《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

李發(fā)英，于芳

(湘南學(xué)院，軟件與通信工程學(xué)院，郴州 423000)

0 引言

在我們學(xué)校，對(duì)于傳感器技術(shù)類課程，我們同時(shí)兼顧了與課程群中《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程的緊密結(jié)合。《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》與《單片機(jī)與接口技術(shù)》、《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)類課程群，講解內(nèi)容在一定程度上融合了單片機(jī)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)知識(shí)，綜合性強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度大，課程名《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》也正體現(xiàn)了這一特點(diǎn)，微操作系統(tǒng)部分的課程占總課時(shí)的1/8，目的是在傳感器技術(shù)授課的過程中提前對(duì)后續(xù)課程提前導(dǎo)入。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程授課重點(diǎn)與其他專業(yè)應(yīng)有區(qū)別，主要體現(xiàn)在：

一是講解內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不同。如對(duì)于電氣專業(yè)學(xué)生，講解電阻式傳感器時(shí)，主要介紹傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及電路組成，適應(yīng)畢業(yè)生的就業(yè)需求，主要掌握傳感器的設(shè)計(jì)；而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的課程教育應(yīng)側(cè)重于具體應(yīng)用，由于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是應(yīng)用性、綜合性極強(qiáng)的專業(yè)，學(xué)生主要關(guān)注傳感器的工作原理、特性、選型以及在智能系統(tǒng)中的性能需求。

二是講解方式不同。如對(duì)于電氣專業(yè)學(xué)生，側(cè)重于講解傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)，對(duì)于儀表與檢測專業(yè)學(xué)生，則重在關(guān)注傳感器的特性分析和誤差分析。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生來說，授課方式則以應(yīng)用背景為中心，向邊緣逐步講解傳感器的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、特點(diǎn)和誤差分析，基于此，這種教學(xué)方式可以用圖1來描述。

圖1 以應(yīng)用背景為中心的教學(xué)方式

1 目前課程教學(xué)現(xiàn)狀

《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》課程與《單片機(jī)與接口技術(shù)》、《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心專業(yè)課群，學(xué)生在掌握了《單片機(jī)與接口技術(shù)》課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)后，再學(xué)習(xí)《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》，目前對(duì)于課程的教學(xué)方式，采用傳統(tǒng)的按課程教材結(jié)構(gòu)和內(nèi)容順序講解，分別介紹電阻式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器等，對(duì)于某一類傳感器，涉及到傳感器的概念、傳感器的結(jié)構(gòu)、傳感器的工作原理和特性，最后講解傳感器的選型，這種教學(xué)方式容易造成學(xué)生頭腦僵化，沒有任何應(yīng)用背景，影響學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)揮，而且由于傳感器涉及到的內(nèi)容概念多、抽象，很難理解，或者學(xué)生在感性認(rèn)識(shí)的層次學(xué)習(xí)，限制了應(yīng)用能力的提升，使得整個(gè)教學(xué)停留在填鴨式教學(xué)水平，教學(xué)效果不佳，在一定程度上降低了學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣，不能有效發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。

2 基于應(yīng)用背景的教學(xué)改革

綜上所述，《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》的教學(xué)方式改革勢(shì)在必行，如何進(jìn)行改革，怎樣圍繞課程知識(shí)點(diǎn)以及學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行改革是關(guān)鍵，以下結(jié)合電阻式傳感器知識(shí)點(diǎn)的講解詳細(xì)描述。

以電阻式傳感器在農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用為具體應(yīng)用背景，以此為中心展開來講解傳感器的相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)：

2.1 基于應(yīng)用背景教學(xué)的基本思想

傳統(tǒng)的傳感器原理及應(yīng)用類技術(shù)課程大多數(shù)遵循先講解傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、類型等基本理論知識(shí)，然后舉例說明某一類傳感器的應(yīng)用場景，這種教學(xué)方式主要圍繞理論部分展開，教師概念講解枯燥、學(xué)生概念理解困難的特點(diǎn)，造成學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下，影響學(xué)生應(yīng)用能力的發(fā)揮。基于應(yīng)用背景為中心的教學(xué)，則是將傳感器應(yīng)用作為首要講解內(nèi)容，以此為中心逐步引入傳感器的自身特性，并結(jié)合應(yīng)用場景中的需求，分析傳感器的工作原理、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及選型，使學(xué)生思維方式發(fā)生質(zhì)的變化，由主要關(guān)注傳感器本身的原理知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注傳感器的實(shí)際應(yīng)用，這是一種應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用思維，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性有著極為重要的作用。

