傳感器與檢測(cè)技術(shù)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

戴永濤 謝友慧

摘?要：傳感器與檢測(cè)技術(shù)是一門應(yīng)用性較強(qiáng)的專業(yè)課程，本文針對(duì)教學(xué)中所存在的問題，如采用的實(shí)例應(yīng)用偏離學(xué)生認(rèn)識(shí)范疇、教學(xué)過程不夠靈活、課程思政結(jié)合生硬等問題，討論了教學(xué)設(shè)計(jì)的原則、要求和注意事項(xiàng)；再通過一個(gè)教學(xué)案例設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了所提出的設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：傳感器與檢測(cè)技術(shù)；教學(xué)案例；案例設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.20.091

0?引言

傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程它綜合了物理學(xué)、微電子學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、精密機(jī)械、微細(xì)加工等多方面的知識(shí)和技術(shù)。其目標(biāo)是使學(xué)生了解檢測(cè)系統(tǒng)與傳感器的靜、動(dòng)態(tài)特性和主要性能指標(biāo)，掌握常用傳感器的工作原理和常見非電量參數(shù)的檢測(cè)方法、檢測(cè)系統(tǒng)中常用的信號(hào)放大電路、信號(hào)處理電路與信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等。其基本要求是通過本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決生產(chǎn)實(shí)際中信息采集與處理問題的能力，同時(shí)力求培養(yǎng)學(xué)生客觀、鉆研的精神及認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙W(xué)習(xí)態(tài)度。

依據(jù)教學(xué)大綱，通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)具備相應(yīng)的素質(zhì)、技能、知識(shí)和能力：

（1）思政素養(yǎng)目標(biāo)。讓學(xué)生樹立強(qiáng)烈的愛國(guó)主義使命感與責(zé)任心。培養(yǎng)客觀、鉆研的工匠精神、良好的人文素養(yǎng)以及認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙W(xué)習(xí)、做事的態(tài)度。

（2）知識(shí)目標(biāo)。理解傳感器與檢測(cè)技術(shù)的基本概念，檢測(cè)裝置的基本特性，學(xué)會(huì)誤差分析與數(shù)據(jù)處理的方法，并做相應(yīng)分析。

（3）能力目標(biāo)。通過分析各種形式傳感器的原理，結(jié)構(gòu)以及相關(guān)測(cè)量電路的介紹，學(xué)會(huì)運(yùn)用非電量檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)檢測(cè)方法。

（4）素質(zhì)目標(biāo)。培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等解決生產(chǎn)實(shí)際中信息采集與處理問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生具有終身學(xué)習(xí)與持續(xù)發(fā)展的意識(shí)和能力。

1?存在問題及分析

該課程是一門應(yīng)用型的課程，其知識(shí)內(nèi)容都是實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)理論提取，首先，常見的教材編寫和教學(xué)模式，往往是按照理論，即相關(guān)實(shí)例這樣的思路來教學(xué)，這種認(rèn)識(shí)邏輯在學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)不能形成較深的一個(gè)印象。其次，在早期的教材編寫中，很大一部分實(shí)例都是工業(yè)中的應(yīng)用，后續(xù)的教材也延續(xù)了這一模式，這些應(yīng)用的例子，學(xué)生既沒有見過也沒有接觸過，加之有些圖片還是示意圖，幾乎都是泛泛地理解。再次，所選用的知識(shí)線比較單一，延伸擴(kuò)展的知識(shí)比較生硬，融合的思政元素也很不自然。

基于以上提出的幾點(diǎn)問題，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)可以做出相應(yīng)的改革。

首先，在講授理論知識(shí)前，先把實(shí)例給出，特別是能夠融合大部分知識(shí)的事例，而不是僅僅對(duì)應(yīng)單個(gè)小知識(shí)點(diǎn)，這樣在教學(xué)時(shí)學(xué)生有連貫性；且在給出事例后提出問題后，再去解決問題，即認(rèn)識(shí)其理論，既能加深學(xué)生的知識(shí)印象，也能培養(yǎng)其真正解決分析問題的思維。

其次，在尋找實(shí)例時(shí)，從生活出發(fā)，隨著生活中的科技應(yīng)用越來越多，各類傳感器的使用已經(jīng)從企業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域進(jìn)入普通生活，盡量選取學(xué)生能接觸到或者在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)能夠偶爾看到的實(shí)際應(yīng)用結(jié)合講解，這樣在學(xué)生更容易理解的同時(shí)，還能提升學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)同感和對(duì)自身專業(yè)的自豪感。

再次，需借著擴(kuò)展內(nèi)容合理自然地融合學(xué)習(xí)的思路、方法，以及積極正面的思想引領(lǐng)。

2?案例設(shè)計(jì)

本文中筆者是以傳感器與檢測(cè)技術(shù)教學(xué)中“光電效應(yīng)”學(xué)習(xí)部分為例，進(jìn)行具體的教學(xué)設(shè)計(jì)探索。

2.1?引入

給學(xué)生展示庭院燈（戶外感應(yīng)燈）這樣一個(gè)在生活中及在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上很常見的產(chǎn)品，介紹其免充電、天黑自動(dòng)亮，人經(jīng)過自動(dòng)高亮的幾個(gè)基本功能，既是顯示了討論對(duì)象的科技感，又可以讓同學(xué)們從能量變化的角度思考其原理，即光到電信號(hào)的一個(gè)變化過程，逐步引入知識(shí)主題。

