傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐

李星星 張奔牛 張開洪

摘要：本文在分析傳感器與檢測(cè)技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)該門課程實(shí)踐應(yīng)用性較強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)要求與實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方法進(jìn)行新的探索與實(shí)踐。新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐動(dòng)手能力、加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，具有較好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：傳感器與檢測(cè)技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；改革

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-4107（2012）12-0043-02

傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用遍及航天科技、智能交通、智能家居、公共安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、工業(yè)監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起，各類傳感器的大規(guī)模部署和應(yīng)用構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的基本條件，各類信息傳感設(shè)備相繼得到研發(fā)，并被廣泛應(yīng)用于對(duì)物體的智能化識(shí)別、精準(zhǔn)定位、有效監(jiān)控和科學(xué)管理。

傳感器與檢測(cè)技術(shù)是電氣信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。按照傳統(tǒng)教學(xué)方法，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)通過操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來驗(yàn)證傳感器原理，使學(xué)生在傳感器技術(shù)方面掌握一定的傳感器檢測(cè)電路及調(diào)節(jié)電路知識(shí)，了解工程檢測(cè)中常用傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特性、應(yīng)用及發(fā)展方向，具備初步應(yīng)用傳感器的能力。由于該門課程的實(shí)踐應(yīng)用綜合性較強(qiáng)，因此，加強(qiáng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)中的動(dòng)手能力顯得尤為重要，它對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和工程檢測(cè)技術(shù)素質(zhì)具有重要的意義。

本文在分析該門課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的不足之處，提出增設(shè)開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂內(nèi)外自主進(jìn)行傳感器的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試和檢測(cè)，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中實(shí)施這一改革措施，取得了較為明顯的教學(xué)效果。

一、理論教學(xué)現(xiàn)狀

在重慶交通大學(xué)，電子信息工程、電氣工程、自動(dòng)化控制等電氣信息類專業(yè)均開設(shè)傳感器與檢測(cè)技術(shù)這門課程。該門課程以傳感器的工作原理為線索，向?qū)W生詳細(xì)介紹各類傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、相應(yīng)的測(cè)量及檢測(cè)電路以及在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠比較全面地掌握信號(hào)傳感、信號(hào)采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)傳輸及信號(hào)處理的整個(gè)過程。

該門課程的理論教學(xué)方法通常首先是介紹某種功能傳感器的基本工作原理，其次講解傳感器的電路組成結(jié)構(gòu)，分析傳感器的靜、動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性影響因素，最后介紹傳感器的應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容涵蓋了不同工作原理的主流傳感器，類種包括電阻式、電感式、電容式、磁電式、壓電式、光電式、熱電式等多種類型，各章節(jié)的內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，其中還涉及到電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。

電氣信息類專業(yè)注重對(duì)知識(shí)的靈活運(yùn)用，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)踐應(yīng)用能力的要求較高，因此，僅靠學(xué)習(xí)書本上的純理論知識(shí)，很難讓學(xué)生真正理解這些傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成，以及如何實(shí)現(xiàn)特定功能，只有依靠學(xué)生親身參與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，動(dòng)手操作，才能達(dá)到融會(huì)貫通的效果。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

該門課程的實(shí)驗(yàn)是加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)際能力的重要手段。據(jù)了解，作為一門較為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，雖然當(dāng)前許多高校都開設(shè)了傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)課，但普遍反映實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳。造成這一現(xiàn)象的原因有多種因素，例如，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式按部就班，缺乏創(chuàng)新；用于實(shí)驗(yàn)的專業(yè)儀器陳舊老化，更新?lián)Q代較慢；對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重視程度不足，實(shí)驗(yàn)考核成績?cè)谄谀┏煽冎兴嫉谋壤^低。其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的單一化是造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想的一個(gè)重要因素。實(shí)驗(yàn)課上，按照一貫的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，通常是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，僅僅按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書羅列的實(shí)驗(yàn)步驟在實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱上面進(jìn)行外部電路連線操作，或是組裝構(gòu)造簡單的傳感器材，在輸入端施加特定信號(hào)，在信號(hào)探測(cè)端得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以此來驗(yàn)證各類傳感器原理。最后還需要完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，闡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析傳感原理、誤差等。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量給予評(píng)分或評(píng)定等級(jí)。在重慶交通大學(xué)，傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)根據(jù)不同專業(yè)對(duì)這門課程的要求來設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績通常只占到該門課程期末成績的20%。

這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式較為固定，主要因?yàn)樵S多高校設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)都是基于購置的專業(yè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱來進(jìn)行傳感器原理的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方案都不盡相同，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量的提高，制約了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生普遍反映原本對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)就感覺比較抽象、空洞，在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)越發(fā)感覺無趣，從而失去對(duì)該門課程學(xué)習(xí)的熱情。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革及措施

