《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》實(shí)踐教學(xué)的探討

寧小波 洪求三

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》是電氣自動(dòng)化、電子信息工程及機(jī)械電子工程等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課程，主要講授檢測(cè)技術(shù)和測(cè)量系統(tǒng)的基本知識(shí)、各種類(lèi)型傳感器的組成結(jié)構(gòu)、基本原理、檢測(cè)電路和應(yīng)用場(chǎng)合等方面的內(nèi)容[1]。在課程進(jìn)行的教學(xué)研究中，我們根據(jù)該門(mén)課程具有的特點(diǎn)，不斷地對(duì)教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行多方面的探索，注重實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)，努力增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力與實(shí)踐操作意識(shí)。本文從《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程特點(diǎn)出發(fā)，分別從設(shè)計(jì)思想、具體措施和考核體系等三個(gè)方面對(duì)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了有益的探討。

1 實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)思想

目前傳感器技術(shù)的發(fā)展歷程可分三個(gè)階段。第一個(gè)階段為結(jié)構(gòu)型傳感器，主要利用傳感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化達(dá)到信號(hào)轉(zhuǎn)換的目的，如電感、電容、電阻等電參量。第二個(gè)階段為固體型傳感器，這種類(lèi)型傳感器主要利用磁性材料、電介質(zhì)、半導(dǎo)體等固體元件某些特性制作而成。第三個(gè)階段為近幾年發(fā)展起來(lái)的智能型傳感器，它融合了檢測(cè)技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有一定的智能信息處理能力。未來(lái)的傳感器將會(huì)不斷地采用新工藝、新材料來(lái)提高和優(yōu)化傳感器的性能，傳感器技術(shù)也將越來(lái)越先進(jìn)，其種類(lèi)越來(lái)越豐富。傳感器正由傳統(tǒng)型、分立式朝向智能化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[2]。

傳感器技術(shù)的發(fā)展歷程決定了“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程具有如下特點(diǎn)：

1.1 多學(xué)科交叉融合

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程教學(xué)包含了物理、電子學(xué)、材料學(xué)、數(shù)學(xué)、生物科學(xué)、化學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等多方面知識(shí)。

1.2 操作性強(qiáng)

由于傳感器技術(shù)需要實(shí)踐操作，僅靠傳統(tǒng)的理論課堂教學(xué)已經(jīng)很難將各種類(lèi)型傳感器、測(cè)試儀器、測(cè)試方法的學(xué)習(xí)使用，以及測(cè)試系統(tǒng)的組成應(yīng)用等教學(xué)內(nèi)容以良好的教學(xué)效果傳授給學(xué)生，所以《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程教學(xué)必須輔以一定比例的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`教學(xué)課時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生具有選用和使用各種類(lèi)型傳感器的基本實(shí)踐技能，提升學(xué)生具有利用傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)檢測(cè)裝置的應(yīng)用能力和調(diào)試能力。

1.3 傳感器技術(shù)更新周期短

新材料、新技術(shù)的使用使傳感器技術(shù)日新月異，測(cè)試方法和手段種類(lèi)也日益繁多。特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)進(jìn)一步融合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可對(duì)傳感器的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集、監(jiān)測(cè)與處理[3]。

因此，隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程教學(xué)對(duì)教師和學(xué)生提出了更高的要求[4-6]。由于該門(mén)課程的每一章節(jié)的內(nèi)容均或多或少地涉及到實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，所以本課程實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)思想是在掌握各種類(lèi)型傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)加深學(xué)生們對(duì)各種常用傳感器的性能特點(diǎn)、使用場(chǎng)合及其在工程測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用中的認(rèn)識(shí)。

2 實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的具體措施

2.1 課堂演示教學(xué)法

許多學(xué)生在接觸這門(mén)課程之前，對(duì)傳感器技術(shù)并不是十分了解，有時(shí)即使遇到，甚至接觸過(guò)，但也可能熟視無(wú)睹。因此，在進(jìn)行課堂教學(xué)中，可以通過(guò)介紹生活中常見(jiàn)的各種實(shí)際應(yīng)用案例，比如電飯鍋、電梯等電氣設(shè)備的工作過(guò)程以及校園卡刷卡消費(fèi)等，采用多媒體通過(guò)聲音、視頻展示溫度傳感器、光電傳感器、磁電傳感器等生活中各類(lèi)傳感器實(shí)際使用情況，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)傳感器這門(mén)課程的好奇心和感性認(rèn)識(shí)。