讓學(xué)生結(jié)合之前所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，思考通常的電信號(hào)從哪些參數(shù)體現(xiàn)出變化。這既是對(duì)之前的分析方法及內(nèi)容的一個(gè)回顧，也為后續(xù)的幾個(gè)光電效應(yīng)的分類中變化參數(shù)的分析做準(zhǔn)備。這是一個(gè)思維方法的訓(xùn)練和積累的過程，也是對(duì)學(xué)生綜合總結(jié)能力的一個(gè)提升和練習(xí)。

2.2?略講光電效應(yīng)

由教師簡(jiǎn)要敘述光電效應(yīng)的內(nèi)容：光電材料（或物質(zhì)）在吸收了光能后而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象，即光照射某一物體，可以看作是一連串能量為E的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化。讓同學(xué)們考慮會(huì)有什么樣的變化？并以此引出相應(yīng)的3種類型的光電效應(yīng)。

2.3?講解外光電效應(yīng)

借以踢球?yàn)槔?，說明能量的傳遞，說明外光電效應(yīng)的內(nèi)容，并讓學(xué)生體會(huì)很多生活中的實(shí)情都是相通的。再相應(yīng)介紹發(fā)現(xiàn)外光電效應(yīng)的歷史，在了解科學(xué)家科研過程的同時(shí)，學(xué)著去思考實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)的現(xiàn)象，即為何對(duì)于某種特定的金屬來說，卻無法激發(fā)一個(gè)電子呢？讓學(xué)生思考不同顏色或者類型的光是以什么作為區(qū)分？光子的能量和什么有關(guān)？引導(dǎo)同學(xué)從愛因斯坦的光子理論出發(fā)，以火箭脫離地球進(jìn)入太空為形象事例，需克服地球的引力，說明本身發(fā)射時(shí)所需攜帶的最低能量，并由此推導(dǎo)出“紅限”。這是讓同學(xué)們站在科學(xué)巨人的肩膀上學(xué)習(xí)和分析問題，既可以訓(xùn)練研究思維，又可提升一種科研的自豪感，也能增強(qiáng)對(duì)科學(xué)家的尊敬與佩服。

2.4?講解內(nèi)光電效應(yīng)

教師講解內(nèi)光電效應(yīng)的內(nèi)容：在光線照射下，電子吸收光子能量后而引起物體的電導(dǎo)率（電阻率）發(fā)生變化，又稱光電導(dǎo)效應(yīng)。承接之前所用的方式，從能量角度分析，即電子能吸收能量增強(qiáng)“活力”（動(dòng)能），再引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比與外光電效應(yīng)的效果看有什么差別？在半導(dǎo)體材料中只能從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，卻是無法溢出表面的。這樣既能通過對(duì)比得出兩者的“內(nèi)”“外”之別，又加深了兩者所對(duì)應(yīng)采用的主要材料的比較，為后續(xù)的元件介紹做好準(zhǔn)備打下伏筆。

2.5?講解光生伏特效應(yīng)

在內(nèi)光電效應(yīng)介紹的半導(dǎo)體中躍遷的內(nèi)容基礎(chǔ)上，讓學(xué)生思考：如果此時(shí)增加PN結(jié)，會(huì)有什么變化？也就是PN結(jié)位置的自由電子增多的情況。由模電中的PN結(jié)形成的知識(shí)進(jìn)而解釋產(chǎn)生電壓的過程，并以此說明知識(shí)的積累過程，告誡學(xué)生一步步扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)才有利于后續(xù)的學(xué)習(xí)。

2.6?結(jié)合實(shí)例說明具體應(yīng)用

重新展示“引入”部分的庭院燈（戶外感應(yīng)燈），讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)，思考其三個(gè)基本功能是什么原理？

（1）免充電。由光能到電能的轉(zhuǎn)變，即基于光生伏特效應(yīng)，實(shí)際應(yīng)用就是常見的太陽能電池板。

（2）天黑自動(dòng)亮。從光照的亮度信號(hào)控制燈的亮滅，是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，在此即是電阻值的變化，由亮度影響到電阻率，再進(jìn)而改變阻值大小，即是基于內(nèi)光電效應(yīng)。

（3）人經(jīng)過自動(dòng)高亮。常見的識(shí)別是通過聲控或者光控，這里強(qiáng)調(diào)通過光控（即紅外線識(shí)別方式）來分析，具體可分為熱探測(cè)器和分子探測(cè)器，原理有不同，但屬于光電效應(yīng)范疇。可將紅外線的識(shí)別留給學(xué)生自己去擴(kuò)展了解。

本部分的設(shè)計(jì)是一個(gè)首尾呼應(yīng)，開始所引入的實(shí)例應(yīng)用，在經(jīng)過相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)后，直接結(jié)合應(yīng)用讓學(xué)生分析和體會(huì)。體現(xiàn)了從理論轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品即知識(shí)到生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)變，讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)知識(shí)的目的是在于應(yīng)用、在于轉(zhuǎn)化，要積極多聯(lián)想、多創(chuàng)新、多去開闊視野。

3?總結(jié)

本案例內(nèi)容大概上課時(shí)長(zhǎng)為20分鐘，該教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)合所提出的改進(jìn)思路，選用學(xué)生生活中常見的實(shí)際應(yīng)用為切入點(diǎn)，改換了常規(guī)教材設(shè)計(jì)中理論知識(shí)的講授模式，采用感性接觸—理論學(xué)習(xí)—應(yīng)用分析原理的方式，更加深了理解。開頭提出的庭院燈如何實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的疑問，最后做出了說明和解答，首尾呼應(yīng)。期間合理自然地融入思想引導(dǎo)和方法論等思政元素。教學(xué)本身，既要培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，又要引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的“三觀”，激發(fā)對(duì)祖國(guó)的熱愛。

參考文獻(xiàn)

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