《傳感器原理及應用》課程教學改革探討

王憲?！⊥跣羷偂⊥鯐詵|

摘要：傳感器技術是一門實踐性、應用性很強的專業課，對于培養學生實際動手能力、提高綜合素質和開發創新思維有著重要作用，針對傳感器課程知識結構陳舊、不能適應新型傳感器器件應用和技術發展的問題，從教學內容、教學方法和實驗教學的角度，對課程教學進行改革探討。提出通過增加新型傳感器、物聯網和無線傳感網絡方面的技術知識，采用理實一體、項目式教學方法，改變驗證性實驗的操作模式，加強綜合性實驗、創新型實驗等措施對現行教學模式進行改革，從而達到提高學生工程實踐能力的目的。

關鍵詞：教學改革；傳感器課程；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）04-0129-03

傳感器是實現自動測試與自動控制的首要環節，是現代工業生產特別是智能生產的信息源頭[1]。隨著中國制造業由初級的“來料加工型”向高級的“生產創新型”轉化，高昂的人力成本和低廉的產品價格正成為制約企業發展的瓶頸，于是發展裝配有眾多傳感器的智能化生產線逐漸成為企業發展的方向?！秱鞲衅髟砑皯谩肥请娮有畔?、自動化、電氣工程和儀器儀表專業的一門技術基礎課程，在專業課程體系中起到重要的承上啟下作用[2]。經過此課程的學習，使學生掌握傳感器的基本概念、原理、分析與計算方法，理解各種傳感器的特點，會設計較典型的傳感器信號調節電路，并具備選擇合適的傳感器進行非電量測量的技能，能夠使用常用傳感器實現對一般工業信號的測量。但是傳統的教學內容、教學方法、實驗課程設計及評價標準等，都難以滿足學生對掌握現代信息處理技術的需求，也難以滿足社會對學生的專業知識與技能要求，需對課程教學進行改革。

一、教學內容分析

1.傳統教學內容的不足。傳感器技術是一門實踐性、應用性很強的專業課，對于培養學生實際動手能力、提高綜合素質和開發創新思維有著重要作用[3]。但傳統課程以課堂教學為主，部分驗證性實驗為輔。以浙江工業大學電子信息專業為例，課堂教學40學時，講解的傳感器以電阻應變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式和霍爾式為主，每種傳感器分別從基本原理、等效電路、測量電路設計以及誤差與靈敏度分析等方面進行介紹。實驗環節為8學時，分4次完成，每次對1—2種傳感器進行原理性驗證，并通過測量數據對傳感器的靜態特性進行分析。

可以看出，傳統的教學存在著以下不足：（1）講授的傳感器都是傳統形式的，對于現階段應用廣泛的光纖傳感器、固體圖像傳感器、超聲波傳感器等幾乎沒有涉及。知識過于陳舊，已不能滿足企業智能化、網絡化和無線化的檢測需求。（2）講授的傳感器特性分析理論不適用于工程實際。傳感器在應用中主要是測量動態信號為主，其測試任務不僅需要精確地測試出信號幅值的大小，而且需要記錄動態信號變化過程的波形，并進行信號的穩定性和延時誤差分析，而傳統教授內容以靜態特性分析為主，對上述內容涉及較少。（3）傳感器技術是一個側重于實際應用的學科，只有在結合了應用背景的實際項目中，才能體會到它的實用價值。而傳統的課堂教學只是給出了理想模型下傳感器的等效電路與信號測量方式，缺乏定量分析，不能給學生直觀的感性認識。

2.傳感器知識的新要求。隨著物聯網技術、無線傳感網絡技術及企業對智能化生產需求的快速發展，新時期內對傳感器知識要求的重點也逐漸發生了變化，而這些知識在現在大部分教學中沒有得到反映，主要表現在以下幾個方面：（1）越來越側重于網絡化的應用。隨著森林防火監控、電力設備防盜監控、物流跟蹤、貨物定位等應用需求的提出，物聯網和無線傳感網逐漸成為傳感器的重要應用之一。在這些系統中，每個傳感器都是網絡中的一個節點，彼此間可相互通信。雖然每個傳感器的測量范圍有限，但整個系統表現出非常強的測量能力。這也說明，傳感器的測量方式也發生了變化，傳統的對某一測量點的特性分析已不能滿足使用需求。（2）越來越側重于無線化的應用。隨著通信技術與網絡技術的快速發展，非接觸式的測量、無連接線的信號傳播方式正逐漸成為傳感器使用的主流。這種方式的改變使得傳感器的使用更加便捷，但這也使得我們必須對傳感器的等效電路、測量電路的講授做出改變，除了滿足測量誤差和動態指標外，還必須有利于無線化的傳輸。（3）越來越側重于能量的供給與控制管理。網絡化、無線化的發展趨勢順應了傳感器分散測量的特點，但也使得傳感器的能量供應變得更加困難。除了選擇容量更大的電池之外，設計耗能更小的信號測量與傳播方式，也變得更加重要。

