应用现代教学技术开展传感器教学活动的探讨

刘新福 刘金河 范明天 邹红丽 （河北工业大学 天津300130）

传统的传感器教学是依据粉笔和黑板来完成的，[1]当遇到展示一个大型复杂的图形时就会耗费许多宝贵的课堂教学时间。在黑板上画出的图形，不仅不能运动还耽误较多的教学时间，同时教学中需要动态化展示的许多传感器案例，仅仅靠平面图形解释起来既困难，又繁琐，而且还很难透彻地解释清楚，直接影响教学效果。

随着计算机技术的普及，人们利用多媒体课件代替了原始的教学方式，但同时又发现，多媒体课件有很大的弊端：[2-6]即动态的内容较少，并且真正运动的机构或器件不太容易制作，所以影响到教学水平的进一步提高。

为此，我们提出采用软件技术来制作动态效果的富有演示功能的教学素材，以改进教学模式，丰富课堂教学素材，达到引导学生热爱学习和主动学习的目的。

1 引入用应变片测量桥梁断裂过程实际试验的视频，提高教学效果

在电阻式传感器教学中，引入用应变片测量桥梁断裂整个试验过程的视频材料，从应变片的分拣、粘贴、测量位置的选取，以及力的加载，到发生初步的梁的裂缝的出现，直至梁的断裂过程，整个测量过程都利用应变片有效的监测完成。学生通过观看完整的工程测试过程，再经课堂的总结分析，将会得出工程实际应用中应变片传感器测量具有非常重要的价值的结论。

2 传感器动态教学方案设计在课堂中的应用

传感器课程中涉及很多传感器原理与概念介绍，由于原理较复杂，解释起来就需要图形的辅助和动作的演示等等，非常繁琐而且也不直观。为此，在借鉴他人的成果及改进了局部构思后，尝试了下述的动态化教学方案。

2.1 电感式传感器工作原理动态演示教学方案

电感式传感器即差动变压器，由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动变压器激励，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。差动变压器是开磁路，工作建立在互感基础上。为此，我们先进行图片的展示：将一只交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机器用的控制变压器的交流电压源上，先用图进行展示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。然后，再利用动态方案进行设计，完成电感传感器原理的展示工作。

2.2 电阻式传感器——将应变式传感器在电子衡中的应用进行动态演示

电阻式传感器就是利用非电学量（如力、位移、加速度、角速度、温度、光照强度等）的变化，引起电路中电阻的变化，从而把不易测量的非电学量转化为电学量，便于测量，并且可以输入计算机进行处理，这就是电阻式传感器的原理。例如，利用金属的电阻率随温度变化而制作的电阻温度计，就是一个电阻式传感器的应用实例。

制作应变式传感器并将其在电子衡中的应用进行动态演示，达到的效果如下：从动态图形中可以演示应变片变长及压缩的情况，然后可以从接成的桥路中对应设置应变片的位置，对应测量的结果全部进行动态的显示，加深学生对概念的理解，增强学习效果。

2.3 光电传感器——光敏电阻演示

在光线作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态，引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。

受到光照射时光电导变大。当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。该原理进行动态设计非常容易，在动态的图画中可以清楚地看出有光照与无光照的对比效果，达到了模拟真实原理的视觉效果。

2.4 霍尔传感器——霍尔效应演示

霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力作用而产生的。

设霍尔元件为N型半导体，置于磁场B中，当它通以电流I时，半导体中的自由电荷即载流子（电子）受到磁场中洛仑兹力FL的作用，向垂直于磁场B和电流I方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即电子有向某一端积聚的现象，使半导体一端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。由于电荷聚积，产生静电场，该静电场对电子的作用力FE与洛仑兹力FL方向相反，将阻止电子继续偏转，当FE与FL相等时，电子积累达到动态平衡，此时的静电场即为霍尔电场，在电荷积聚的两个面上产生的电势称为霍尔电势。设置动态方案，完成这样的演示效果，增强观赏性，最后将公式动态显示出来以加深理解。

2.5 电容传感器应用实例演示

我们采用的是电容式接近开关在物位测量控制中的应用演示。这属于变极距型电容式传感器。即利用了极板之间距离的改变使得传感器的输出电容改变的例子。实际采用动态方式，动态演示在一个粮仓管理中的应用的动画效果，实现动态仿真的目的。

3 引入自主创新性项目设计，让学生主动参与课堂教学

在教学中，尝试采用自主项目创新性设计，主要是锻炼学生运用传感器基本知识的能力和口头表达的能力。具体方法是：采用以班级为单位，自由选择分为数个小组，每组成员用异想天开的方法，利用所学知识构想一个有实际应用价值的项目，称为奇思妙想方案。然后，小组成员再积极围绕此方案开展研究，达到将构想的项目用所学的传感器及测控电路知识实际设计出来的目标，最后通过课堂答辩的形式将各小组的方案进行展示，并分别给予不同的分数进行激励。这个活动经过学生的积极配合取得了较好的课堂教学效果。例如，有的小组设计了这样一个课题：汽车通过桥梁的时候，能够提醒司机限制汽车的高度装置，就是充分利用所学的光学传感器知识进行的应用设计，具有一定的新颖性和使用价值。

4 结束语

传感器动态课件设计是传感器现代化教学的一个重要技术方法。以上教学演示内容是传感器教学中的重要环节，设计动态效果演示课件是非常必要和有意义的，可调动学生积极参与课堂教学。限于时间和精力，我们仅仅开展了较少的动态课件的课堂应用以及较少的自制应用型的传感器工程分析视频素材的教学工作，该项课题还有待继续完善和加强。动态教学课件对促进传感器教学方式的改革具有很好的应用价值，[7-9]该课程中许多重要原理用动态演示的形式完成是非常有必要的，如果能够全部实现的话，将会极大地提高学生的学习兴趣，一定会提高课堂的活跃度，使学生的学习效果更好。■

[1]钟曼莉，刘志文.课件的精心准备和合理运用是关键[N].中国教育报，2005-4-25（5）.

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