傳感器原理與應用“雙向五步式”教學的探討

摘 要 針對機務院校學員及課程特點，在課程教學實施中提出雙向五步式教學法，以應用為牽引，以傳感器的五個環節為載體，培養學員解決工程問題的能力、獲取新知識的能力，使其具備較好的專業素養和較強的探索、創新精神。

關鍵詞 雙向五步式 傳感器 教學改革

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2013）11-0007-02

“傳感器原理與應用”是測控技術與儀器專業本科的主要課程。任務是向學員介紹各類傳感器的基本原理、結構及典型應用電路，對學員掌握航空檢測設備和計量標準裝置的計量、維護保養的基本技能等專業素質培養起著重要作用。但由于課程及學員自身特點，傳統教學效果不理想，其原因如下。

一、教學對象及課程特點分析

（一）課程特點分析

課程的知識體系特點決定了課程實施具有一定的難度。

1. 教學內容種類多、涉及廣

課程內容從傳統的電位器、應變片、電容、電感等傳感器，到較新的數字、智能等傳感器，共計二十余總、幾十余類，各傳感器又分別涉及力學、電學、電子、計算機、磁學、光學、聲學、熱學、化學、生物學等多學科知識，所需前修課程的基礎知識較多，且知識既有系統的理論推導，又有一般的定性分析，理論性較強，比較枯燥，難以理解，不便組織實施教學。

2. 教學內容聯系不緊密

一方面，對每一種傳感器學習時，如果按照教材順序及邏輯實施，學習傳感器的“原理”“結構”及“電路”，了解其“特性”及“應用”，這五部分內容之間的聯系不緊密，相互關系闡述不夠，且整個過程是平鋪直敘的模式，沒有分析這五個環節有什么內在聯系，很難引起學員的學習興趣，教學效果不理想，更難達到培養學員專業素質的目的。另一方面，幾十種傳感器之間內容相對比較孤立，不具有延續性，不利于每次課之間的組織銜接，同樣不利于學員學習理解。

（二）教學對象分析

我院作為航空機務院校，學員相對于地方高校學生，具有以下兩個特點要求。

1. 第一任職明確，教學應具有航空機務針對性

學員的培養目標以及學員第一任職的明確性，決定了課程在實施過程中除了培養學員的專業能力的基礎上，在使用系統性、科學性較好的地方教材的基礎上，需要在教學內容上根據任職需求添加航空機務實際內容，以加強航空機務工作的針對性，為學員將來的任職打下一定的基礎。

2. 紀律性強，但知識基礎、主動性相對較弱

學員是由基層部隊考入軍校，組織紀律性強，但是其學科專業基礎相對較弱，習慣于講授式教學，學習主動性一般不高，不關心自己要學會什么，掌握怎樣的技能，培養哪些專業能力。

因此，需在課程實施中梳理傳感器各環節之間的關系，找到其因果關系，采用合適的教學方法，將各個環節有機的組合開展教學，以實現既符合軍校學員特點，又能夠達到培養學員的專業能力，對學員的專業素質培養起支撐作用的目標。

為此在課程近年的實施中提出“雙向五步式”教學法，其思路是以應用為牽引，以傳感器的五個環節為載體，在知識的傳授中培養學員分析、解決工程實際問題的能力和獲取新知識的能力，使其具備較好的專業素養和較強的創新精神，促進其人格成長，其具體實施包括以下兩個大的方面。

二、采用模擬設計的方法，培養工程應用能力

“教育的成功與否，在于學生將課本知識遺忘之后，還留下什么素質”。教學的目的之一是培養學員的專業素養，即一定的檢測工程領域的應用能力。一個檢測問題的解決，從理論層面上主要包括兩個步驟：首先為傳感器的選型，其次為后續檢測單元模塊的設計，因此，在教學過程中，從“應用”著手，即從實際的檢測需求引入，采用模擬設計的方法，達到培養學員工程應用能力的目的，具體內容及步驟包括：

（一）以“應用”始，提出檢測問題

每種傳感器的引入都以具體檢測問題入手，首先提出檢測問題，激發學員學習興趣，使學員能認識到該種類傳感器的重要性。根據我院為航空機務院校的特點，應用實例首選航空檢測問題，其次為生產、生活中的問題。例如，以某型飛機進氣道調節錐的錐位控制為例，提出如何對調節錐的位移實時檢測的問題，引入電位器式傳感器教學，以飛機油量測量問題，引入電容傳感器等等。

（二）根據檢測問題，分析“特性”要求

第二步就是問題的深化，即在分析相應的檢測需求基礎上，進一步提出該檢測問題對傳感器的特性有哪些要求。例如，數控機床位移精確控制問題，所用位移傳感器應具有高分辨力、大量程的特性；飛機強度及疲勞檢測問題，需要使用結構簡單、技術成熟可靠、準確度及靈敏度高的應變傳感器等等。