（一）改革思路

對(duì)從事電氣信息類專業(yè)的技術(shù)人員來說，只有具備良好的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)才能夠在今后的生產(chǎn)實(shí)踐中出類拔萃。因此，理論學(xué)習(xí)固然重要，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)更顯得至關(guān)重要。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一方面，對(duì)基礎(chǔ)的傳感技術(shù)原理知識(shí)，可按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式，充分利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)供學(xué)生操作，這有助于加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)傳感技術(shù)理論知識(shí)的理解；另一方面，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)室條件允許的情況下，增設(shè)一批可供學(xué)生在課內(nèi)外操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在每學(xué)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，根據(jù)不同專業(yè)對(duì)該門課程掌握程度的要求，合理選取其中難易程度不同的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，由學(xué)生自主選擇題目并實(shí)現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生分析問題、拆分問題，分模塊來解決問題，并且在這個(gè)過程中充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，充分尊重學(xué)生的創(chuàng)新精神，從而提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)積極性。對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的考核，應(yīng)該提高實(shí)驗(yàn)成績?cè)谄谀┚C合考評(píng)成績中的比重，讓學(xué)生更加重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的鍛煉。

根據(jù)這一思路，在傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)這門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，結(jié)合教學(xué)要求與本校實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，提出增設(shè)開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方法進(jìn)行新的探索與實(shí)踐。

（二）改革措施

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基于CSY2001B型傳感器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)不同專業(yè)對(duì)該門課程的要求，選排8—16個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生操作。在新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索中，不僅對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱進(jìn)行重新修訂，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，而且精心設(shè)計(jì)10余個(gè)成本較為低廉、操作性強(qiáng)的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可由兩到三名學(xué)生共同合作完成。為保障開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的順利實(shí)施，每學(xué)期由現(xiàn)代電子實(shí)驗(yàn)中心提供開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需要的電子元件和專業(yè)儀器以及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。在考核形式上，學(xué)生以電子作品和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式提交成果，開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績所占比例提高到該門課程期末成績的30%—40%。

例如，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——電子溫度計(jì)設(shè)計(jì)和制作，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)溫度傳感器的知識(shí)以及電路知識(shí)，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的工具和電子元件進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)電氣信息類專業(yè)的學(xué)生來說難度比較適中，相較于在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上操作溫度傳感器的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更加有趣。學(xué)生可以在實(shí)際設(shè)計(jì)和動(dòng)手制作的過程中充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，討論設(shè)計(jì)方案，自主設(shè)計(jì)測(cè)溫傳感電路。不僅如此，為了實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的基本功能，學(xué)生也會(huì)自發(fā)地去查閱資料，深入分析不同類型溫度傳感器的原理，理清各類型溫度傳感器輸出數(shù)字信號(hào)值與溫度變化的關(guān)系。這樣一來，讓學(xué)生在具體實(shí)際操作中加深對(duì)傳感器相關(guān)原理的理解和認(rèn)識(shí)，在設(shè)計(jì)制作過程中掌握不同類型傳感器的結(jié)構(gòu)和功能，將抽象的傳感器原理知識(shí)具體化。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐及效果

在2010—2012年連續(xù)兩個(gè)學(xué)年的傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，分別在交通信息與控制專業(yè)、電子信息工程專業(yè)實(shí)施以上實(shí)驗(yàn)改革措施。學(xué)生的動(dòng)手操作不僅限于課堂上的四十五分鐘，只要在現(xiàn)代電子實(shí)驗(yàn)中心的開放時(shí)間內(nèi)（現(xiàn)代電子實(shí)驗(yàn)中心全年對(duì)學(xué)生開放），學(xué)生都可以使用實(shí)驗(yàn)室的資源來進(jìn)行自主設(shè)計(jì)和制作，實(shí)驗(yàn)室充分滿足學(xué)生在實(shí)踐過程中對(duì)元件和器材的需求。針對(duì)該門課程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，取得的良好教學(xué)效果主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面。

第一，避免傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)課對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地和時(shí)間的依賴性，在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試具有某種特定功能的傳感器，也可利用課余時(shí)間在開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)操作，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；第二，放棄當(dāng)前實(shí)驗(yàn)過程片面追求實(shí)驗(yàn)結(jié)果而導(dǎo)致與理論知識(shí)脫節(jié)、實(shí)驗(yàn)效果差的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇思路，采用與理論知識(shí)緊密結(jié)合，讓學(xué)生加深對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的深入理解，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇思路；第三，改進(jìn)當(dāng)前以連線為主的實(shí)驗(yàn)方式，讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作、分析、調(diào)試的綜合性實(shí)驗(yàn)操作方式，提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和分析解決實(shí)際問題的能力；第四，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程考核中的比重，在提高教學(xué)效果的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)精神；第五，發(fā)現(xiàn)并培養(yǎng)了一批專業(yè)技能較為突出的學(xué)生，為他們專業(yè)技能的提高提供制度和物質(zhì)支撐。這些學(xué)生在全國及省市的各類科技競(jìng)賽中，取得了包括全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)在內(nèi)的一系列優(yōu)異成績。

針對(duì)傳感器與檢測(cè)技術(shù)這門課程，我們所探索的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，其目的是為了真正提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，以及完善學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)掌握情況的科學(xué)評(píng)價(jià)。實(shí)踐證明，這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施取得了一定的成效。然而，教學(xué)改革是一項(xiàng)長期、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要不斷地探索和實(shí)踐，才能有助于教學(xué)質(zhì)量的提高，有助于優(yōu)秀人才的培養(yǎng)。

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