控制專業傳感與檢測技術課程的研究性教學實踐探索

李榮冰　劉建業　張玲　賴際舟

摘要：傳感器與檢測技術是高等院校自動化、探測、測控等專業的重要基礎課程，該課程教學對培養控制專業大學生的理論原理聯系與工程應用的能力和控制系統綜合設計能力培養具有重要意義。本文針對傳感器與檢測技術課程涉及傳感器種類多，被檢測物理量特點差異大、課程知識面廣等教學特點，基于大學生科研能力結構需求，從教學目標、教學內容、教學方法入手，開展該課程的研究性教學方案的設計，并進行研究性教學實踐的探索，對控制專業大學生科研意識和科研能力的培養，具有良好的促進作用。

關鍵詞：研究性教學；人才培養；傳感器；檢測技術；自動化

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）02-0133-03

一、引言

現代大學具有人才培養、科學研究和服務社會三大功能，在這三大功能中，人才培養是大學的核心功能和首要工作，培養高素質的人才、促進人的發展是大學教育的目標，而科學研究是人才培養的重要載體與途徑，兩者關系最為密切。將人才培養的目標與科研研究的途徑的緊密結合，突出培養大學生圍繞“問題”來開展學習、分析和研究等活動的意識和能力，這在人才培養的過程中，體現的就是研究性教學的思想。研究性教學的理念越來越受到廣大教師和學生的重視。然而，鑒于不同專業、不同課程的具體教學內容的特點，研究性教學的實踐有賴于具體教師將教學工作與其科研工作、科研成果的緊密結合，在教學過程中，教師通過將自己以及團隊圍繞與課程相關的科研問題的研究有機地融入到課程教學過程，也正因為如此，研究性教學很難有統一的實施方案。在人才培養目標和核心能力構成要素下，針對具體的課程，開展研究性教學的實踐探索，具有重要意義。本文主要總結我校傳感器與檢測技術課教學團隊根據該課程和控制類專業大學生能力結構需求的特點，開展研究性教學的實踐探索的經驗，以進一步促進該課程教學和控制專業的人才培養工作。

二、傳感器與檢測技術課程及其在控制專業大學生科研能力結構中的地位

1.傳感器與檢測技術課程概況。傳感器是一種獲取信息的檢測裝置，能感受被測量的信息，并將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以進行信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄或者實現對系統的控制。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。檢測技術則是關于應用傳感器，實現對被測量進行測量的方法和過程，傳感器與檢測兩者緊密相關。傳感器與檢測技術是現代科技的前沿技術，是自動化和信息化的基礎，是高等院校自動化、探測、測試等專業的重要基礎課程。傳感器與檢測技術涉及到多種物理量、化學量、生物量等的測量、變換和處理。該課程涉及到物理學、化學、測試計量學、電子學、機械學、通信、計算機、自動控制、儀器儀表等眾多學科，課程內容涉及的知識面廣，應用廣泛，其理論和實踐性都很強，對學生今后的工作將起到十分重要的作用，因此，國內外高校都非常重視這門課程的教學工作。傳感器與檢測技術課程的基本特點是：實用性強，理論與實踐密切結合、綜合性較強，但不同傳感器、不同被測量的檢測技術之間獨立性強。這些特點導致傳感器與檢測技術課程的傳統課堂教學容易偏重原理知識的傳授和傳感器應用的概貌介紹，知識點零散。

2.控制專業大學生科研能力結構及傳感器與檢測技術課程在科研能力培養中的作用?？刂茖I主要目標是培養具有扎實的控制科學與工程、計算機應用等較寬廣領域的工程技術基礎和專業知識，具有獨立獲取知識、提出問題、分析問題和解決問題的能力及開拓創新的精神，具有較好的系統分析、系統設計、系統運行、科學研究、技術開發能力的高素質的自動化領域的高級工程技術人才。從能力結構的構成看，追求自我提高和創新的意識、科學研究能力共同構成了大學生能力結構的核心，這兩個方面可概括為發現問題、解決問題的主觀能動性以及解決具體問題的能力。前者包括主動學習、自覺研究、自我提高和完善的意識等要素。在解決具體問題的能力方面，控制專業大學生應該具備科研能力，包括設計開發能力、實踐能力。科研能力居于大學生能力結構的最高層次，大學生的科研能力也成為衡量大學生質量高低的重要標準。傳感器與檢測技術課程作為控制專業大學生的重要基礎課程，該課程是控制專業課題體系中，系統、全面地介紹物理量檢測中的數據處理基本方法、傳感器原理、被測量檢測技術的課程，該課程注重理論基礎知識的積累，注重實用工程測控技術和先進科學方法的培育，能夠較好地鍛煉學生分析和解決工程實際問題的能力。該課程與控制系統原理緊密相連，共同構成了控制系統分析、設計與綜合的課程體系主干。從控制專業的課程設置看，傳感器課程一般安排在控制系統原理之后?？刂葡到y原理的重點在于系統的分析，側重于系統分析的理論與方法，而傳感與檢測技術課程內容可以與控制系統原理有機銜接，將傳感器的原理與被測量的檢測技術融入到控制系統的綜合設計，在控制系統綜合設計的背景下，進行傳感器與檢測技術的研究性教學，從而促進大學生科研能力的培養，在培養學生綜合運用所學知識解決實際問題的過程中，實現大學生對解決實際問題的過程體驗，激發大學生創新實踐的主動性。

