《传感器与检测技术》课程教学模式创新探讨

朱 立， 李跃忠， 钱 敏， 夏 洪

(东华理工大学机械与电子工程学院，江西抚州344000)

《传感器与检测技术》课程教学模式创新探讨

朱 立， 李跃忠， 钱 敏， 夏 洪

(东华理工大学机械与电子工程学院，江西抚州344000)

“传感器与检测技术”作为一门专业应用性课程，其理论在工业制造及科研领域中均起着技术导向性作用。针对综合性强的课程特点，以及传统教学方式在教学中凸显的问题，文章着重从理论教学和实验教学两方面提出了教学模式的创新，并对改革实施效果进行了分析总结。

传感器与检测技术;理论教学;实验教学

随着信息时代的到来，任何一项决策的正确性、科学研究的可行性、高新技术的有效应用，都将基于对外界信息的准确获取，以及对成果输出的如实反馈。传感器检测作为实现测试对象与控制系统接口的一项核心技术，已被列为目前优先发展的科技领域之一［1］。

《传感器与检测技术》为电气信息类及工程技术专业的实用性专业课程［2］。鉴于该门课程学科上的交叉性:融合电学、光学、力学、半导体物理等多项理论;渗透自动控制、计算机技术、信息处理等多种工程方法;其触角也已广泛深入到工业生产、日常生活、军事医疗等应用领域中，我们力求有效的教学模式，利用有限的课时，呈现这门学科的精髓所在，引导学生实现由理论掌握到实践能力的提升，并对该领域相关的研发有所创新思考。

1 传统教学中存在的问题

1.1 课时有限与课程复杂的矛盾

有限的课时分配与繁杂的课程内容形成矛盾，是教学安排上的一大难点。《传感器与检测技术》的开设建立在数模电等专业基础课之上，但学生对这些课程的掌握和记忆情况，却往往在教学期望之下，表现为学生对课堂内容的理解耗时且吃力。因此，急需寻求高效直观的授课方式，提高课时成效。

教材普遍以检测原理对传感器分类，进行章节划分，但由于知识的相通性，难以避免内容重复，如差动结构对传感器灵敏度的提高，合理选择激励源对传感器检测效果的改善等。

随着新型传感器不断涌现，传感检测技术呈现种类细化、数量增多的趋势。若对课程的要求仅止于掌握几类基本传感器的检测原理，那么学生今后将感觉理论的更新与实际脱节。

1.2 课堂教学与实验教学的重复

课程一般安排8个课时实验，且均为验证性实验:给出实验器材、电路图，学生只需依照实验步骤调试，记录、分析数据即可。如此，学生最终掌握的也仅是对实验台的操作及基本的物理原理，而与工程实践严重脱节，并未达到实验教学重在应用、让学生在动手的同时兼锻炼思维能力的教学目的［3］。

1.3 课程要求与考核方式的矛盾

我们一再强调教学方式多元化，但由于我国高等教育的改革不可能一蹴而就，因此，该门课程作为必修课，其考核方式还是以卷面考试为主，而闭卷考核形式对学生动手能力的考察是有限的。我们审阅了往年的考卷，发现不乏存在卷面成绩与平时思维能力表现不成正比的现象。所以，现有的课程考核方式的有所侧重，在某种程度上压制了学生对自身综合能力的锻炼。

2 教学模式的相应改进与实施成效

任何一门课程，扎实掌握其基础理论是必须的，而实践作为最终的教学目的，在激发学生兴趣，引导学生将知识体系与工程实际接轨中起着促进作用。因此，对于这两者的“度”的掌握至关重要，既不能局限于数理层面的讲授，也不可在理论根基不牢固的情况下盲目加大实验力度。

2.1 针对理论教学方式的改革

2.1.1 以应用为导向的倒叙式理论教学

“传感器与检测技术”课程传统的教学安排为:先做理论推导，再在应用介绍中对理论进行巩固。在理论讲授阶段，因涉及到大量的数理推导，学生会因内容相对枯燥、抽象而难以始终保持关注，导致在之后的应用介绍阶段，理解上又感困难。所以，为了在整个课时中饱满地调动学生的积极性，我们对传统教学思路做了相应的调整——由应用入手，围绕实例展开原理分析。

