關于傳感器技術課程的一種遞進式應用型教學實踐

詹莊春，史春笑

關于傳感器技術課程的一種遞進式應用型教學實踐

詹莊春，史春笑

（華南農業大學珠江學院，廣東 廣州 510900）

針對目前一般本科高校應用型教學改革現狀，提出一種傳感器技術課程的遞進式應用型教學方案，旨在尋找一種適合獨立院校電氣類工科學生的教學模式。融合多種教學方法展開教學，厘清傳感器原理教學邏輯線，構建獨立的傳感器測量電路，進而在課程設計過程中有意識地培養學生的邏輯思維能力。經過一個學期的教學實踐，相關理論知識得到了有效應用。

傳感器技術；教學現狀；遞進式；應用型

問題的提出涉及三個方面：傳感器技術課程的特點，獨立學院工科學生的知識水平和應用型教學改革現狀。首先，傳感器種類繁多，結構原理各異，分類標準也不一，造成理論缺乏連續性和系統性，而且傳感器只有結合其它電路才得以廣泛應用，即貫穿課程教學始終的一條邏輯線很難找到。并且，作為獲取信息的源頭，傳感器最貼近生活，對實踐要求最高，由此形成一個矛盾點，即關于傳感器技術的獨立操作系統很難找到。其次，就獨立院校電類工科生來講，根據筆者多年的經驗，一般認為其優點是對實踐比較敏感，模仿能力強，缺點是邏輯思維不強韌，理論分析能力較弱。例如，在直流電機雙閉環調速控制系統實驗中，學生很快完成了復雜的電接線并獲取測試數據，而在課程設計中，對其電樞電流信號和電機轉速信號的檢測不知所措，缺乏進一步學習與思考的動力。學生與學生之間在知識儲備交流方式、學習態度、自我預期等方面，存在極大的差異，使教學氣氛易受干擾。最后，在應用型教學改革過程中，出現了許多有價值有意義的教學方法。例如項目驅動式教學法[1]和任務驅動式教學法[2]，其與傳統的“理論——習題——實驗”相反，采用了“項目（任務）——模塊（問題）——原理（方法）”的教學過程，激發了學習興趣，不足之處是傳感器之間的關聯甚少。再如翻轉式課堂教學法[3]，其與傳統的“課堂上教師的知識講授—課堂下學生的知識內化”相反，采用了“線上網絡資源共享——線下課堂作業討論”的教學模式，優點是知識傳遞不再受時空限制，凸顯了學生主體的角色地位，加強了交互學習氛圍，不足之處是起點要求高，即要求學生具有自我管理的學習能力。

綜上所述，現以傳感器技術為課程對象，以應用為目標，在課堂內外分別穿插對比式教學[4]和體驗式教學[5]，正確處理實踐與理論的關系，為教學的可持續發展創造條件，故擬定一種遞進式應用型教學實踐方案，具體步驟如下。

一、基本理論應用型教學

以線圈“電磁感應”為例：關聯高中物理理論知識，動畫展示繞組線圈通電產生磁場的現象，對直流線圈產生穩定磁場與交流線圈產計算式中的參數值，即可制作出相對不同場合應用的傳感器

另一方面，變化的磁場即磁能一旦改變，就會有另一種形式的能量即電能出現，稱之為能量轉換。根據能量守恒的自然規律，可推及其他能量與電能之間的相互轉換，其轉換方式有直接或間接的。由此衍生出了熱溫式，光線式，聲波式等傳感器。

綜合兩方面內容，厘清傳感器基本工作思路，即輸入被測量——電磁參量——能量轉換——輸出量，稱之為傳感器原理教學邏輯線。

為了輔助學生養成良好的學習行為慣性，有必要進一步小結各個傳感器的工作原理。例如生變化磁場進行比較，然后提問什么磁場才能感應出電勢，再問為什么不提直導線通電產生磁場，容許同學們討論之后，教師答疑——均勻散布在直導線上的電子等效磁疇所產生的磁場可忽略不計，并且電磁相輔相成，兩者近似成正比關系，從而解釋“電生磁與磁生電”現象的本質，稱之為電磁感應。緊接著，電磁特性即總磁通與電流之比采用電感系數表示，簡稱電感L，假設線圈匝數為n，其中通以交流電I，根據磁路歐姆定律，經簡單代入計算得出電感值，磁電特性即感應電勢與變化的磁場之比，根據作用與反作用的自然規律，可知感應電勢與輸入電流方向相反，故磁電特性系數等于-1。最后，劃出兩個重要知識點，一是電磁效應，二是磁電效應。

