傳感器原理課程實踐教學改革與探索

林宏+周傳璘+雷麗+馬洪華

摘要：目前，傳感器原理課程實踐教學中驗證性實驗的比例過高，對于學生動手能力的鍛煉嚴重不足，不能滿足當今時代的發展要求。通過提高綜合設計性實驗比重；壓縮理論課時，增加實踐課時；以及開設課程設計等對傳統實驗教學內容進行完善和補充，同時還需要采用開放式教學、項目式教學、借助輔助實驗教學平臺等新方式轉變傳統傳感器原理課程的實驗教學方法，大力提高學生的實際動手能力，滿足當今高校學生實踐學習的迫切需求。

關鍵詞：教學改革 實踐教學 傳感器原理 學習需求

目前，傳統的《傳感器原理》實驗課程中驗證性實驗的比例過高，幾乎達到80%甚至更高，對于鍛煉學生思維能力、創新能力和動手能力存在嚴重的不足，不能夠滿足當今高校學生實踐學習的迫切需求。同時，由于很多地方性高校逐漸向工科型、應用型轉變，以及當今社會對工程技術型人才的迫切需求，使得實驗課程教學形式和教學內容也要相應發生很大的轉變，需要大大提高實踐課時比重，轉變傳統的實驗教學方法，重視學生動手能力和創新能力的培養，因此迫切需要對傳統的《傳感器原理》課程實踐教學進行改革和探索。

一、實踐教學中出現的問題

1.驗證性實驗的比例過高

高校中部分專業將《傳感器原理》課程列為必修課程，相應的實踐教學一般開設10個左右的實驗項目，而部分專業將《傳感器原理》課程列為選修課程，相應只開設5個左右的實驗項目。作為選修課時，《傳感器原理》課程的實驗項目通常為：“電阻應變式傳感器實驗”“差動變壓器式傳感器實驗”“電感式傳感器實驗”“電容式傳感器實驗”“光電傳感器測轉速實驗”。這5個實驗中，除了“光電傳感器測轉速實驗”為設計性實驗外，其余4個都是驗證性實驗，驗證性實驗的比例占到80%。作為必修課時，《傳感器原理》課程的實驗項目除了上述5個通用實驗都要做外，一般還增開：“電渦流傳感器實驗”“霍爾式傳感器實驗”“光纖位移傳感器實驗”“磁電式傳感器實驗”“壓電式傳感器實驗”。

這5個實驗中，除了“霍爾式傳感器實驗”為綜合性實驗、“光纖位移傳感器實驗”為設計性實驗外，其余皆為驗證性實驗，總的驗證性實驗的比例也達到了70%。而《傳感器原理》課程具有較強的實踐性，特別注重傳感器應用等方面的訓練，簡單的驗證性實驗教學方式不能很好地培養學生的實踐能力，無法做到使學生真正理解與掌握全部知識點。這些都直接影響到學生的綜合能力和創新能力的培養和提高，遠遠不能滿足高校學生畢業后實際工作的需要。

2.社會的需要會引起實踐教學的轉變

《傳感器原理》課程教學一般分為兩大部分同時進行，一部分是理論教學；另一部分是實踐教學。在傳統的教學模式中，主要以課程講解為主，理論教學所占學時遠多于實踐教學學時。但是，隨著現代技術的飛速發展，這種過于側重理論教學的模式越來越不利于培養學生的創新意識及創新能力，難以提高學生主動參與的興趣，不利于學生基礎知識及基本技能的掌握。另外，隨著社會的發展，越來越需要大量的工程技術人才，同時大批地方性高校逐漸向工科型、應用型轉變，需要培養更多的工程型、應用型人才，因此迫切需要當今高校轉變培養人才的思路，修訂人才培養方案，提高實踐課程的比重，增強學生實際動手能力的培養，使得培養的人才能夠滿足當今社會的需求。因此，在當前的時代背景下，傳統《傳感器原理》課程實踐教學必然不能滿足現在的教學要求，需要進行大規模的轉變與改革，課程教學應該實現理論教學和實踐教學并重，同時提高實驗課程中綜合性實驗和設計性實驗的比重，要求達到50%以上。