如对光敏电阻的讲解。我们首先提出其应用实例——节能电梯(图1)。学生对于课堂所学能应用到日常生活中，兴趣总是比较高昂的。

图1 节能电梯示意图

其工作原理是大家熟知的:无人搭乘时电梯缓慢运行，有人靠近搭乘时改为快速运行。但如何利用传感检测技术实现这种功能?——系统感知到有人靠近时电动机快速运转，反之，无感应信号时低速运转。对有无乘客靠近如何进行判断?(1)装置发射红外光;(2)装置为接收器，有无人靠近对应为红外光的通过和被遮挡。光信号的有无又通过何种敏感元件感知?如此最终引出光敏电阻，其阻值随光照而呈反比变化的性能。最后再上升到理论本质，从半导体物理角度讲解内光电效应的原理。

由应用实例引出问题，随着进一步提出问题、对问题的解决，这种层层递进“谜底揭晓”式的教学方式，必然能带动学生的求知欲，最后回归到对基本原理的探究，加深学生对整个检测系统的理解，使理论教学过程不再枯燥抽象。

2.1.2 教学内容与教学手段的匹配

在教学改革中，提倡采用多媒体教学的呼声越来越高。但我们认为，多媒体和板书教学方式本应是相辅相成的。多媒体教学优势在于生动形象，画面相比与数字，更能激发学生的关注度、加深对知识的记忆。但对于工科课程，课件教学容易陷入照本宣科的尴尬局面，难以形成老师与学生的同步思维。鉴于两种教学方式各有所长，我们在课堂教学中注重把不同的教学手段应用在能充分发挥其优势的教学内容中。

对于多媒体教学，我们将其应用到教学中，让学生对所学内容首先有一个直观的掌握，对于一个新概念，先解决“为何物”的疑问。

比如对“霍尔式传感器”的教学，学生对霍尔效应的本质难以理解。但若通过图2动画演示，学生将易于理解霍尔效应本质:自由电子在磁场中受力，漂移聚集的过程。

图2 霍尔效应动画演示截图

包括光电效应、涡流效应等，几乎任何一类传感器所基于的原理都可以flash形式动态演示。这样，既能让学生有直观的理解，又可大大提高课堂效率。

对于原理的掌握，我们的教学目标不能只停留在定性了解阶段，所以，课堂的讲授势必离不开定量的推导和计算。这部分教学内容，我们认为，黑板板书比课件教学更具成效。一方面老师的板书推导可以同步于学生思考速度，另一方面这对老师有了更高的要求，也可提升学生对教师的信服度。

例如，对霍尔效应做了动态演示后，我们还需计算霍尔电压值UH=KHBI，帮助学生定量地理解各物理量对霍尔电压大小的影响。对于内容本身不具备生动性的知识点，其讲解更应注重方式。比如，我们应把推导的重点放在各表达式的环环相扣，各变量间的相互关联上。如图3所示，从微观层面的粒子受力平衡入手，分别展开对洛伦兹力FL和电场力FE的计算，最后导出霍尔电压UH表达式，指出霍尔输出电压除了受磁场强度B、通电电流I的影响外，还与材料种类(载流子浓度n)以及材料尺寸(厚度d)有关，再引申到为什么霍尔片通常做成薄片状，在材料的选择上为何多采用N型半导体［4］。这样的讲解层次分明，使讲解和理解都更为容易。

图3 对霍尔电压值的推导过程

板书和多媒体相结合的教学方式，让学生对霍尔式传感器如何实现信号检测的理解，既有画面可联想，又有公式数据可依，能对课堂所学内容更牢固更深入地掌握。

2.1.3 学生参与课堂教学

传感器的种类成千上万，检测技术的发展也日新月异，但教学不可能无限扩充学时来紧跟当前科技的更新动态。所以，我们把这部分教学内容安排学生自主完成，并鼓励学生间实现知识分享。比如，完成对热电偶的学习后，布置学生课后搜集“目前非标准化热电偶的应用实例”，并整合资料在课堂上进行讲解。实施效果表明，大部分学生积极于这样的对前沿科技的探求工作，能够从材料选择、工作原理、检测性能等方面分析各类传感器的优缺点及适宜的应用领域。在资料查找及讲解与互享的过程中，学生对课堂所学做到了巩固，并有效地与实际建立了应用关联。

