應用現代教學技術開展傳感器教學活動的探討

劉新福 劉金河 范明天 鄒紅麗 （河北工業大學 天津300130）

傳統的傳感器教學是依據粉筆和黑板來完成的，[1]當遇到展示一個大型復雜的圖形時就會耗費許多寶貴的課堂教學時間。在黑板上畫出的圖形，不僅不能運動還耽誤較多的教學時間，同時教學中需要動態化展示的許多傳感器案例，僅僅靠平面圖形解釋起來既困難，又繁瑣，而且還很難透徹地解釋清楚，直接影響教學效果。

隨著計算機技術的普及，人們利用多媒體課件代替了原始的教學方式，但同時又發現，多媒體課件有很大的弊端：[2-6]即動態的內容較少，并且真正運動的機構或器件不太容易制作，所以影響到教學水平的進一步提高。

為此，我們提出采用軟件技術來制作動態效果的富有演示功能的教學素材，以改進教學模式，豐富課堂教學素材，達到引導學生熱愛學習和主動學習的目的。

1 引入用應變片測量橋梁斷裂過程實際試驗的視頻，提高教學效果

在電阻式傳感器教學中，引入用應變片測量橋梁斷裂整個試驗過程的視頻材料，從應變片的分揀、粘貼、測量位置的選取，以及力的加載，到發生初步的梁的裂縫的出現，直至梁的斷裂過程，整個測量過程都利用應變片有效的監測完成。學生通過觀看完整的工程測試過程，再經課堂的總結分析，將會得出工程實際應用中應變片傳感器測量具有非常重要的價值的結論。

2 傳感器動態教學方案設計在課堂中的應用

傳感器課程中涉及很多傳感器原理與概念介紹，由于原理較復雜，解釋起來就需要圖形的輔助和動作的演示等等，非常繁瑣而且也不直觀。為此，在借鑒他人的成果及改進了局部構思后，嘗試了下述的動態化教學方案。

2.1 電感式傳感器工作原理動態演示教學方案

電感式傳感器即差動變壓器，由銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架等組成。初級線圈作為差動變壓器激勵，相當于變壓器的原邊，次級線圈由兩個結構尺寸和參數相同的線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。差動變壓器是開磁路，工作建立在互感基礎上。為此，我們先進行圖片的展示：將一只交流接觸器線圈與交流毫安表串聯后，接到機器用的控制變壓器的交流電壓源上，先用圖進行展示。這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發現毫安表的讀數逐漸減小。當銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數只剩下十幾毫安。然后，再利用動態方案進行設計，完成電感傳感器原理的展示工作。

2.2 電阻式傳感器——將應變式傳感器在電子衡中的應用進行動態演示

電阻式傳感器就是利用非電學量（如力、位移、加速度、角速度、溫度、光照強度等）的變化，引起電路中電阻的變化，從而把不易測量的非電學量轉化為電學量，便于測量，并且可以輸入計算機進行處理，這就是電阻式傳感器的原理。例如，利用金屬的電阻率隨溫度變化而制作的電阻溫度計，就是一個電阻式傳感器的應用實例。

制作應變式傳感器并將其在電子衡中的應用進行動態演示，達到的效果如下：從動態圖形中可以演示應變片變長及壓縮的情況，然后可以從接成的橋路中對應設置應變片的位置，對應測量的結果全部進行動態的顯示，加深學生對概念的理解，增強學習效果。

2.3 光電傳感器——光敏電阻演示

在光線作用下，電子吸收光子的能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應。

受到光照射時光電導變大。當光敏電阻受到光照時，光生電子空穴對增加，阻值減小，電流增大。該原理進行動態設計非常容易，在動態的圖畫中可以清楚地看出有光照與無光照的對比效果，達到了模擬真實原理的視覺效果。

2.4 霍爾傳感器——霍爾效應演示

霍爾效應是半導體中自由電荷受磁場中洛侖茲力作用而產生的。

設霍爾元件為N型半導體，置于磁場B中，當它通以電流I時，半導體中的自由電荷即載流子（電子）受到磁場中洛侖茲力FL的作用，向垂直于磁場B和電流I方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即電子有向某一端積聚的現象，使半導體一端面產生負電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產生靜電場，該靜電場對電子的作用力FE與洛侖茲力FL方向相反，將阻止電子繼續偏轉，當FE與FL相等時，電子積累達到動態平衡，此時的靜電場即為霍爾電場，在電荷積聚的兩個面上產生的電勢稱為霍爾電勢。設置動態方案，完成這樣的演示效果，增強觀賞性，最后將公式動態顯示出來以加深理解。

2.5 電容傳感器應用實例演示

我們采用的是電容式接近開關在物位測量控制中的應用演示。這屬于變極距型電容式傳感器。即利用了極板之間距離的改變使得傳感器的輸出電容改變的例子。實際采用動態方式，動態演示在一個糧倉管理中的應用的動畫效果，實現動態仿真的目的。

3 引入自主創新性項目設計，讓學生主動參與課堂教學

在教學中，嘗試采用自主項目創新性設計，主要是鍛煉學生運用傳感器基本知識的能力和口頭表達的能力。具體方法是：采用以班級為單位，自由選擇分為數個小組，每組成員用異想天開的方法，利用所學知識構想一個有實際應用價值的項目，稱為奇思妙想方案。然后，小組成員再積極圍繞此方案開展研究，達到將構想的項目用所學的傳感器及測控電路知識實際設計出來的目標，最后通過課堂答辯的形式將各小組的方案進行展示，并分別給予不同的分數進行激勵。這個活動經過學生的積極配合取得了較好的課堂教學效果。例如，有的小組設計了這樣一個課題：汽車通過橋梁的時候，能夠提醒司機限制汽車的高度裝置，就是充分利用所學的光學傳感器知識進行的應用設計，具有一定的新穎性和使用價值。

4 結束語

傳感器動態課件設計是傳感器現代化教學的一個重要技術方法。以上教學演示內容是傳感器教學中的重要環節，設計動態效果演示課件是非常必要和有意義的，可調動學生積極參與課堂教學。限于時間和精力，我們僅僅開展了較少的動態課件的課堂應用以及較少的自制應用型的傳感器工程分析視頻素材的教學工作，該項課題還有待繼續完善和加強。動態教學課件對促進傳感器教學方式的改革具有很好的應用價值，[7-9]該課程中許多重要原理用動態演示的形式完成是非常有必要的，如果能夠全部實現的話，將會極大地提高學生的學習興趣，一定會提高課堂的活躍度，使學生的學習效果更好。■

[1]鐘曼莉，劉志文.課件的精心準備和合理運用是關鍵[N].中國教育報，2005-4-25（5）.

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