二、實踐教學內容的改革

1.增加實踐教學內容，提高實踐課時量

目前，很多高校的《傳感器原理》課程如為選修課時，其實驗部分設置為：15學時，一般每個實驗項目大約3個學時左右，只能開設5個實驗項目；如為必修課時，其實驗部分設置為：30學時，可以開設10個實驗項目。上述實驗學時和能開設的實驗個數相對偏少，可以考慮分別增加6個學時，這樣《傳感器原理》課程如為選修課學時就能達到21學時，能開設7個實驗項目；如為必修課學時就能達到36學時，就能開設12個實驗項目。在通常開設的傳感器原理實驗項目的基礎之上可以考慮增開兩個實驗：“PN結溫度傳感器測溫實驗”，以及“光敏電阻測光強實驗”。這兩個實驗都屬于綜合設計性實驗，而且也和實際生活中的應用結合的比較緊密。增加實踐教學的內容，提高實踐教學的課時量，能夠大大滿足學生的日常學習需求，有利于提升學生的實際動手能力，為學生掌握一技之長提供有力的幫助。

2.將驗證性實驗轉變成綜合設計性實驗

通過添加內容、變更實驗目的、調整實驗步驟、更改實驗類型，或者重新設計實驗方案等方式可以將傳統的驗證性實驗轉變成綜合性或者設計性實驗。例如，針對傳統的驗證性實驗“電阻應變式傳感器實驗”，通過合適的操作可以將其轉變成綜合設計性實驗。該實驗主要通過在傳感器實驗箱上連線，分別測量和驗證單臂式、半橋式、全橋式電阻應變傳感器的性能，比較它們各自的輸出特性，驗證《傳感器原理》課程理論教學第三章“應變式傳感器”中的內容，屬于標準的傳統意義上的驗證實驗。要想將該實驗轉變為綜合設計性實驗，必須和該傳感器的應用結合起來，讓學生自己動手設計實驗方案、實驗步驟。老師只需要事先制定好實驗目的、測量范圍和測量精度等具體指標，剩下的全部由學生自由發揮。針對上述實驗，可以由應變式傳感器可以測量重量的應用，設計的新實驗名稱可以為“利用電阻應變式傳感器自制電子天平實驗”。實驗目的：利用電阻應變式傳感器設計一種簡易便攜式電子天平，并能夠測量身邊一些小物體的質量，如手機、水杯、書本等。測量范圍：100克～1000克；測量精度要求達到1克。實驗材料：金屬箔式應變片8個；電阻、電容、電感、導線若干；砝碼若干；托盤2個。這樣學生在做這個實驗的時候，就需要先設計實驗方案，論證3種常用電阻應變式傳感器測量電路中哪一種能夠滿足實驗要求，加強對單臂式、半橋式、全橋式電阻應變傳感器使用方法的認識，熟練應用書本上的理論知識。通過自己設計方案，自己設計電路，自己連接電路，自己測量結果等步驟，能夠大大提高學生在實踐訓練的效果。

另外，可以將“差動變壓器式傳感器實驗”轉變為綜合設計性實驗，將該傳感器和它的應用聯系在一起，設計的新實驗名稱可以為“利用差動變壓器式傳感器設計一種加速度測量裝置”。這樣5個選修課實驗項目中，就有3個實驗屬于綜合設計性實驗，綜合設計性實驗比例達到60%。同時，也可以將“電渦流傳感器實驗”轉變為“利用電渦流傳感器設計一種測厚裝置”、將“磁電式傳感器實驗”轉變為“利用磁電式傳感器設計一種測轉速裝置”、將“壓電式傳感器實驗”轉變為“利用壓電式傳感器設計一種測力裝置”。這樣10個比修課實驗項目中，就有8個實驗屬于綜合設計性實驗，綜合設計性實驗比例達到80%。

3.開設傳感器原理課程設計

傳統的《傳感器原理》課程實驗環節時間相對分散，實驗內容相對淺顯，對于鍛煉學生的實際動手能力，提高學生的創新性思維和創造力有所不足，可以考慮開設《傳感器原理》課程設計。課程設計屬于集中實踐環節，主要利用1～2周的集中時間，來讓學生完成實踐訓練任務，實踐訓練效果相對明顯。針對《傳感器原理》課程設計，可以考慮設計1～2個實踐訓練項目，提高學生的綜合實踐能力。例如一個常用的訓練項目名稱為：“設計一種汽車自動測速及報警裝置”。該訓練項目綜合考察學生對各種傳感器的熟練掌握程度，用于測量速度、轉速的常用傳感器有：電渦流式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、磁電式傳感器等。另一個常用訓練項目名稱為：“設計一種木板或紙張厚度測量裝置”。該訓練項目綜合考察學生對各種測厚傳感器的熟練掌握程度，常用的測厚傳感器有：電容式傳感器、電渦流式傳感器、霍爾式傳感器等。在課程設計過程中，老師為學生提供各種可選的傳感器、常用電子元器件、電烙鐵，以及相應的測量設備，如示波器、信號源等，學生利用1～2周的集中學習時間，完成相應的訓練項目，最后老師對學生的作品進行統一測試和打分。