三、傳感與檢測技術課程的研究性教學方案與實踐探索

研究性教學作為一種以“問題和需求”為中心的教學，相對于傳統教學，更關注“問題”及其存在背景與條件，關注解決“問題”的必要性與意義。研究性教學是通過對“問題”的追問和尋求問題解決方法的過程中構建教學和學習的方法。

1.傳感與檢測技術課程的研究性教學方案設計原則。根據研究性教學的理念，在傳感與檢測技術課程研究性教學方案設計中，課程教學小組在已有的課程教學內容體系中，分層次引入問題和需求，多角度對比解決方案，強調多學科交叉的綜合研究方法，實踐探索方案的原則如下：（1）結合背景需求，從工程問題、科學問題、研究和解決問題的手段等層次，逐步引入問題和闡述問題，啟發學生從實際對象的需求出發過渡到對問題的深入思考。（2）在知識的關聯方面，以典型的航空航天飛行器系統為實例，以飛行器任務目標為核心，將載荷、信息傳輸、飛行控制、導航制導等飛行器子系統以及航空飛行器設計中的多個相關學科研究的問題以及關聯有機串聯起來。（3）在課程內容教學中，針對典型的教學內容，突破教材現有內容，引入傳感器技術的最新發展和成果，借助某些典型傳感器專項開展深入研究性學習，基于現代計算機仿真軟件，分析傳感器測量電路的原理以及電路參數對電路的影響，闡述實際使用過程中的設計手段。