3.不同專業對傳感器的需求分析。對不同專業，將要服務于不同行業的授課對象，根據適用性原則，所講授的知識內容應該有所區別。以浙江工業大學為例，開設傳感器課程的專業主要有電子信息、自動化、電氣工程及其自動化和測控技術與儀器專業等。電子信息專業主要培養學生信號檢測、智能信息處理、射頻終端等電子產品的研究與開發能力，所以應側重于傳感器測量的原理與方法、傳感器的特性分析以及信號的無線傳輸等知識的學習。自動化專業主要學習化工生產過程自動化、流水生產自動化、智能裝備等方面的知識與開發技術，所以應側重于傳感器的動態特性分析、液位傳感器、液體或氣體壓力傳感器和熱電式傳感器的學習。電氣工程及其自動化專業主要培養學生在運動控制系統、建筑電氣設計、電力生產與設計以及電氣設備等方面的設計與開發能力，所以應側重于磁電式傳感器、霍爾式傳感器、變壓器式傳感器、位移傳感器和加速度傳感器等知識的學習。測控技術與儀器專業主要培養從事工業過程檢測與控制、智能儀器設計、微機測控、機電一體化等方面的研究、開發與設計，所以應側重于傳感器與微機或嵌入式系統的一體化設計、基于軟件的信號分析與誤差修正等知識的學習。

二、教學方法分析與探討

1.教學方法現狀分析。（1）以課堂講授為主的教學方式。傳感器技術課程一般分為考試和考查兩種形式?？荚囌n由40課時的課堂教學和8課時的實驗教學組成，但實驗是以連線方式的原理驗證為主，只能提高學生對課堂所學理論知識的進一步理解，沒有應用場景，更談不上結合應用的進一步分析。考查課只有32課時的課堂教學，沒有對應的實驗安排。這樣的教學方式顯然不符合傳感器課程學習的目標要求，在電子競賽、畢業設計以至于今后的工作中，學生仍然不能甚至不會使用傳感器。（2）以文字和靜態圖片為主的內容展示方式。雖然幻燈片已基本取代了板書的內容展示方式，加快了講課節奏，增加了教學內容。但在使用過程中，很多教師往往只是把文字和圖片電子化，缺少了逐步講解、層層分析的過程，更缺少對傳感器工作原理與使用的動態演示，不能使學生獲得很好地感性認識，而這對傳感器的理解是至關重要的。（3）松散的內容組織方式。由于傳感器課程本身的特點，每一章節講述的是同一原理或完成同一測量任務的傳感器，各章節之間相對獨立，缺乏系統性和連貫性，使得很多同學在學習時抓不住重點，不能把各章內容有機結合起來，達不到知識的融會貫通，限制了教學質量的提高。

2.教學方法改革探討。（1）虛擬儀器在課堂教學中的應用。虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件結合高效靈活的軟件來模擬完成各種測試、測量和自動化控制的數字仿真技術，已成為高校進行傳感器實驗室建設、改革實驗教學的發展方向。在大多數學校的教學活動中，虛擬儀器是作為實驗儀器來使用的，但由于便于攜帶、操作簡便、易于展示的特點，同樣適用于課堂教學。結合虛擬儀器的動態演示，學生對理論知識會更加容易理解，起到事半功倍的效果。（2）理實一體教學。傳感器是注重感性認識的課程，在課堂教學過程中要充分利用實驗室現有的傳感器，把實物帶入課堂教學，防止教學內容的乏味、空洞。同時，在實驗場所允許的情況下，應盡可能的把課堂教學放到實驗室進行授課。理實一體，讓學生對傳感器的外觀、工作與測量方式都有直觀的認識。使學生在實踐中學習，深奧的理論也會變得生動易懂。（3）項目式教學。項目式教學是指將傳統的知識內容轉化為若干個教學項目，圍繞著項目組織和開展教學。通過實施一個完整的項目，把理論教學與實踐教學有機地結合起來，充分發掘學生的創造潛能，著重培養學生的實際操作能力。一般意義上的項目式教學是以工程實踐為基礎的，考慮到國內高校實踐條件的局限性，可以在課堂上以案例分析為主，選取少量易于操作的項目進行實踐，以達到更好的教學效果。

三、實驗教學分析與探討

1.實驗教學現狀分析。實驗教學是傳感器課程的重要組成部分，是學生對傳感器產生感性認識，加深理論知識理解的重要途徑。通過實驗環節的學習，學生應該能夠對常用傳感器的工作原理、工作特性、測量方式有較好地掌握，能夠應用傳感器在工程中進行常用信號的測量，并能根據工作環境狀況和相應的測量方式進行誤差分析與補償。但現在傳感器課程的實驗設備大多為組合實驗臺或實驗箱，這種設備對學生的開放程度比較低，學生只能根據實驗指導書進行簡單的連線操作，做一些簡單的驗證型實驗。在實驗過程中，很多學生也不用去關心實驗的原理和方法，只需要記錄實驗數據，進行簡單的數字填空，就可以完成實驗任務。這種實驗方式顯然不利于培養學生對傳感器學習的興趣，更不利于培養學生的工程應用能力和創新能力。