三、實踐教學手段的豐富

1.進行開放式教學

目前，傳統的《傳感器原理》課程實驗教學中，每一個實驗項目3個學時，每個學時45分鐘的課堂時間，一次實驗大約135分鐘時間，一般任課教師上完一次實驗課后就要關閉實驗室，學生如果沒有做完也沒有時間另外補做。如果采用實驗室開放式教學就可以避免這些問題，而且可以使得教師和學生都能合理安排自己的時間，提高工作和學習效率，非常符合當今時代的教學模式。實驗室隨時向學生開放，學生采取提前在網上預約做實驗的時間，到時候憑刷卡進入，實驗室一般不安排教師值班，只用攝像頭監控即可，老師只在集中指導時間、答疑時間或者考核時間才到實驗室。學生可以根據自己的學習進度和時間安排，合理選擇時間去實驗室做實驗，而且實驗順序也可以自由調換，不再拘泥于老師的固定安排，同時也為學有余力的學生提供了便利，他們可以選擇做更多的實驗，或者做自己喜歡的訓練項目。

2.進行項目式教學

將《傳感器原理》課程的實驗內容和老師的科研項目或者教學項目結合起來，也可以由老師設計部分實驗項目，這樣就使得實驗內容更加接近生產、更加接近應用，對學生的鍛煉也更加具體化、實際化，同時還能夠帶來生產效益。例如，老師可以將自己主持研究的橫向項目“為博物館設計一種玻璃破碎報警器裝置”，合理分割細化成學生的實踐訓練項目，通常玻璃破碎報警器可以用應變式傳感器或者壓電式傳感器來設計。利用現有的科研項目或教研項目，讓學生在老師的指導下完成某個小項目，這樣就能夠使得學生的日常實踐訓練中更有針對性、更有目標性，能夠起到更大的實際鍛煉作用，為學生以后找工作、考研等提供更大的幫助和指導。

3.與其它實驗教學平臺相結合

《傳感器原理》課程的實驗開設內容或者實踐訓練項目需要與其它課程相結合，并借助其它輔助實驗教學平臺，可以大大擴展實驗的內容，更加接近企業的生產實訓，有利于提高學生的綜合素質，對于就業、考研產生很大的幫助。常用的實驗教學輔助平臺有：FPGA開發板、單片機開發板、虛擬儀器仿真系統等。例如，利用FPGA開發板結合超聲波傳感器、紅外傳感器、光電傳感器等，可以設計開發出應用于汽車智能駕駛的“自動循跡避障防撞保護系統”。利用單片機開發板結合壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器等，可以設計開發出應用于家用太陽能熱水器的“水溫保溫及進出水控制系統”。利用虛擬儀器仿真系統可以簡化現實儀器的臺數，或者開設由于成本較高而未采購的實驗儀器相關實驗課程，有效節約教學資源。利用傳感器作為信號采集單元，虛擬儀器仿真系統作為數據處理和信號接收的終端，通過電腦上的虛擬儀器仿真系統就可以有效觀察到傳感器采集信號的波形、周期、頻率等數據。虛擬儀器仿真系統能夠有效代替示波器、頻譜儀、光譜儀、波長計、功率計、能量計、矢量分析儀等實驗檢測設備。利用虛擬儀器仿真系統中的光譜儀、波長計、功率計等模塊，結合光電傳感器，可以設計出“激光器輸出波長及功率實時檢測系統”。通過將各種實驗教學輔助平臺與《傳感器原理》課程的實踐教學相結合起來，可以實現很多復雜、傳統實驗無法開設的、成本昂貴的實踐訓練項目，能夠使得學生的實踐訓練更加接近工程化、應用化、生產化。

四、總結

對實踐教學內容進行合理設計，提高綜合設計性實驗的比重，增加實踐課時量，以及開設課程設計等方式可以對現有《傳感器原理》課程的實踐教學內容進行改革和完善。同時，在實踐教學中采用開放式教學、項目式教學，以及借助實驗教學輔助平臺等方式，能夠有效轉變傳統實驗課程教學中的不足之處。通過上述改革，在一定程度上可以對鍛煉高校學生的思維創新能力和實際動手能力提供有效幫助，滿足學生對于提高自身綜合素質的迫切需求。

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