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們可以一方面有意識(shí)地保留應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本學(xué)時(shí)數(shù)，另一方面酌情增加綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的比重，來(lái)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。可以組織如下的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)形式：

2.2.1 應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以選擇具有代表性的4個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2個(gè)學(xué)時(shí)。比如分別為1）電阻應(yīng)變片-全橋?qū)嶒?yàn)；2）熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)；3）電容式位移傳感器測(cè)距實(shí)驗(yàn)；4）差動(dòng)變壓器位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)。其內(nèi)容基本上涵蓋了課程教學(xué)的多個(gè)方面，可使學(xué)生較為系統(tǒng)地掌握傳感器的工作原理和專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用能力。

2.2.2 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，包括設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力和一定的創(chuàng)新能力；此外，還進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣和熱情。主要步驟如下：1）根據(jù)給定設(shè)計(jì)要求，確定檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步方案；2）選擇合適傳感器型號(hào)、設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路；3）設(shè)計(jì)并制作以單片機(jī)為處理器的硬件電路；4）對(duì)檢測(cè)信息進(jìn)行C語(yǔ)言處理程序的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行編譯與調(diào)試。通過(guò)設(shè)計(jì)，使學(xué)生感受到檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的初步訓(xùn)練、具有初步對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力。

2.2.3 綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

綜合型實(shí)驗(yàn)是通過(guò)自行設(shè)計(jì)制作實(shí)用電路，應(yīng)用傳感器的最小檢測(cè)系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法可以是教師提出要求學(xué)生拿出具體方案或參考教師設(shè)計(jì)方案，最終要求學(xué)生獨(dú)立制作完成并實(shí)現(xiàn)基本功能。設(shè)計(jì)一些常見(jiàn)的綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，作為選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如計(jì)算機(jī)溫度PID控制實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)速PID控制實(shí)驗(yàn)等。綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的在于讓學(xué)生掌握各種傳感器的正確使用方法，結(jié)合實(shí)用電路與傳感器的具體實(shí)踐，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力。

2.3 課程設(shè)計(jì)教學(xué)

根據(jù)人才培養(yǎng)方案的要求，可以安排一定專(zhuān)門(mén)時(shí)間進(jìn)行各類(lèi)傳感器檢測(cè)技術(shù)的課程設(shè)計(jì)教學(xué)，通過(guò)具體工程的測(cè)量要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作以及調(diào)試等一系列實(shí)驗(yàn)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)與動(dòng)手的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和實(shí)踐技能。題目的制定可以多種多樣，主要是將與日常生活聯(lián)系緊密的一些檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與所學(xué)的知識(shí)相結(jié)合。比如，要求學(xué)生依據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，從確定系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案、傳感器及電路元件的選擇、再到設(shè)計(jì)信號(hào)放大調(diào)理電路和與單片機(jī)相連的接口電路等，均要求學(xué)生獨(dú)立完成設(shè)計(jì)和動(dòng)手操作并測(cè)試，指導(dǎo)教師只是給予必要的啟發(fā)性指導(dǎo)，盡可能給學(xué)生最大的自主空間，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。以轉(zhuǎn)速報(bào)警系統(tǒng)為例，只給一些霍爾傳感器、電阻與二極管等電子元件、單片機(jī)、蜂鳴器、面包板、導(dǎo)線(xiàn)等器件，學(xué)生利用元器件在面包板上進(jìn)行布線(xiàn)、編程及測(cè)試。當(dāng)學(xué)生親眼看到自己的檢測(cè)系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行報(bào)警時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種莫大的成就感。在檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試成功之后，學(xué)生必須利用Protel軟件繪制相關(guān)電路設(shè)計(jì)圖及印刷電路圖，掌握電氣設(shè)備、電子元件等基本繪圖能力，為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)和今后成為專(zhuān)業(yè)技術(shù)高級(jí)應(yīng)用人才奠定基礎(chǔ)。

