傳感器原理及應(yīng)用教學(xué)改革的思考

凌澤斌

（桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

0 引言

傳感器是獲取準(zhǔn)確可靠信息的一種檢測(cè)裝置，是測(cè)控系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1，2]。測(cè)量對(duì)象包括物理量、化學(xué)成分和生物活性單元。傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、國(guó)防、科學(xué)技術(shù)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，幾乎每個(gè)項(xiàng)目都離不開各種各樣的傳感器[3]。傳感器原理及應(yīng)用是桂林理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)本科學(xué)生學(xué)習(xí)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，總學(xué)時(shí)為48個(gè)學(xué)時(shí)，其中40個(gè)學(xué)時(shí)為理論，8個(gè)學(xué)時(shí)為實(shí)驗(yàn)，每周3個(gè)學(xué)時(shí)。按照以往的要求，課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括電阻應(yīng)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(duì)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(lián)網(wǎng)傳感器、量子傳感器、化學(xué)與生物傳感器等缺少最新的傳感器技術(shù)內(nèi)容[4]，或者缺少交叉學(xué)科的融合。傳統(tǒng)的教學(xué)方法在于理論講授[5]，學(xué)生沒(méi)有傳感器實(shí)物，缺乏傳感器應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，以及實(shí)驗(yàn)操作意識(shí)和能力的培養(yǎng)，教學(xué)過(guò)程缺少對(duì)學(xué)生綜合考核的措施，制約了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。本文針對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和綜合考核出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了傳感器原理及應(yīng)用教學(xué)的改革措施。

1 理論教學(xué)改革

1.1 教學(xué)內(nèi)容改革

教學(xué)內(nèi)容改革是教學(xué)改革的核心，本課程中主要介紹的傳感器包括電阻應(yīng)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(shù)發(fā)展很快，教學(xué)內(nèi)容體系無(wú)法滿足人才培養(yǎng)的需求，隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)的要求也越來(lái)越高，但教學(xué)內(nèi)容相對(duì)滯后。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(lián)網(wǎng)傳感器、量子傳感器、化學(xué)與生物傳感器等新技術(shù)不斷出現(xiàn)。如激光測(cè)距傳感器、激光測(cè)量速度傳感器、激光測(cè)量脈沖寬度傳感器。利用量子技術(shù)開發(fā)了導(dǎo)航、資源勘測(cè)和重力磁場(chǎng)圖像檢測(cè)傳感器等。化學(xué)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?jìng)鞲衅?、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(zhì)傳感器等現(xiàn)代傳感器技術(shù)沒(méi)有在教學(xué)內(nèi)容中體現(xiàn)。對(duì)于機(jī)電專業(yè)本科生來(lái)說(shuō)，物理量檢測(cè)傳感器技術(shù)是必須掌握，是教學(xué)內(nèi)容的主體，而化學(xué)工程和生物醫(yī)學(xué)工程傳感器必須了解，是教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充。由于信息技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容體系要體現(xiàn)出智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)，擴(kuò)展和加深教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的興趣，對(duì)于學(xué)生參與畢業(yè)設(shè)計(jì)或者參與研究項(xiàng)目可以奠定一定的基礎(chǔ)。

