傳感器原理及應用教學改革的思考

凌澤斌

（桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西 桂林541004）

0 引言

傳感器是獲取準確可靠信息的一種檢測裝置，是測控系統中非常重要的一個環節[1，2]。測量對象包括物理量、化學成分和生物活性單元。傳感器已經廣泛應用于航空航天、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、國防、科學技術和工農業生產等各個領域，幾乎每個項目都離不開各種各樣的傳感器[3]。傳感器原理及應用是桂林理工大學機械電子工程專業本科學生學習的一門專業基礎課，總學時為48個學時，其中40個學時為理論，8個學時為實驗，每周3個學時。按照以往的要求，課程的教學內容主要包括電阻應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、熱電式傳感器、光電傳感器等。但是對于紫外/紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器、固體圖形傳感器、微波傳感器、物聯網傳感器、量子傳感器、化學與生物傳感器等缺少最新的傳感器技術內容[4]，或者缺少交叉學科的融合。傳統的教學方法在于理論講授[5]，學生沒有傳感器實物，缺乏傳感器應用的實驗和應用，以及實驗操作意識和能力的培養，教學過程缺少對學生綜合考核的措施，制約了學生的學習積極性和創造性。本文針對教學內容、教學方法和綜合考核出現的問題，提出了傳感器原理及應用教學的改革措施。

1 理論教學改革

1.1 教學內容改革

教學內容改革是教學改革的核心，本課程中主要介紹的傳感器包括電阻應變式、電容式、電感式、壓電式、磁電式、熱電式和光電傳感器等。傳感器技術發展很快，教學內容體系無法滿足人才培養的需求，隨著社會和科技的發展，人們對物質的要求也越來越高，但教學內容相對滯后。隨著科學技術的發展，次聲波/超聲波傳感器、紫外/紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器、固體圖形傳感器、微波傳感器、物聯網傳感器、量子傳感器、化學與生物傳感器等新技術不斷出現。如激光測距傳感器、激光測量速度傳感器、激光測量脈沖寬度傳感器。利用量子技術開發了導航、資源勘測和重力磁場圖像檢測傳感器等?；瘜W傳感器包括離子敏傳感器、氣敏傳感器和濕敏傳感器等。生物傳感器包括酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、生物組織傳感器、光生物傳感器、核酸傳感器和蛋白質傳感器等現代傳感器技術沒有在教學內容中體現。對于機電專業本科生來說，物理量檢測傳感器技術是必須掌握，是教學內容的主體，而化學工程和生物醫學工程傳感器必須了解，是教學內容的補充。由于信息技術的發展，教學內容體系要體現出智能化、集成化和網絡化的趨勢，擴展和加深教學內容，激發學生的興趣，對于學生參與畢業設計或者參與研究項目可以奠定一定的基礎。

1.2 教學方法改革

傳感器原理與應用課程授課大部分以采用PPT等多媒體軟件為主，采用板書為輔，既可以節省板書時間，也提高了教學內容和效率。多媒體以動畫形式演示傳感器的工作原理，如學習光柵傳感器時，傳統的教學方法很難使學生理解莫爾條紋的形成及其移動過程，而多媒體課件可以看到直觀的莫爾條紋。另一種情況是有些學生對于傳感器概念不清楚，如光柵和光電編碼器的信號相位差是什么意思、兩個系列脈沖的上跳沿的哪一個先到達等需要采用板書圖解的方法讓學生了解。在課堂設計方面，首先，讓學生簡單了解傳感器實物或者圖片及應用，建立感性認識，激發學習興趣。然后，講解原理和測量電路。最后，在課堂留下10分鐘時間，以便回顧知識點前后呼應并留下習題，緩解學生的疲勞感，有效提高了課堂教學效果。對于機電、電子信息和電氣等專業的學生來說，化學和生物傳感器課程宜增加至少2個學時，通過化工和生物醫學工程的教師進行授課，有利于拓展交叉學科的視野，打破傳統的教學方式和人才培養模式，促進學生創新能力的培養。對于當前最先進的傳感器技術，可以通過查閱圖書館中的資料或者到企業參觀，甚至積極觀摩學術研討會，不僅可讓學生了解最新的專業知識，還可結合教師的科研、課題等情況，擴充課堂講授內容。

2 實驗教學改革

實驗是教學的重要環節，傳統的實驗內容主要包括電阻應變傳感器、電容傳感器、電感傳感器、差動變壓器傳感器、霍爾傳感器、熱電偶傳感器、光電傳感器和磁敏傳感器技術。隨著社會需求的增加，實驗內容必須增加學時，達到12個學時，使實驗占用總學時的25%。增加實驗包括超聲波傳感器、激光測量傳感器、固體圖像傳感器、物聯網傳感器。在實驗中學生要了解實驗的目的，實驗原理及原理圖，實驗器件、電源和儀器，實驗步驟，選用器件、電源和儀器，搭建實驗平臺等。在傳感器實驗設計過程中，使學生將電子技術、信號處理技術、微機原理及接口技術、自動控制技術與傳感器技術相融合，掌握MATLAB、LabVIEW、C++等軟件的編程方法，激發學生的興趣和學習主動性。如本課程設計采用株洲中航技術公司研制的ZA110型位移傳感器，量程是2mm，測量探頭直徑為Ф8 mm，分辨率為0.5 μm，輸出電壓在-0.8~5.7 V，被測位移是鉆床工作臺，工作行程為1 mm。可通過電子技術采用運算放大器和分壓電路把傳感器輸出電壓轉換成為0~5 V，把模擬電壓信號轉換成數字信號。然后把轉換的數字信號通過微機原理及接口以便進行連接，連接計算機后采用MATLAB軟件進行電壓處理，最后把處理的數據通過LabVIEW軟件把位移圖形顯示出來，如果需要控制的話計算機把數字位移結果再轉換成模擬位移量，實驗結果表明：理論計算值和實驗結果符合比較好，提高了學生解決問題的能力。

3 成績考核改革

傳感器原理及應用課程考核采用期末考試的方式，但是不能考核平時成績，更不能考查實驗的成績。另一種考核方法采用平時考核30%，包括平時的出勤、作業練習和課程討論分別占總成績的10%、10%和10%[6]，期末考試采用閉卷考試方法，占總成績的70%。但是對學生的學習過程考核不理想，主要是課程考核方法偏重應試為主的期末考試在總評中所占的比重太大。通?？疾閮热菀曰A知識為主，缺少能力和素質的考查。針對傳統傳感器課程考核方法存在的問題，摒棄傳統應試方式帶來的弊端，本文提出傳感器課程考核方法的改革措施，考核改革的基本思想是加強對學習過程的考核，以提升考核對學生學習的督促和促進作用。改革后成績考核包括平時、實驗和期末考試三部分，平時成績包括出勤、作業和討論分別占總成績10%、15%和5%，提高習題作業比例。期末考試必須采用閉卷考試，占用總的成績的40%，其中單純基礎知識的填空、選擇題和簡答題等，學生無需思考和記憶，因此，客觀題必須比例降低甚至取消，而綜合式、計算設計式的考試題目的比例必須提高，以便考查學生對知識的綜合掌握程度。實驗考核包括測量系統設計、實驗結果分析和實驗報告撰寫，占總成績的30%。

4 結語

針對目前傳感器原理及應用課程教學存在的問題，教學改革內容包括增加物理量測量技術，引進化學和生物傳感器技術，拓展交叉學科的視野；增加圖解法、前后呼應法，提高學生學習效率；增加實驗比重，培養學生實驗設計和解決問題的能力；改善成績考核的方法，使平時、實驗和期末考試的成績考核更加合理和優化。