控制、自動化機械工程、電子信息工程等電類相關(guān)專業(yè)的必修課，課程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和前沿知識要重點講解。本文以學生的職業(yè)發(fā)展為重點，研究本課程的教育改革，旨在提高學生職業(yè)素質(zhì)、應(yīng)用工程實踐的能力和就業(yè)質(zhì)量，希望在教學實踐過程中，幫助學生提高學習內(nèi)容，以及促進未來社會經(jīng)濟發(fā)展。

一、《傳感器原理及應(yīng)用》課程教學內(nèi)容改革

《傳感器原理及應(yīng)用》課程涵蓋的專業(yè)廣，面向通訊工程、電氣自動化、電子與信息工程的學生。為此，我校針對新工科人才培養(yǎng)的要求，對各專業(yè)學生的課程和教學大綱內(nèi)容進行了一些修改，實踐教學與理論教學相結(jié)合，加強了學生面向?qū)嵺`的方式，在學習理論的過程中將實踐與理論相結(jié)合，讓學生真正做到手把手地獨立學習理論和實踐。一方面，能提高學生分析和解決問題的能力，在加強基礎(chǔ)學習和動手環(huán)節(jié)的同時，精心設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，將實踐與理論課程有機結(jié)合，最大限度地利用實踐課時，實現(xiàn)實踐與理論教育相輔相成。另一方面，對課程大綱進行修改，優(yōu)化了理論教學和實踐教學內(nèi)容，與各種學科競賽、生活應(yīng)用相結(jié)合，使理論課的教學內(nèi)容更加接地氣。

二、《傳感器原理及應(yīng)用》課程特點

（一）綜合性強

傳感器幾乎涵蓋了支撐現(xiàn)代文明的所有領(lǐng)域，包括聲學、光學、力學、化學、電磁學、材料科學、微電子學等多個學科。其種類也比較繁多，需要綜合應(yīng)用這些領(lǐng)域的知識，在實際使用某種傳感器進行測量時，使學生很難找到線索。

（二）實用性強

傳感器的實際應(yīng)用，就是利用不同工作原理的傳感器對各種參數(shù)進行測量和信號調(diào)理轉(zhuǎn)換。傳感器在檢測系統(tǒng)和自動化控制中，作為信息獲取和轉(zhuǎn)換的來源，給社會生產(chǎn)和人類生活提供各種有用的信息，為人們提供了一個宏觀和微觀的世界，“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術(shù)”的觀點得到了全世界的認可。

（三）知識更新快

近年來，不斷發(fā)展的科學技術(shù)，對傳感器的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)和要求，尤其是出現(xiàn)了許多新型的高質(zhì)量傳感器。例如，新型光敏和離子敏傳感器在新型有機材料中誕生，高溫超導磁傳感器在高溫超導技術(shù)應(yīng)用中創(chuàng)造，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展也在進步，傳感器的發(fā)展方向?qū)⒅饾u向智能網(wǎng)絡(luò)傳感器邁進。

三、傳感器原理及應(yīng)用課程教學方法改革措施

（一）激發(fā)學生學習的興趣提高學生自主學習能力

選取一些生活中常用的應(yīng)用、畢業(yè)設(shè)計、教師教科研項目、全國電子設(shè)計大賽中會遇到的經(jīng)典案例，刻意穿插在每門理論課的教學過程中。例如，在電容傳感器的教學中，學生們分析了如何正確選擇傳感方法來測量角度，引入全國電子設(shè)計大賽中測量擺角的話題。在光電檢測傳感器中，詳細分析在開發(fā)設(shè)計過程中如何解決傳感器設(shè)計部分，在小車自動循跡設(shè)計中如何使小車按照設(shè)定軌跡行駛，如何對障礙物進行檢測。另一個例子是半導體氣敏傳感器章節(jié)的學習中，介紹樓宇自動化中的高層大樓，預(yù)警系統(tǒng)和建筑火災(zāi)預(yù)警的設(shè)計。此外，通過一系列具體實例，學生可以靈活應(yīng)用目前所學的數(shù)字電子電路、模擬電子電路等課程的知識，深刻感受到學習傳感器技術(shù)可以做出很多相關(guān)的設(shè)計。還可以結(jié)合光敏電阻設(shè)計太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容，在后續(xù)課程的研究中也起到非常重要的作用。此外，學生可以參與類似的研究工作、參加各種電子設(shè)計競賽，自主研發(fā)，申請相關(guān)傳感器專利。因此，學生學習傳感器的興趣，在理論與實踐相結(jié)合的教學中可以極大地激發(fā)，學生自學傳感器知識的積極性也可以在傳感器課堂的教學中激發(fā)，有意識地指導學生將所學的實際與理論知識聯(lián)系起來，將理論教育分散到實踐中，改變理論課后進行實驗的傳統(tǒng)教學方式，讓學生提高理論課的實效性。在每節(jié)傳感器課結(jié)束時，留一兩個小的設(shè)計或研究任務(wù)讓學生在課后完成，通過這種方式，提升學生自主學習該課程的積極性。