一方面，聯系電阻和電容等知識點，將電磁參量計算式一并列表1，參數均采用標準單位。

注：ρ——電導率，μ——磁導率，ε——介電常數，l——長度或間距，s——截面積或覆蓋面積。

由表1可知，電磁參量只與材質及其結構參數有關，而與外部輸入輸出信號無關。通過改變霍爾傳感器，其工作原理可小結為霍爾效應，見表即某結構尺寸的半導體薄片通以工作電流，并置于磁場中，若電流方向不與磁場方向重合，則運動電荷受到磁場洛侖茲力的作用發生遷移，從而在垂直于電流和磁場的正交方向上形成霍爾電勢。再例如電位器式傳感器，其工作原理可小結為表2，即通過移動電位器滑動端而改變接入輸出電路部分的電阻值。前述三種情況，一并歸納如表2～4所示。

為了檢驗教學效果，同時為了更好的記憶，在此舉幾個實際應用的例子，來促進學生思考。例如：選用何種傳感器可發送并接收超聲波信號？經過比較，一般有兩種選擇，以此深化理解正逆壓電效應和壓磁效應以及磁致伸縮效應。又例如：何種傳感器能測轉速？除了霍爾傳感器和光電傳感器以及磁電傳感器，還可提前引介增量編碼器。諸如此類，可引領學生對以前所學拾遺補缺，還可讓學生對后續內容感覺理所當然。

電阻 磁 電感Rsρ=le e e Rsμ=lm m m Cl=εsc c 2 LR=∑n mi i=1

表2 改變電阻參量的傳感器工作原理小結

表3 改變電容或電荷參量的傳感器工作原理小結

表4 改變磁阻或電感參量的傳感器工作原理小結

二、測量電路應用型教學

傳感器將被測量轉換為另外一種物理量，一般得出的信號比較粗糙，例如信號很微弱或含有干擾信號等等，對此還需進行調理。將帶有信號調理電路的傳感器稱為廣義傳感器，或稱為傳感器獨立測量電路，簡稱測量電路。在測量電路中，傳感器作為一個元件，我們關注更多的不再是其內部結構原理，而是其輸出量與被測量之間的關系，即外特性。

首先，采用案例教學法，分別給出幾個典型的實際案例如下：①電阻液位計測量電路，②交流應變電橋振動監測系統測量電路，③磁電轉速計測量電路，④差動變壓器式加速度測量電路。再結合實際，對傳感器初始信號應作如何調理的問題展開討論，分析比較其中的相同點和不同點。最后在宏觀上把握幾個關鍵環節：被測對象——傳感器——電橋電路——補償電路——放大電路——相敏整流或解調電路——低通濾波電路——指示單元，稱之為傳感器測量電路教學邏輯線。

同理，為了輔助學生養成良好的學習行為慣性，有必要對幾個關鍵環節的典型電路進行小結。實際應用的電橋電路應具有調零和調滿量程的功能，有條件的傳感器一般做成差動式結構，可對零點或溫度干擾起到補償作用，電橋輸出信號為電流或電壓。放大電路采用兩級差分結構，可提高輸入阻抗，增強共模抑制能力，且增益可調。相敏檢波采用相加式全波電路，由四個特性相同的二極管沿同一方向串聯成一個橋式回路，橋臂上附加電阻，用于橋路平衡，要求載波二次輸出幅值大于調制波二次輸出幅值。低通濾波可由簡單的阻容電路構成，幾個典型電路如圖1所示。

在把握了幾個關鍵環節的典型電路之后，為提高教學效果，以教學中的幾個案例作為任務驅動，例如案例①的測量電路可參考圖1中(a)(b)(d)三個環節進行設計，實際操作可參考浙江天煌科技實業有限公司THSRZ-2傳感器系統實驗動畫，等。實驗或仿真均可視為自我體驗式教學，有了大致的設計框架，學生有自信，會感興趣，因此可充分利用實驗室的設備資源，或借助電路仿真軟件搭建相關電路模型。

三、課程設計應用型教學

傳感器輸出信號經過調理還不一定就能直接可用，“信號直接可用”什么意思？就此問題引發討論，例如速度只有顯示出來才可直接作為司機行車控制的依據，由濕度信號引起的繼電器開關才可直接控制汽車擋風玻璃自動去濕系統加熱絲是否加熱，等等。經歸納可知，傳感器主要應用于測控系統中，由此上升到了課程設計應用型教學。