表1

2.2 應(yīng)用背景驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)步驟

2.3 實(shí)例分析

本文以“汽車后窗玻璃自動(dòng)去濕系統(tǒng)”為應(yīng)用背景講解傳感器相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

第一步：系統(tǒng)功能講解。汽車后窗玻璃自動(dòng)去濕系統(tǒng)主要有濕度傳感器完成對(duì)當(dāng)前汽車內(nèi)濕度檢測并驅(qū)動(dòng)加熱電阻加熱，在常溫常濕情況下，調(diào)節(jié)好電路電阻值，加熱電阻無電流流過而不具備加熱功能。當(dāng)汽車內(nèi)外溫差較大，且濕度過大時(shí)，加熱電阻有電流流過，加熱電阻絲開始加熱，驅(qū)散后窗玻璃上的濕氣，同時(shí)加熱指示燈亮。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)去濕功能。

第二步：介紹傳感器的結(jié)構(gòu) 去濕傳感器由三個(gè)部分組成，即敏感元件，轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路。敏感元件是去濕傳感器的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前濕度的檢測，轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于在大多數(shù)場合電子設(shè)備和系統(tǒng)處理的都是電信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電荷輸出，轉(zhuǎn)換電路包括了信號(hào)濾波、信號(hào)去噪等部分。

第三步：講解傳感器的類型和工作原理。濕度傳感器類型很多，上述系統(tǒng)中用的是電阻式濕敏傳感器，它是利用器件電阻值隨濕度變化的基本原理來進(jìn)行工作的，其感濕特征量為電阻值。根據(jù)使用感濕材料的不同，電阻式濕敏傳感器可分為電解質(zhì)式、陶瓷式和高分子式三類。除電阻式傳感器之外，還有電容式濕度傳感器，電容式濕敏傳感器是有效利用濕敏元件電容量隨濕度變化的特性來進(jìn)行測量的，屬于變介電常數(shù)型電容式傳感器，通過檢測其電容量的變化值，從而間接獲得被測濕度的大小。電容式濕敏傳感器按照極間介質(zhì)分為高分子和陶瓷材料兩大類。

第四步：講解傳感器的特性和誤差。在大多數(shù)情況下，濕度傳感器難以得到相對(duì)于濕度變化而線性變化的輸出電壓，這給濕度的測量、控制和補(bǔ)償帶來了困難。因此，在需要精確測量濕度的場合，必須加入線性化電路，使傳感器測量電路的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比于濕度變化的電壓；濕度傳感器在低濕、中濕或高濕狀態(tài)下的線性關(guān)系一般會(huì)有所不同，因此，可采用放大倍數(shù)隨輸入值變化的放大電路，使其輸出與輸入呈折線近似線性關(guān)系(即分段近似關(guān)系)，常用運(yùn)算放大器。

3 結(jié)語

《傳感器原理及微操作系統(tǒng)》是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心專業(yè)課，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)要培養(yǎng)應(yīng)用型復(fù)合型人才，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)是必要的。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是實(shí)踐性、工程性很強(qiáng)的一個(gè)專業(yè)，為了提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，在新工科背景下，切實(shí)開展“新方法，新思維”教學(xué)改革，同時(shí)，以習(xí)近平總書記在全國高校教育大會(huì)上提出的“課程思政”理念，將“思政元素”融合到工科專業(yè)建設(shè)和課程改革中，通過課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)高素養(yǎng)和高專業(yè)質(zhì)量人才。專業(yè)課程教學(xué)改革是一個(gè)永恒的話題，隨著教學(xué)對(duì)象的變化，教學(xué)資源的升級(jí)更新，我們一直在探索課程教學(xué)方式的改革。下一步應(yīng)用線上線下混合式教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)、文獻(xiàn)引導(dǎo)式教學(xué)等，進(jìn)一步提高應(yīng)用型工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量。