（二）理論講授與實物應(yīng)用教學

現(xiàn)階段，很多學生對《傳感器原理及應(yīng)用》課本內(nèi)容的學習沒有足夠的重視，由于就業(yè)壓力等多方面因素影響，有的學生繼續(xù)讀研究生，有的學生在校外兼職，有的學生認為課堂上的考試和講課不生動，有些學生不愿上課，難以集中注意力。所以，《傳感器原理及應(yīng)用》課程的教學非常注重培養(yǎng)學生的學習興趣，教授傳感器時，將傳感器理論內(nèi)容教學與生活應(yīng)用相結(jié)合，列出在現(xiàn)實生活中使用的一些傳感器。例如，在了解應(yīng)變傳感器時，向?qū)W生介紹電子秤的工作原理；在教授半導體傳感器時，向?qū)W生介紹酒后駕駛用酒精測試儀的工作原理；在教授生物傳感器部分時，向?qū)W生介紹各種市售傳感器和測試儀，因為它們與生物技術(shù)有關(guān)，例如血糖儀和血糖傳感器。學生在此學習過程中，通過這種理論與實際應(yīng)用相結(jié)合的教育模式，使學生對傳感器課程產(chǎn)生興趣；也讓學生認識到，在我們的生活和科學研究中傳感器的重要性，提高學生的后續(xù)學習動力。

（三）進行教學方法和教學手段的改革

1.提綱挈領(lǐng)，啟發(fā)式教學

為幫助學生掌握理論知識，內(nèi)容處理如下。首先，傳感器按原理分類，有光電式、電容式、電阻式等，按照應(yīng)用-原理-轉(zhuǎn)換電路-誤差等引導學生進行分析，這條主線大大減輕了學生的學習負擔。比如以電子秤為例，在講解電阻應(yīng)變式傳感器時，首先讓學生思考“為什么非電量的體重信號可以通過電子秤轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號”；其次，為了讓學生能夠積極地接受理論知識，我們將詳細闡述電阻應(yīng)變片等相關(guān)理論知識；最后，在位移和加速度等參數(shù)測量中，通過為學生提供電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用來擴展知識應(yīng)用范圍。

2.關(guān)注前沿知識趨勢，采用討論式教育

我們無法在教學過程中教給學生“永不過時”的知識，通過選擇討論式教學，可以讓傳感器知識更新更快。我們需要教學生如何檢索信息，關(guān)注該領(lǐng)域發(fā)展的新動向，同時，為補充他們對科學前沿的廣泛了解，不斷為學生提供最新的常用相關(guān)網(wǎng)站。例如，對于CCD光電器件，學生可以相互交流，查閱資料，分析CCD傳感器在圖像識別、傳真機、錄像機、相機等設(shè)備上的應(yīng)用；為了提高學生自學能力，拓寬學生的知識面，開闊視野，要經(jīng)常開展“電容式傳感器的應(yīng)用”“新型傳感器的開發(fā)”等討論課，讓學生充分利用業(yè)余時間查詢資料；學生們會發(fā)現(xiàn)很多關(guān)于生物傳感器、離子敏傳感器、光敏傳感器等新型傳感器的知識；關(guān)于電容傳感器，可以應(yīng)用于手機觸摸屏和濕度測量，還可以了解教科書中描述的加速度、角位移、位移等傳感器的應(yīng)用。通過這樣一些舉措，可以取得了不錯的教學效果。

3.設(shè)立開放性實驗，采用實物教學法

為實現(xiàn)“應(yīng)用型人才”的培養(yǎng)目標，加強學生的實際應(yīng)用和分析能力，開放性實驗、各種電路小制作比賽、電子設(shè)計競賽等可以在常規(guī)實驗教育環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上建立，增加實物制作環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的驗證性實驗教學中，很多同學在實驗結(jié)束后對傳感器缺乏感性認識，這是由于傳感器實驗臺的所有電路部分都封裝在試驗臺里面。因此，我們可以為同學們提供了實物電路制作活動，或者電賽培訓期間發(fā)布一些電路制作小任務(wù)，并開放創(chuàng)新實驗室。比如，應(yīng)用光電傳感器時，以自動干手器的電子開關(guān)為例。首先讓學生選擇傳感器、查資料、畫原理圖，然后自己焊接。調(diào)試完成后，可以帶回宿舍使用。有的同學用二極管逆變器、紅外光控電路，三極管用繼電器等分離原理來實現(xiàn)，有的同學利用光電控制電路、555時基電路等元件來實現(xiàn)。由于電路比較簡單，有很高的成就感，很多同學都能調(diào)試出結(jié)果，對課程產(chǎn)生了濃厚的興趣。一旦學生感興趣后，就可以提高任務(wù)難度，如增加數(shù)字溫度計、有害氣體報警器等電路的制作。

