“傳感器與檢測技術”項目教學法探索與實踐

鄭春嬌　趙越嶺　姜丕杰

摘要：針對“傳感器與檢測技術”課程的內容和特點，提出基礎層—應用層—創新層三位一體的項目教學法。以“熱電式傳感器綜合測量與控制溫度”實驗項目為例，詳細分析了基礎層、應用層、創新層的教學方法及在此過程中突出培養了學生哪些方面的知識和能力。教學實踐結果表明，采用此項目教學法可以大大提高學生的學習興趣、綜合知識水平、實踐動手能力，達到培養自動化專業技術人員的要求。

關鍵詞：傳感器與檢測技術；項目教學法；溫度測量與控制；創新

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）31-0149-02

“傳感器與檢測技術”是電子信息類專業非常重要的技術基礎必修課，該課程涉及的傳感器技術和檢測技術，是多學科交叉和多種技術的綜合應用[1，2]。傳感器作為自動控制系統和自動檢測系統中必不可少的重要組成部分與工程實踐緊密結合[3，4]。傳統的理論教學和實驗教學的方式已經不能適應社會的發展需求，需要進行“傳感器與檢測技術”的教學改革[5，6]。論文提出基礎層—應用層—創新層三位一體的項目教學法，在基礎層優化教學內容結構體系；在應用層以參數檢測為基礎，設計壓力、位移、轉速、溫度、濕敏與氣敏檢測實驗項目；在創新層以開放實驗和創新項目為載體，設計綜合性和設計性的項目。

一、課程的主要內容

本課程按照專業培養方案和課程教學大綱的要求，進行了課程內容體系結構的優化，使課程內容既能充分展示本課程的核心領域知識，又能緊密結合工程實踐，以前沿技術提升課程內涵，并與其他的后續課程有效銜接[1]。課程理論教學44學時，主要內容有：（1）傳感器原理：講授各種傳感器的原理、結構、測量電路、應用等。（2）檢測技術：主要講授參數檢測、測量不確定度與回歸分析。（3）檢測系統：主要講授自動檢測系統的組成、軟件和硬件設計方法、典型系統的應用舉例。

二、項目教學法的改革方法

一個實驗項目包括目的要求、確定方案、知識講解、收集資料、制作與調試等幾個模塊，其中目的要求、確定方案、知識講解由教師在理論課上講解，收集資料由學生在課外完成，制作與調試由教師指導學生在實驗課上完成。項目的組織實施主要有以下三個層次：

（一）基礎層

這一階段的主要特點是強化學生的理論知識基礎，教師講授課程的過程中減少傳感器原理的講解，增加傳感器實驗項目中所用的傳感器的特點、測量電路、調試方法的講解。

（二）應用層

考慮原有實驗內容單一、與工程實踐脫節等問題，設計綜合性和設計性的實驗項目，即電阻應變式測壓力、電容式和電渦流式傳感器測位移、熱電式傳感器綜合測量與控制溫度、霍爾式和光電式傳感器測轉速、氣敏和濕敏傳感器的特性分析。這幾個實驗項目應用性和綜合性強，涵蓋傳感器測力、壓力、位移、轉速、溫度等過程量的檢測與控制。

（三）創新層

通過基礎層和應用層的訓練，學生已經基本具備了傳感器與檢測技術應用系統的設計、制作和調試能力。在創新層通過開放實驗項目和大學生創新創業項目，進一步鞏固和加強實驗項目的實踐應用。在這些項目中，需要學生從文獻查閱、制定方案、可行性分析、設計、仿真、實驗調試等方面獨立的開展工作，充分發揮學生的主動性和積極性，提高學生分析問題解決問題的能力。

三、項目教學法的實施過程

實驗項目的教學設計與組織實施是項目教學法成敗的關鍵，主講教師和實驗教師經過多方調研設計了5個實驗項目，以溫度傳感器測量與控制溫度來說明項目教學法的實施過程。

1.基礎層。在熱電式傳感器一章中設計“熱電式傳感器綜合測量與控制溫度”的實驗項目，針對實驗項目展開的理論教學內容有：（1）PT100熱電阻的測溫范圍、阻值與溫度的關系式、分度號、測量電路、測量誤差。（2）集成溫度傳感器AD590的測溫范圍、工作電源、輸出特性、測量電路。（3）溫度控制原理框圖，如圖1所示。理解閉環溫度控制系統的概念。

2.應用層。實驗項目采用圖2的測量電路。溫度傳感器為AD590接在左側的電橋上，完成電流到電壓的轉換與放大，經過后級的差動運算放大，輸出電壓Vo2顯示在電壓表上。

在此部分，需要培養學生的實踐動手能力包括：（1）溫度源的工作原理和操作方法；（2）調節儀的參數設置方法和操作方法；（3）萬用表測量電阻和電壓的方法。

溫度是一個慣性大、動態過程復雜的過程量，相比于傳統的實驗，主要有以下調整：（1）系統的結構。系統采用閉環控制，使系統的穩定性、準確性提高；（2）實驗項目的時間，增加到4學時。當溫度檢測值上升到設定值時，會在慣性的作用超調、振蕩，然后衰減直至收斂穩定，每一個實驗數據需要一個15-20分鐘的調節時間，足夠的時間是實驗數據準確可靠的保證；（3）增加實驗的內容。測量用的傳感器增加為AD590和PT100兩種。AD590是電流輸出的傳感器，PT100是電壓輸出的傳感器，分析兩種傳感器輸出特性的異同；（4）數據的分析與處理。實驗結束后，繪制AD590和PT100的輸出特性曲線，計算靜態特性指標。

學生經過基礎層的理論學習，應用層的實驗訓練，已經初步掌握了常用的測溫傳感器的基本工作原理、特性、測量電路、誤差分析等知識，具備了一定的設計調試電路的能力，為在實踐中的創新應用打下堅實的基礎。

3.創新層。針對如上的基礎層和創新層的學習和訓練，可以在開放實驗項目、大學生創新創業項目、大學生科技競賽、課程設計、實習等環節中對前一階段知識進行創新和升華。以完成“溫度表的設計制作”為例，需要完成設計方案、選擇傳感器、選擇單片機及外圍接口電路、制作硬件電路、編寫并調試程序等工作。

四、結論

經過實踐教學表明，這種基礎層-應用層-創新層三位一體的項目教學法，在基礎層明確了理論知識的教學方向，在應用層加強了學生動手實踐技能的培養，在創新層提高了學生的創新能力和應用能力，學生反饋意見良好，因此可以在前期工作的基礎上，豐富實驗項目的種類和內容，培養更多基礎知識扎實、創新能力強的專業技術人員。

參考文獻：

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[6]馬利，王秀霞，曹毅，孫紅鴿.“傳感器與檢測技術”課程教學改革初探[J].中國電力教育，2012（30）：52-53.