《傳感器原理及應用》課程設計改革探討

常州工學院光電工程學院 褚 靜 張美鳳

1.引言

《傳感器原理及應用》是測控技術與儀器專業一門重要的專業基礎課。傳感器是感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號（通常為電信號）的器件或裝置，信號的檢測與處理是組成先進的自動測試系統和過程控制系統必不可少的技術手段。所以傳感器是發展儀器儀表、自動控制、機電一體化產品和廣泛應用計算機的前提條件。開設傳感器原理及應用的課程設計環節，可以使學生加深對理論知識的理解，增加對傳感器的性能、檢測電路的結構形式、傳感器與電路的配接等內容的認識，為畢業設計服務。

2.《傳感器原理及應用》課程設計改革思想

筆者所在學院的傳感器原理及應用課程包含三個環節：課堂教學、實驗教學和課程設計。課堂教學主要為學生講解傳感器的工作原理及內部結構。實驗教學主要是為了提高學生的動手能力，以及分析、解決問題的能力，加深學生對課堂教學中理論與概念的感性認識，包括基本性實驗、綜合性實驗、開放性實驗3個模塊。課程設計利用前面兩個環節所學知識完成一個傳感器應用系統的設計，是實踐性環節，也是課程教學的重要環節。三個環節相輔相成，最終要求達到理論教學與實驗教學并重、課堂講授與學生動手相結合的教學目標，力求使學生對所學知識點舉一反三，理論聯系實際，提高他們的綜合能力和水平。

在這三個教學環節中，課程設計是最難的一個，它對學生的創新能力和綜合素質都提出了很高的要求，更偏向于實踐。而傳感器原理及應用是一門實踐性很強的專業課，學生所學的基本理論最終都要運用于實踐，所以課程設計也是最為重要的環節，可以直接用來檢驗學生對課程的掌握程度。因此，必須做好課程設計的教學工作，切實提高學生的相關實踐技能。

2.1 增強命題的多樣性，啟發學生的興趣

興趣是最好的老師，學生的興趣很大程度上決定了教學的質量，課程設計也是如此。教學過程中，要始終注意調動學生的積極性。大部分院校的課程設計命題普遍是面向工業生產的，如“電阻傳感器稱重測試系統的設計”、“溫度測試系統設計”等。這些命題專業性強，也有很好的使用性，但如果改成“常用電子秤設計”、“冰箱恒溫系統的實現”等，其實質未變，且更易調動起學生參與設計的積極性，提高教學質量。

2.2 加強學科間的聯系，拓展學生的綜合素質

《傳感器原理及應用》課程既是電子、自動化、機電一體化等專業的一門專業課，在現代檢測與控制系統中有著舉足輕重的作用，也是一門內容繁雜的交叉學科。如果僅僅應用所學的傳感器知識來解決生活生產中的問題，必定會令學生茫然，對設計課題無從下手。例如本院的課程設計命題“電阻傳感器稱重測試系統的設計”，其設計要求為：系統基本結構設計、稱重傳感器的選擇、放大器與A/D轉換器的選擇、測量不確定度的預估。可以看出，設計要求主要偏向于傳感器相關知識，但是僅僅有傳感器是不能組成一個完整的測試系統的。例如，傳感器必須通過適當的接口電路或者接口軟件的“銜接”，才能滿足信號的測量、處理、顯示和控制的要求。在實際的課程設計中，教師應鼓勵學生聯系所學的單片機或虛擬儀器課程的相關知識，加強學科之間的聯系，實現真正意義的測試系統的設計，拓展學生的綜合素質。

2.3 自主把握命題的難易度，發揮學生的主觀能動性

課程設計題目可以由各個課程設計小組經討論后自行確定，也可以在教師預先設定的題目中進行選擇，然后各組獨立完成，由學生自主把握命題的難易度。針對不同學生的學習能力和學習興趣，課程設計分為兩個層次，學生已經學過的知識且必須掌握的內容屬于基礎層次，劃出范圍，要求學生復習鞏固，加深理解；而學生沒有學過的內容則屬于提高層次，主要通過學生的自我學習，達到能夠應用并完成課程設計的水平。

3.傳感器原理及應用課程設計的內容模塊設計

課程設計以電子稱重系統、溫度檢測系統等為實驗對象，運用現有知識，從設計系統結構，建立系統的數學模型，到實際構建系統，觀察記錄系統的運行特點，從而評判該系統的綜合性能。設計要求綜合性強，要求學生在具備了一定實驗能力的基礎上，綜合運用所學到的模擬電子技術、數字電子技術、傳感器、單片機技術、虛擬儀器技術、計算機等知識，用科學的方法分析問題，解決問題，系統流程見圖1。

以測溫系統為例。在工業生產、家庭辦公與自動化等領域里，溫度是需要測量和控制的重要參數之一。因此溫度的測量是《傳感器原理及應用》課程設計中比較常用的命題。布置命題時，提出冰箱、空調等常見的電器如何工作這個問題，并且以解決溫度檢測為教學的導入點。此問題提出后，引起學生濃厚的興趣，在教師的引導下討論逐步深入，切入主題。結合課堂教學的基本知識，以幾種常用的溫度傳感器為主體，可以得到三種設計方案：K型熱電偶測溫系統如圖2、集成溫度傳感器(AD590)測溫系統如圖4、鉑熱電阻(Pt100)測溫系統如圖3，由三組學生分別同時設計。學生針對不同傳感器的特性選擇合適的測量電路。根據學生自主選擇，將采集到的信號連接到虛擬儀器技術設計的實驗平臺上，或者直接輸送給單片機。最后由這三組學生共同對這三種溫度傳感器構成的測溫系統進行對比分析，提高分析問題解決問題的能力。

整個系統采用模塊化設計，分為：信號采集系統，核心元件為溫度傳感器；測量電路模塊，將傳感器得到的電信號轉換成標準電信號；信號處理、顯示模塊，將電信號通過適當的硬件接口電路或者接口軟件記錄、存儲、顯示。由于課時的限制，對于難度較大的信號處理、顯示模塊可將提前做成模塊提供給學生在課程設計中使用。通過這樣的實踐教學環節，在完成教學大綱要求的教學任務的同時，又在一定程度上激發了學生的設計興趣與積極性，突出了實際應用能力和創新能力的培養。

4.課程設計成績評定

課程設計的成績評定分為兩部分：一部分是評價設計項目的可行性和最終效果，在答辯時由教師給出，占設計成績的40%。另一部分是評價學生在設計過程中的表現，考察學生的學習和工作態度及其對團隊的貢獻等方面。學生的學習和工作態度，可以由平時表現和具體課程設計的報告得出，由指導教師給定，占總成績的30%。學生對設計小組的貢獻由同組同學與其他同學給出，占剩下的30%。這種評價方式改變了單一的由老師統一給定成績的考試評價方式，有助于調動學生的學習積極性，促使他們積極參與到課程設計里，培養學生的團隊協作能力，通過努力體現自身價值，為學生畢業后參與設計工作打下良好的基礎。

5.結束語

學好一門課程不僅僅是記得相關的理論，更重要的是要將其應用到實踐中去。課程設計環節在一定程度上保證了課程理論與實踐的良好結合。課程設計的課時是有限的，如何引發學生的興趣，把握課題的難度，使學生在有限的課時里，最大程度地得到鍛煉，需要教師以己度人，站在學生的角度去考慮問題，最大程度地提高課程的“投入產出比”。

[1]王立忠.《傳感器原理及應用》課程教學的改革與實踐[J].廊坊師范學院學報(自然科學版),2010,10(4):116-117,123.

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