（四）多媒體與傳統(tǒng)板書結(jié)合教學

多媒體教育是教育改革的主流，是結(jié)合音頻、動畫、圖形、文字、視頻等信息向?qū)W生呈現(xiàn)信息的過程，具有直觀性強、傳輸速度快、信息量大等特點，可以大大提高學生知識獲取效率。然而，在實際教學中，單純使用多媒體教學時，往往會出現(xiàn)教師和學生專心閱讀多媒體信息的情況，而教師忽略要講解的重難點等有用信息。根據(jù)《傳感器原理及應(yīng)用》課程的特點，多媒體動畫和圖像用于各種實際應(yīng)用實例，通過板書書寫傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理，采用傳統(tǒng)板書教學方法與多媒體教育相結(jié)合的方式。比如在黑板上板書來講授熱電偶傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理；在電感式傳感器和電容式傳感器中，通過多媒體演示各種結(jié)構(gòu)形式動畫，將這兩種方法相結(jié)合的教學方法，取得了令人滿意的教學效果。

(五)實驗內(nèi)容分層次教學，鼓勵多實踐

提高學生實踐能力的重要環(huán)節(jié)是圍繞傳感器理論教學開展實驗教學。很多時候，實驗的內(nèi)容只是驗證特定傳感器的工作原理和檢測過程。不同學生的實踐能力不同，在一堂課內(nèi)基礎(chǔ)較好的學生可以完成規(guī)定的實驗內(nèi)容，基礎(chǔ)較差的同學只能完成部分實驗內(nèi)容。針對這種學生能力層次不同的情況，每個實驗內(nèi)容嘗試分層教學，實驗內(nèi)容設(shè)置上可分必修內(nèi)容和擴展內(nèi)容。常規(guī)實驗項目為必修部分，要求所有學生課上完成；擴展內(nèi)容為能完成必修內(nèi)容并有多余時間和精力的學生準備，目的在于拔高，以提高學生傳感器實踐技能，為培養(yǎng)較強實踐能力奠定基礎(chǔ)。合理的必修內(nèi)容是根據(jù)一般學生完成的正常進度來設(shè)定的，這通常是可驗證的實驗，從傳感器試驗臺40多個實驗內(nèi)容中設(shè)置4到8個實驗項目。所以，實驗設(shè)備沒有得到充分利用。如果每個實驗項目都需要經(jīng)過驗證和創(chuàng)新，需要合理設(shè)置各個實驗項目的擴展內(nèi)容，讓每個學生充分利用課堂實驗時間，學生選擇的內(nèi)容越多，完成的質(zhì)量就越好，根據(jù)自己的實際能力選擇合適的內(nèi)容，評估實驗結(jié)果的等級也越高。鼓勵學生大膽實踐，提高實驗儀器的利用率。比如，基本的箔應(yīng)變傳感器實驗中，可以使用差動全橋電路、差動半橋電路和單臂電橋電路來驗證工作原理，可以設(shè)置檢查位移變化與電壓之間的關(guān)系。此外，學生可以使用傳感器實驗平臺擴展設(shè)計內(nèi)容，位移和電壓之間的關(guān)系還可以使用半導體應(yīng)變儀實現(xiàn)。例如設(shè)計不同精度的電子秤，準確測試氣壓可以通過使用固體壓阻壓力傳感器，或者可以進一步指導有抱負的學生，使用電阻傳感器測量加速度。如果沒有足夠的時間上課，可以通過畢業(yè)設(shè)計、電路小制作實踐、各種競賽等方式向?qū)W生開放創(chuàng)新實驗室?？傊?，為激發(fā)學生的獨立實踐和創(chuàng)新能力，可以通過對每個實驗項目設(shè)置的不同難度級別，來提升學生的實踐動手能力。

（六）多種教學手段綜合應(yīng)用，加強師生互動

采用多媒體課件的合理使用，轉(zhuǎn)變單純使用板書的傳統(tǒng)教學方式，在課件中加入傳感器原理動畫和傳感器應(yīng)用的視頻，激發(fā)學生在課堂上的學習興趣，可以將板書與多媒體教育有機地結(jié)合起來。此外，建立信息化教學模式，在學習通網(wǎng)站上建立網(wǎng)絡(luò)課程資源包，甄選優(yōu)質(zhì)的傳感器原理及應(yīng)用的課程視頻、創(chuàng)建試題庫、作業(yè)課和試卷庫，為學生提供課前預(yù)習、課中互動測試、課后作業(yè)及習題的解答、考前模擬測試等環(huán)節(jié)。在課堂教學時解決學生在網(wǎng)絡(luò)預(yù)習時遇到的問題，利用網(wǎng)絡(luò)資源加強師生互動，增強師生交流，對于老師和學生來說都是非常必要的。