1.2 教學(xué)方法改革

傳感器原理與應(yīng)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(jié)省板書時(shí)間，也提高了教學(xué)內(nèi)容和效率。多媒體以動(dòng)畫形式演示傳感器的工作原理，如學(xué)習(xí)光柵傳感器時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難使學(xué)生理解莫爾條紋的形成及其移動(dòng)過(guò)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(xué)生對(duì)于傳感器概念不清楚，如光柵和光電編碼器的信號(hào)相位差是什么意思、兩個(gè)系列脈沖的上跳沿的哪一個(gè)先到達(dá)等需要采用板書圖解的方法讓學(xué)生了解。在課堂設(shè)計(jì)方面，首先，讓學(xué)生簡(jiǎn)單了解傳感器實(shí)物或者圖片及應(yīng)用，建立感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。然后，講解原理和測(cè)量電路。最后，在課堂留下10分鐘時(shí)間，以便回顧知識(shí)點(diǎn)前后呼應(yīng)并留下習(xí)題，緩解學(xué)生的疲勞感，有效提高了課堂教學(xué)效果。對(duì)于機(jī)電、電子信息和電氣等專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，化學(xué)和生物傳感器課程宜增加至少2個(gè)學(xué)時(shí)，通過(guò)化工和生物醫(yī)學(xué)工程的教師進(jìn)行授課，有利于拓展交叉學(xué)科的視野，打破傳統(tǒng)的教學(xué)方式和人才培養(yǎng)模式，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對(duì)于當(dāng)前最先進(jìn)的傳感器技術(shù)，可以通過(guò)查閱圖書館中的資料或者到企業(yè)參觀，甚至積極觀摩學(xué)術(shù)研討會(huì)，不僅可讓學(xué)生了解最新的專業(yè)知識(shí)，還可結(jié)合教師的科研、課題等情況，擴(kuò)充課堂講授內(nèi)容。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括電阻應(yīng)變傳感器、電容傳感器、電感傳感器、差動(dòng)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(shù)。隨著社會(huì)需求的增加，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須增加學(xué)時(shí)，達(dá)到12個(gè)學(xué)時(shí)，使實(shí)驗(yàn)占用總學(xué)時(shí)的25%。增加實(shí)驗(yàn)包括超聲波傳感器、激光測(cè)量傳感器、固體圖像傳感器、物聯(lián)網(wǎng)傳感器。在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生要了解實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)驗(yàn)原理及原理圖，實(shí)驗(yàn)器件、電源和儀器，實(shí)驗(yàn)步驟，選用器件、電源和儀器，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等。在傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，使學(xué)生將電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、微機(jī)原理及接口技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)與傳感器技術(shù)相融合，掌握MATLAB、LabVIEW、C++等軟件的編程方法，激發(fā)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。如本課程設(shè)計(jì)采用株洲中航技術(shù)公司研制的ZA110型位移傳感器，量程是2mm，測(cè)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(cè)位移是鉆床工作臺(tái)，工作行程為1 mm?？赏ㄟ^(guò)電子技術(shù)采用運(yùn)算放大器和分壓電路把傳感器輸出電壓轉(zhuǎn)換成為0~5 V，把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。然后把轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)通過(guò)微機(jī)原理及接口以便進(jìn)行連接，連接計(jì)算機(jī)后采用MATLAB軟件進(jìn)行電壓處理，最后把處理的數(shù)據(jù)通過(guò)LabVIEW軟件把位移圖形顯示出來(lái)，如果需要控制的話計(jì)算機(jī)把數(shù)字位移結(jié)果再轉(zhuǎn)換成模擬位移量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合比較好，提高了學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

3 成績(jī)考核改革

傳感器原理及應(yīng)用課程考核采用期末考試的方式，但是不能考核平時(shí)成績(jī)，更不能考查實(shí)驗(yàn)的成績(jī)。另一種考核方法采用平時(shí)考核30%，包括平時(shí)的出勤、作業(yè)練習(xí)和課程討論分別占總成績(jī)的10%、10%和10%[6]，期末考試采用閉卷考試方法，占總成績(jī)的70%。但是對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程考核不理想，主要是課程考核方法偏重應(yīng)試為主的期末考試在總評(píng)中所占的比重太大。通?？疾閮?nèi)容以基礎(chǔ)知識(shí)為主，缺少能力和素質(zhì)的考查。針對(duì)傳統(tǒng)傳感器課程考核方法存在的問(wèn)題，摒棄傳統(tǒng)應(yīng)試方式帶來(lái)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(qiáng)對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的考核，以提升考核對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的督促和促進(jìn)作用。改革后成績(jī)考核包括平時(shí)、實(shí)驗(yàn)和期末考試三部分，平時(shí)成績(jī)包括出勤、作業(yè)和討論分別占總成績(jī)10%、15%和5%，提高習(xí)題作業(yè)比例。期末考試必須采用閉卷考試，占用總的成績(jī)的40%，其中單純基礎(chǔ)知識(shí)的填空、選擇題和簡(jiǎn)答題等，學(xué)生無(wú)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(jì)算設(shè)計(jì)式的考試題目的比例必須提高，以便考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合掌握程度。實(shí)驗(yàn)考核包括測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，占總成績(jī)的30%。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前傳感器原理及應(yīng)用課程教學(xué)存在的問(wèn)題，教學(xué)改革內(nèi)容包括增加物理量測(cè)量技術(shù)，引進(jìn)化學(xué)和生物傳感器技術(shù)，拓展交叉學(xué)科的視野；增加圖解法、前后呼應(yīng)法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率；增加實(shí)驗(yàn)比重，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和解決問(wèn)題的能力；改善成績(jī)考核的方法，使平時(shí)、實(shí)驗(yàn)和期末考試的成績(jī)考核更加合理和優(yōu)化。