2.傳感與檢測技術課程的研究性教學實踐探索。（1）重視課程緒論的總體引領作用。緒論是每門學科教學的第一課，緒論課說明課程的性質和主要任務，對教學內容的概括性、對教學目標的導向性、對學生學習的引領性都至關重要，是建立起課程整體概念的關鍵。對于傳感器與檢測技術課程，教師應當抓住該學科最基本的特征來闡述，重點要把傳感器與檢測技術的作用和地位恰如其分地展示給學生，具體教學過程中，主要有以下實踐：突出傳感器技術的高精度、小型化、智能化、集成化等學科前沿特點。選取某些具體傳感器，如以原子陀螺、高精度微小型MEMS傳感器、美國開展的基于靜電陀螺的廣義相對論驗證計劃等為例，從這些傳感器背后為學生所熟悉的經典的力學定律入手，讓學生認識到已有的基礎，并進一步闡述出學生所不熟悉的基于現代高精尖技術的對力學定律的應用手段，以此為學生體會到現代技術手段在理論與實踐之間的橋梁作用；突出專業背景特色。傳感器與檢測技術應用領域涉及到科研、工程及日常生活的方方面面，在進行傳感器應用及地位闡述中，難以面面俱到，需要結合各專業的背景特色來展開。在實際教學中，我們從傳統的飛機上對多種物理量的測量需求入手，逐漸過渡到X-43臨近空間高超聲速飛行器、X-37跨大氣層再入式飛行器等美國正在進行試驗的最新飛行器的飛行特點及其對傳感器和檢測系統的需求。從我國探月工程、發達國家深空探測的目標（增強對未知對象的認識）角度，讓學生體會相關傳感器和檢測系統作為這類大工程的有效載荷、獲取觀測對象的信息的重要地位。通過學習緒論，便于學生從宏觀上建立起這門課程的總體認識，體會到課程的重要性與意義，激發起他們強烈的求知欲望，增強了學習動力。（2）教師科研成果進課堂，培養學生對實際問題解決過程的體驗認知。南京航空航天大學控制專業的傳感器與檢測技術課程任課老師屬于南京航空航天大學導航研究中心，在承擔課程教學任務的同時，承擔大量的飛行器導航與傳感系統及其應用技術方面的科研工作，與我國航空航天等領域的研究機構保持了緊密的聯系，在慣性傳感器、慣性導航系統、MEMS慣性姿態測量、衛星導航、飛行器大氣數據傳感系統、多信息融合技術等方面具有深厚積累。任課教師的研究工作為傳感器與檢測技術課程的研究性教學創造了良好的條件。在教學中，可以將實際工作中的慣性傳感器誤差建模、傳感器的溫度誤差補償、傳感器數據采集與分析等解決實際工程問題的試驗場景、過程、數據、結果等情況以及開展相關工作的標準規范充分地展示給學生，也可以以科研過程中的某些具體工作為依托，安排設置試驗。最新的科研成果，與工程實踐的聯系緊密，有利于培養學生的實踐能力，增強學生對科研過程的體驗。（3）以點帶面，加大授課內容的層次深入，通過圍繞問題的多學科知識與方法的討論，培養學生解決問題的綜合能力。傳感器測量電路是傳感器的重要組成，負責將轉化元件輸出的電量變換成可直接利用的電信號。傳感器測量電路是傳感器與檢測技術課程教學的難點之一，這主要是因為教材中給出的測量電路，絕大部分都是原理上的，是定性的，這對學生將來使用傳感器來說是遠遠不夠，更主要的是，如果不給學生明確這樣教學內容的不足，還會給學生形成傳感器使用的錯誤認識。針對傳感器測量電路教學，我們基于計算機輔助設計軟件，開展了測量電路的教學。教學中，補充Multisim電路仿真軟件的使用，使用Multisim搭建電路傳感器的多種測量電路原理圖，設置不同的電路元件參數，對電路進行仿真，對比分析電路元器件參數的變化對電路輸出信號的影響。通過這樣的教學，可以進一步明確教材中很多沒有明確參數條件的測量電路的輸出信號表達式的條件范圍。通過這樣的過程，可以培養學生的質疑精神以及獨立探尋的能力。（4）以新知識、新成果豐富教學內容，促進學生對技術發展和工程應用的思考。電感傳感是一項非接觸傳感技術，可用來測量位置、運動以及金屬或導體目標的構成，電感傳感器耐灰塵、污垢、油和潮濕惡劣環境。電感傳感器是經典的傳感器之一，在教材和傳統的認識中，傳統的電感傳感器需要線圈、銜鐵等結構，體積大，難以進行精密的測量。然而，2013年美國TI公司發布對電感傳感器具有革命意義的數字式轉換器LDC1000，該轉換器的應用中，為電感傳感器的設計尤其是線圈的設計注入了全新的思想，線圈形式的變化帶來了線圈工藝的變化，平面的線圈結構可以采用PCB的設計與加工工藝，線圈僅需要在PCB板布線時設計成所需要的線型，結構的可靠性、工藝的一致性帶來了傳感器性能的巨大提升，使得電感傳感器可以實現亞微米級的微小位移測量，此外，極低的成本代價進一步提升技術的競爭力。這樣最新的成果在現有的教材中是沒有的，任課教師只有關注這些新技術的發展，才能將最新的科研成果引入到教學中，同時在這些最新成果的介紹中，突出新成果的產生背景，相比于傳統技術的創新點，引導學生從多個角度審視成果的進步和技術的發展。（5）引導學生深入關注和研究被測對象的特點，建立傳感器與檢測技術應用的理念。被測對象的特點對于實現測量目標的難易程度有直接的影響，因此，在被測量的檢測中，傳感器如何有效使用至關重要。研究被測對象，根據被測對象的特點和測量目標應用傳感器，設計檢測系統是學習傳感器與檢測技術的核心目標。以當前傳感器與檢測技術教材中的壓力檢測為例，壓力檢測的傳感器的選擇以及壓力傳感器的安裝、通過有限個壓力測量點的測量結果來有效反演整個壓力場的特征參數是壓力測量中必須關注的問題，這樣的問題涉及到多個學科交叉與綜合優化的問題，課程教學中，應該指明學生進一步自主學習的方向。壓力測量是航空飛行器的大氣數據系統的核心問題。大氣數據系統來測量、計算指示空速、真空速，氣壓高度、馬赫數、大氣總溫、大氣靜溫、攻角與側滑角等多個飛機飛行參數，大氣數據系統輸出的信息很多，但其直接感測的信息主要是大氣的壓力、溫度等。就壓力測量而言，國內外的壓力傳感器已達到相當高的精度，如市場上0.05%的壓力傳感器已不少見，但對飛機而言，大氣數據系統的結構仍在不斷演化，在不同的飛機上，通常有各種獨特的設計，這主要是由飛機的流場特性決定的。對飛機流體力學特性的掌握，是大氣數據系統在現代飛機設計中的難點與進行系統優化的關鍵點。關于流體力學特性的學習和了解，需要通過計算流體力學（CFD）的仿真計算和通過風洞進行試驗。從專業劃分的角度，這已屬于流體力學專業的內容，但這些特性對大氣數據的影響則在大氣數據系統上反映出來。因此，雖然專業劃分有界限，但物理過程的影響并不受專業劃分的約束，對于學科交叉領域的問題，多個學科都應該共同關注。

四、結語

本文分析了傳感器與檢測技術對控制專業大學生能力培養的作用，針對控制專業的傳感器與檢測技術的課程特點，闡述了我們開展研究性教學的方案原則與五個方面的實踐探索，需要說明的是這些實踐與該課程傳統的學習是結合起來的，目前的實踐是對傳統的教學過程的補充。課程結束后的授課情況調查表明，大部分學生認為該課程學習對于開拓學生思路很有用，盡管有些方面如交叉學科的知識，教學過程中沒有展開，但對學生的看待問題的思路起到了很好的開拓作用。研究性教學作為一個教學原則，本身并無具體形式要求，研究性教學本身就是在創新人才培養目標下的一個探索與優化控制的過程，只要有利于學生的能力發展、有利于學生科學素養的養成和提高，在教學內容、教學手段、教學方式等多個層面，我們都可以也應該深入開展研究、實踐，并根據學生的反饋以及對教學效果的評價，不斷優化。

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