（三）學習傳感器“原理、結構”，實現傳感器的選型

明確特性需求后，應引領學員分析決定傳感器特性的因素就是其“原理”及依據原理制作出傳感器的“結構”，因此通過學習傳感器的原理及結構，從而完成傳感器的模擬選型工作。例如，數控機床中位移測量中提出高分辨力、大量程的特性要求后，將問題進一步細化為：1.如何利用光柵測量位移→學習單光柵測量位移原理，2.如何解決高分辨力的問題→學習莫爾條紋、莫爾條紋細分，3.如何解決大量程的問題→根據被測位移和計數次數成線性關系由需要延長光柵尺寸，通過三個問題的解決，完成光柵傳感器原理及結構的學習及傳感器選型。

（四）完善配套“電路”，完成檢測單元模塊設計

最后配合相應的特征調理、處理電路，即完成檢測單元模塊的虛擬設計，實現檢測功能，從而解決最初提出的應用問題。

以上五個步驟為“雙向五步式”教學法中的反向，即以工程“應用”實例引入，將五個步驟有機的聯系在一起，并在問題分析過程始終貫穿解決檢測問題的選型、檢測功能實現的思路，從而達到培養學員的工程應用能力的目的。

三、以知識為載體、教學實施為過程，培養學員的學習能力及探索精神

“教育是幫助被教育的人，給他們能發展自己的能力，完成他的人格”。教學的目的是傳授知識，在此基礎上更有意義的是以知識為載體，以教學實施為過程，培養學員的學習能力及探索精神。

傳感器學科知識的認知規律及過程是相通的，仍蘊含在從“原理”到“應用”五步中，以電阻應變片式傳感器的學習為例，這五步劃分及具體內容闡述如下。

（一）發現某種現象，對現象研究分析總結其規律，探索得到其“原理”

1856年英國工程師在鋪設海底電纜時發現電纜的電阻值隨海水的深度不同而不同，并在此基礎上通過對銅絲和鐵絲拉伸試驗后總結出了三條結論，歸納為電阻應變效應。

（二）根據原理依據需求，使用各種工藝制成相應的傳感器器件“結構”

根據工程中需求，需要測量某一點的應變，因此測量用金屬絲不能過長，且較細，需將金屬絲繞制成柵狀，并輔以基片和保護層構成應變片。

（三）傳感器的原理及結構共同決定了其“特性”

電阻應變效應決定了應變片簡單、經濟、可靠、測量范圍寬等特性，同時正是應變片的敏感柵結構具有橫向彎頭部分，使整個應變片在承載時既受縱向應變又受橫向應變影響，從而產生不利的橫向效應。

（四）配合后續功能“電路”實現檢測功能

配合交直流電橋實現溫度補償，并將應變片輸出的小電壓調理放大到宏觀可用。

（五）傳感器的特性決定了傳感器的“應用”領域

應變片的特性決定了它在工程中各個領域有著廣泛的應用，除了測量力以外，還廣泛應用于壓力、扭矩、位移、加速度等各種量的測量。

通過這五步的劃分及實施，清晰的闡明了傳感器的幾個環節之間的內在聯系，并且這五步中蘊含了前人“發現問題、分析問題、解決問題”的思路。因此，在五步實施過程中的每一步中應通過剖析、揭示前人的探索過程，培養學員的這種解決問題的能力、培育其創新精神和探索精神。

以上五個步驟為“雙向五步式”教學法中的正向，通過正向的五步學習潛移默化的培養了學員發現問題、分析問題和解決問題的能力，初步概括能力、自學能力及探究精神。

四、結束語

通過“雙向五步式”的教改實踐，增強了學員學習的目的性、積極性，較好的培養了學員的工程應用能力與學習能力，達到了培養學員創新精神和探索精神的目的。

幾年來教改實施取得了良好的效果：1.學員每年的評教、評學滿意度逐漸提高；2.教員的教學水平逐年提高，“光柵傳感器”一課獲學院教法競賽一等獎；3.在學院每年授課質量的評定中授課質量均為優或良。

參考文獻：

[1]楊鈺，李猛，高濤等.測控技術與儀器專業人才培養方案（大學本科生長干部），信陽：空軍第一航空學院，2008（6）.

[2]黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理及應用（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004（3）.

[3]熊飛麗，張文娜，葉湘濱等.《傳感器與測試技術》課程教學改革研究[J].北京：遵義師范學院學報，2009（6）：82-86.

（責任編輯 易 凡）