物聯網發展下傳感器原理與應用的教學改革

陸建華

(鹽城師范學院，江蘇 鹽城 224007)

1 引言

物聯網(the Internet of Things，簡稱IOT)是通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別(RFID)技術、北斗衛星導航系統(BDS)等各種裝置和技術，實時采集任何需要監控、識別、互動的物體的各種需要的信息，與互聯網連接進來，進行信息交換和通信，實現智能化識別、跟蹤、定位、監控和管理的一種網絡[1～3]。物聯網是現代科學技術發展中的一個研究焦點。2009年8月，國家總理在視察時指出：要在激烈的國際競爭中，迅速建立中國的傳感信息中心，之后物聯網被正式列為國家五大新興戰略性產業之一。在國家頂層思想指引下，各大高校研究所進行了物聯網與各行各業的融合嘗試，完成了許多項目，項目經驗在實踐中得到了實施。現在，物聯網技術已慢慢滲入到人們生產生活的方方面面，并在持續發展中。

2 傳感器原理與應用課程

在物聯網概念中，傳感器是其技術的關鍵組成部分[2～4]。物聯網收集各種需要的信息主要是依靠各種傳感器來進行實現。傳感器(sensor)可以將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器對物聯網的重要性在許多文獻中有了提及，傳感器的技術升級可以大幅度推進物聯網的發展。

傳感器與人們的生產、工作、生活密切關聯，因此高校許多專業如自動化、電子信息工程、電氣工程、通信工程、醫療儀器、計量等都開設了傳感器原理與應用這門課程。通過該課程的學習，應使學生掌握電阻式、電容式、電感式、熱電式、壓電式、光電式、磁電式、生物分子、智能傳感器等的基本傳感原理、結構、性能和特點，為以后從事相關工作打好基礎。

3 傳感器原理與應用教學方法

傳感器原理與應用是一門實踐應用性很強的課程，開展的專業也比較多，因此該課程的教學已進行了許多的改革與探索。近年來對該課程教學方法的改革主要集中在微課教學[5]、翻轉課堂教學[6]和項目化教學[7]等。

微課教學法，提出在課前由學生自學10 min的微課，對各類典型傳感器的原理進行了解；課堂上直接進行學生提問和討論環節，然后教師對微課中未涉及的知識點進行講解。引入微課的方法可以減少課堂教學時間，提升教學質量。

翻轉課堂教學法與微課教學法有類似之處，是在課前先由學生對資料進行學習，資料的形式可以多樣，可以是視頻、音頻、實物、文本文件、網站網址等，資料的來源可以是教師提供，也可以是學生通過網絡或圖書館自行查找得到。學生通過學習先熟悉傳感理原理及相關知識，然后由學生制作PPT上講臺主講和回答問題，教師對理論上的一些難點進行補充和總結。翻轉課堂教學法可以調動學生的學習積極性，提高學生對知識的理解程度。但翻轉課堂教學法與微課教學法對內容的講解主要還是停留在各種傳感器的原理上，學生在傳感器應用方面并未得到非常深入的學習。

項目教學法，由教師給學生一定的項目題目，題目應涉及盡可能多的傳感器的應用。學生對項目進行分析擴展，制定出項目實施計劃。該方法可以很好的提高學生學習的積極性和主動性。但現在關于項目法應用的文獻中提到的項目很少，而且一般項目只讓學生接觸到單個傳感器的設計。

4 物聯網發展下傳感器原理與應用教學方法

物聯網與人們的生活息息相關，物聯網與倉儲物流等結合形成一個龐大的智能物流體系；物聯網應用在家庭生活形成現代的自動化物聯網家居；物聯網與農業相結合產生了現在的物聯網農業等等。這些應用涉及到了許多的傳感器的應用。因此在物聯網發展下講授傳感器原理與應用課程時，可以分為以下幾步。

(1)課程初期，給學生普及物聯網的概念，介紹物聯網的各種應用，結合各個應用，由學生分析討論，如果他們來設計此物聯網應用需要的各類傳感器，列出清單。旨在讓學生思想跟上時代潮流，知曉所學知識與很流行的物聯網密切相關，提升學習興趣。

(2)課程中期，與微課法、翻轉課堂等方法結合進行授課，授課過程中對所涉及的傳感器要與課程前期提到的各類物聯網應用相結合，學生要明白該傳感器在哪些物聯網中得以應用，并分析在不同的應用中傳感器的參數應該是在什么范圍之內。

(3)課程后期，總結各種物聯網應用，分組討論該應用還有什么不足之處，可以由什么傳感器進行相關參數的測定來進行補充。此部分是對物聯網應用的升華，學生通過分析學習，不僅掌握了物聯網、傳感器的知識，而且還可以提出自己的創意想法，有創意就可以去試著做出一套樣品參加各種比賽，這對學生的能力培養是相當有益的。

下面以一個正處于起步階段的物聯網結合光伏農業大棚的應用進行舉例。

在課程初期，提出物聯網光伏農業大棚的應用想法。指出光伏農業或物聯網農業是現代農業的兩個熱點，兩者相結合是必然的趨勢。物聯網光伏農業大棚是指在大棚頂建造光伏電站，發出的電可以對大棚內的物聯網各傳感器和用電設施進行供電，用不完的上傳到電網。物聯網的各傳感器可以對各用電設施進行控制，如圖1所示。大棚的正常運作，與大棚內空氣、土壤的參數密切相關。學生通過對背景的了解，分析大棚內所需監測的各種環境參數，討論所需哪些傳感器。對于農業大棚，最基本的傳感器需要對空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2、風力風向、光照等信息進行檢測，根據檢測結果，控制大棚內升溫、灌溉、通風、補光系統等設施進行相應的操作。

課程中期，學生對各類傳感器的原理進行學習。課程后期，學生對物聯網光伏農業大棚給出最后的設計結果，討論針對不同的農業大棚作物，各種類型的傳感器的安裝位置及注意點，并且可以通過查閱資料提出改進思路。比如，考慮到大棚作物對土壤中的肥料是有要求的，因此在對普通的空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2、風力風向、光照等信息進行傳感器檢測外，可以增加土壤氨氮含量的傳感器檢測。

5 結語

近年來，隨著物聯網的蓬勃發展，傳感器原理與應用也引入了一些新的教學方法。本文把物聯網在各行各業中的應用引入傳感器原理與應用課程，緊扣時代潮流，把理論知識與實際應用進行完美結合。該教學方法有助于激發學生的學習興趣，提升其知識掌握程度。