首先，工業標準電壓信號為1～5V，電流信號為4～20mA，為此傳感器測量信號有時需要轉換，例如電阻/電壓轉換、電容/電壓轉換、電流/電壓轉換、電壓/電流轉換。

其次，對關聯性較強的知識進行匯總。一方面是與數字顯示相關的數字電路，例如施密特觸發器將各種模擬輸入信號轉變為規則的矩形脈沖，觸發器對脈沖輸入信號進行邏輯判斷，模數轉換器可將電壓信號轉換為數字信號，數碼管及其驅動和計數器一起完成脈沖個數顯示功能，等等。另一方面是與驅動控制相關的模擬電路，例如功率放大器、雙限比較器、繼電器、伺服電機、交直流電機等，與數字信號不同，電氣電路之間的模擬信號特別需要注意參數匹配的問題。

然后，選題。現學習階段處于第四學期，電氣類工科學生學過的相關課程有數字電子技術和模擬電子技術以及電機學等，而單片機和自動控制原理以及電力電子技術等還沒學。為體現出實訓效果，硬件結構設計要求易于實現且成本低。采取傳統式傳感器，系統應具有較強的實用性。依據上述，選題如表5所示[6]。

圖1 在傳感器信號調理電路中幾個關鍵環節的典型電路

表5 傳感器技術課程設計選題

最后，設計與指導。提出要求：1）確定系統設計方案；2）畫出硬件結構圖；3）繪制系統電路原理圖；4）電路試驗與仿真；5）電路參數計算及元器件選擇；6）搭建硬件結構，焊接電子元器件；7）電路測試，系統調試；8）撰寫設計報告，答辯。給出必要的提示：1）滯回比較器可實現三種大小球的分揀；2）利用晶振自制秒信號發生器。

四、結束語

應用型教學主要是指教學始終以應用為導向，單純的認為“理論夠用就行了”是不對的，理論不是靜態的，它應隨應用的廣泛深入而不斷延伸。本著“理論夠用”的原則，許多教學改革裁掉了關聯性較弱的理論。理論雖然變少了，而且還有變少的趨勢，可是理論的學習效果就一直不怎么好，以至于談及理論就畏懼。原因主要就是學生思維一直處于自由散漫的狀態。對此，筆者作為一線工作者，特別有意識地培養學生的邏輯思維能力。經過一學期的學習與實踐，學生對各種傳感器原理表示能夠理解，對傳感器測量電路能夠作出合理的選擇，對傳感器技術課程的學習有較強響應。

教學內容方面的改革：教材好并不意味著教材內容的編排就一定符合教學內容的安排，在素材選取和教學設計的過程中，教師無疑是一位學習者。平常儲備的例題和案例，在課堂教學中得到了穿插使用，增強了教學的靈活性和課堂的相對完整性。

教學主體地位的轉換：特別在課程設計過程中，教師應起到一個管理和輔助的作用，提出問題之后引導大家相互討論，始終保持實訓室具有一種輕松活潑的學習氣氛。

[1]袁向榮.項目驅動教學法在“傳感器與檢測技術”課程中的應用[J].中國電力教育,2011,(26):92-93.

[2]周梅梅.任務教學法在傳感器技術課程中的應用[J].天津職業院校聯合學報,2017,19(1):85-88.

[3]林紅,曲波,黎穗瓊.基于翻轉課堂的傳感器原理教學探討[J].教育教學論壇,2017,1(2):166-167.

[4]徐科軍.注重比較方法講授“傳感器與檢測技術”課程[J].教育教學論壇,2016,3(10):170-171.

[5]沈志輝.高中物理課堂“體驗式”教學的實踐與優化[D].上海:上海師范大學,2016.

[6]劉利秋.傳感器原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2015：96.

On a Progressive Applied Teaching Practice of Sensor Technology Course

ZHAN Zhuang-chun, SHI Chun-xiao
(Zhujiang College, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong510900)

A progressive type applied teaching scheme based on the sensor technology is proposed in view of the present practical teaching reform situations in general undergraduate colleges and universities. The purpose is to find a kind of teaching mode which conforms to the independent college electrical engineering students. Teaching is carried out by a variety of teaching methods. Teaching logic line on sensor principle is clarified. A separate sensor measurement circuit is built. And the logical thinking ability of students gets especially consciously trained through the curriculum design.

sensor technology; teaching current situations; progressive type; applied type

TP212.9

A

1671-9654(2017)04-0052-04

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.04.013

2017-09-21

詹莊春（1978- ），男，江西鄱陽人，講師，工學碩士，研究方向為電氣自動化。

史春笑（1970- ），女，河北棗強人，副教授，研究方向為控制工程。

本文為2017年華南農業大學珠江學院第五期教育科學研究項目“利用Multisim搭建電氣類多門課程實訓平臺”（編號：20170508002）和2015年廣東省本科高校人才培養模式創新實驗區項目“建立‘333’交叉融合培養模式，切實提高電氣工程及其自動化專業應用型人才培養質量”（編號：1318）階段性研究成果。

［編校：張芙蓉］