學(xué)生應(yīng)在指定的時(shí)間范圍內(nèi)，提交完成基本功能的檢測(cè)系統(tǒng)樣品和相關(guān)的設(shè)計(jì)報(bào)告等。同時(shí)在借鑒前人的工作基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度觀察問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。另外鼓勵(lì)學(xué)生參加學(xué)校每年一度的大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等面向大學(xué)生的科技活動(dòng)。

通過(guò)各種綜合性的課程設(shè)計(jì)及工程化的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，能夠鍛煉學(xué)生熟練操作各種傳感器、電氣元件與單片機(jī)之間的電路連接，以及各種電工儀器使用的能力，如數(shù)字萬(wàn)用表、示波器、穩(wěn)壓電源、電烙鐵等，同時(shí)也能夠培養(yǎng)學(xué)生借助儀器獨(dú)立排查電路故障的能力，使他們?cè)诟鞣N實(shí)踐活動(dòng)中能夠充分融合所學(xué)的各種知識(shí)，鍛煉成為工程師所必備的基本素質(zhì)和基本技能。

3 注重實(shí)踐環(huán)節(jié)，改革考核體系

針對(duì)《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程的教學(xué)特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有的考核方式進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。考核內(nèi)容注重體現(xiàn)學(xué)生對(duì)各類(lèi)傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際使用能力的檢測(cè)，降低理論課程考試成績(jī)所占比重，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考核：

第一，根據(jù)學(xué)生的平時(shí)上課的學(xué)習(xí)情況記錄，包括上課的出勤率、遲到早退以及布置作業(yè)完成情況，任課教師對(duì)此進(jìn)行評(píng)定，此項(xiàng)占總成績(jī)的10%；

第二，實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（共16學(xué)時(shí)）。實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目主要由應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三部分組成，根據(jù)學(xué)生的完成情況進(jìn)行評(píng)分，此項(xiàng)占總成績(jī)的40%，具體如下：

（1）應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（共8學(xué)時(shí)）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的完成情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)記錄、處理情況進(jìn)行評(píng)定，此項(xiàng)占總成績(jī)的20%；

（2）設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（共4學(xué)時(shí)），此項(xiàng)占總成績(jī)的10%。學(xué)生以4人為1組，必須完成一項(xiàng)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目的主要教學(xué)目的是指導(dǎo)學(xué)生掌握各種常用儀器儀表的使用，以及常用傳感器和電氣元件的選用及使用，培養(yǎng)學(xué)生具備一定的傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，同時(shí)也促使學(xué)生養(yǎng)成良好的協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

（3）綜合型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（共4學(xué)時(shí)），此項(xiàng)占總成績(jī)的10%。以小組為單位（人數(shù)一般不超過(guò)5人），學(xué)生必須完成一項(xiàng)綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目的教學(xué)目的主要讓學(xué)生掌握多種傳感器在同一測(cè)試系統(tǒng)中的不同作用，有利于培養(yǎng)學(xué)生具有在實(shí)際工業(yè)過(guò)程中綜合使用傳感器的能力。

第三，理論課程（共24學(xué)時(shí)），需要通過(guò)考試進(jìn)行評(píng)定，此項(xiàng)占總成績(jī)的50%。根據(jù)應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)方案的要求，理論課程考試是整個(gè)考核體系必須進(jìn)行的一個(gè)環(huán)節(jié)。課程教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)各種傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)及檢測(cè)電路的構(gòu)成必須有一定的了解和認(rèn)識(shí)，這將為學(xué)生日后的從事各種測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際開(kāi)發(fā)工作提供有益的幫助。

4 結(jié)束語(yǔ)

教師在“實(shí)踐中教”，學(xué)生在“實(shí)踐中學(xué)”，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，也有利于提高教師不斷進(jìn)行知識(shí)更新的求知欲，促進(jìn)教師實(shí)踐能力的進(jìn)一步提升。隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，傳感器技術(shù)也將不斷提高，這對(duì)《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容以及任課教師的實(shí)踐教學(xué)能力必然都提出了新的要求。因此，我們將與時(shí)俱進(jìn)，緊跟傳感器技術(shù)發(fā)展的前沿，不斷地調(diào)整《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)的方法，豐富實(shí)踐教學(xué)的手段，完善對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)該門(mén)課程的考核體系，注重于實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際解決問(wèn)題的能力進(jìn)行融合，使學(xué)生畢業(yè)后能夠較快地適應(yīng)相關(guān)企業(yè)和公司的需要。

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