2.實驗教學改革與探討。為了培養學生的應用意識與工程實踐能力，突出實驗環節在教學方面的作用，達到使學生深化理論理解、提高應用能力的目的，本文提出對傳感器課程的實驗教學內容進行如下方面的改革：（1）靈活安排驗證性實驗教學內容，在保證實驗課時不變的情況下，選做自己需要驗證的理論知識。驗證性實驗的主要目的是加深學生對傳感器原理的認識與理解，由于每個學生對傳感器認識程度的差異，其需要驗證的知識點也是有差異的。所以，在有限的課時范圍內，讓學生自己選擇需要驗證的實驗內容，可更大程度上實現理論學習與實驗驗證的統一，也達到了因材施教的效果。（2）開設綜合性、設計性實驗，讓學生根據具體的工程模型，設計出具有應用背景的信號測量方法，并對測量結果進行分析與驗證。在實驗室建設過程中，除了驗證性實驗模塊，適量增加了環形帶檢測平臺、直線位移測控平臺、溫度測控平臺、分揀裝置實驗平臺以及流體測控實驗平臺等，這些裝置的被測信號可使用不同的傳感器進行測量，且系統設計工作量小，易于實現。可使學生在獲取感性認識的基礎上，以接近真實的環境實現物理信號的測量，從而為具有更好的工程實踐能力打下基礎。（3）開設創新性實驗，培養學生獨立分析、解決問題的能力。實驗題目可由教師根據自己的工程項目給出，也可由學生自主提出。實驗室提供通用的開發設備，如計算機、示波器、通用傳感器及嵌入式開發板等。學生自由組隊，分工合作，每組2—4人。實驗初期，要求學生首先查詢相關文獻，進行方案設計、論證與可行性分析。指導教師集合全體同學對方案進行分析，給出相應的意見或建議，待方案完善后，學生方可進入實驗階段。在實驗過程中，指導教師和實驗室教師對學生遇到的疑難問題給予必要的技術指導。實驗結束時，每組提交一份實驗報告，并進行成果演示。

驗證性實驗要求每個學生必須仔細完成規定數量的實驗項目，并對實驗中得到的數據進行理論分析，形成實圖文并茂的實驗報告。設計性實驗要求學生利用實驗室提供的實驗平臺，至少完成一種物理量的信號測量，包括方案設計、傳感器選擇、信號測量電路設計等，并對被測量信號進行誤差分析，形成實驗報告。創新性實驗要求學生對于一些難以測量的物理量給出測量方案，并進行可行性分析，鼓勵同學進行實物驗證，最好形成可發表的論文或專利等知識產權。

四、課時分配與考核

依照總共48課時的教學安排，可按理論課32學時，實驗課16課時的方式劃分。其中驗證性實驗8學時、設計性實驗4學時、創新性實驗4學時。需要說明的是，創新性實驗的課時是遠遠不夠的，教師可以以作業的方式讓學生在課下完成。課程總成績可按理論考試成績40%、作業與課堂出勤率10%、驗證性實驗20%、設計性實驗10%、創新性實驗20%的比例給出。實驗課程成績的比重大大提高，這也可以讓學生更加重視實驗環節的學習。

五、結束語

通過對傳感器課程的教學現狀進行了分析，結合傳感器課程的特點、企業在新形勢下對傳感器知識的要求等因素，在理論教學內容、教學方法以及實驗教學內容和方式上進行了改革探討。提出為了使學生更好地適應傳感器在物聯網、無線傳感網絡等新型場合的應用，必須在教學內容上跟上發展的步伐，在教學方法上更加注重理論與實踐的結合。實驗教學應能使學生掌握傳感器的工程應用方法，對于工程中的信號測量問題，應能運用傳感器知識給出可行的測量方案。提出的改革方法已在浙江工業大學電子信息專業2012級的教學中得到了應用，學生對新的教學方式表現出了極大的熱情，提高了學生學習的主動性，取得了良好的教學效果。

參考文獻：

[1]張小齊.“傳感器”課程教學改革研究[J].吉林工程技術師范學院學報，2009，25（10）：43-44.

[2]張紅.傳感器系列課程教學改革實踐與探索[J].安徽工業大學學報：社會科學版，2009，26（2）：135-136.

[3]劉迎春，葉湘濱.傳感器原理設計與應用[M].長沙：國防科技大學出版社，2004.

Abstract：The paper discusses the teaching reform of sensor course in the perspective of contents，methods and experiments in order to solve the problem of obsolete knowledge structure which cannot meet the needs of current factory.The paper proposes to change the operation model of verification experiment and strengthen comprehensive experiment and innovative experiment through adding some knowledge of new sensors，Internet of things and wireless sensor networks，thus the project practice ability of students improved.

Key words：teaching reform；sensors series course；experiment teaching