2.1.4 开辟不同的支线做课程小结

在教学中，出现许多原理相似或应用领域相同的传感器，在课程小结中可考虑基于这样的线索对课程内容做一个归类总结。比如，差动结构对电阻应变式、电感式、热电阻式传感器分别如何起到性能改善的效果。对压力、液位、位移的检测，分别可利用哪些传感器如何实现等等。选择一个新的知识体系划分方法，让学生从另外一个角度对所学的内容进行梳理和回顾，能让学生产生二次兴趣并有新的领悟。

2.2 针对实验教学的改革

2.2.1 验证型试验增强应用性

传统实验大纲中编写的实验，多数为基于专业实验台的操作，基本为相关物理效应的演示。为了增强理论与应用的关联，对于传感检测技术的原理验证，我们融合了对产品实例的分析。

比如，对于光敏三极管的相关实验，我们为每个试验台准备一个烟雾报警器(图4)，鼓励学生拆开分析其内部运作原理。实验报告也并非简单的数据记录及处理，而是要求学生根据实物图，绘出烟雾报警器的内部电路，并通过简易的外部输出电路搭建，检测不同烟雾浓度时，报警信号输出情况。

图4 烟雾报警器实物图

实施这样改良过的验证型实验，课程内容更贴近实际，也不乏理论支持。学生也因切身感受到传感器检测技术的实用性，而能够对这门课程提升兴趣，加强重视。

2.2.2 实验内容向设计型过渡

我们尝试将课程体系中的知识转化为开放性设计实验，为学生提供更大的思维空间［5］。比如，试设计转速测量器，方法不限。具体实施颇具成效:部分学生选择涡流传感器，在转轴上设计一个金属突起;或利用霍尔传感器，在转轴上安装转盘，在转盘上安置N、S极相间的永磁;也有采用遮挡式光电检测，均最终实现检测信号的周期性突变，通过连接示波器对频率的记录推算转轴转速。虽然由于硬件设施制约，学生的设计并非尽善尽美，但实验过程真正实现了将理论运用到实践，通过对传感器检测的设计，转换电路的搭建，以及整个系统的调试，让学生自主自发地在设计中引出相关理论知识点，在设计实现过程中加深对专业知识技能的综合运用。

3 教学实施成效小结

通过对“传感器与检测技术”新教学模式的实施，使学生建立了对传感检测技术的整体概念，培养了学生组建非电测量和控制系统的实践能力。

3.1 考核成绩收效良好

我们对考核模式进行了相应调整，基本摒弃了名词解释，大量减少了概念问答的题型，而适量提出了实例分析及设计题。学生普遍认为:这种重在理解和实践的考核形式更能提升对该课程学习兴趣，加强对理论的掌握程度。成绩分析中也体现出:总体分值呈正态分布，对于比较新颖的综合型应用题，学生在答题中能贯通各项知识点，并融入自己的合理理解。

3.2 促进第二课堂开展

在课程结束后，学生还能将课堂所学拓展到如“3+1”实验班等二课形式的动手实践中，如:协同完成电容式猪肉注水率检测仪的专利实现。在毕业设计中，学生也体现了对该门学科的浓厚兴趣及灵活运用，如:对酒精探测仪的设计，学生能完成完整的系统设计，结合自己的想法和思考，用理论所学解决实际问题。

这无疑提高了今后历届学生对该门课程的重视，并为学生日后在相关领域中的工作开展提供坚实基础及有力支持。

［1］徐科军.传感器与检测技术［M］.北京:电子工业出版社，2008:1-25.

［2］陈杰，黄鸿.传感器与检测技术［M］.北京:高等教育出版社，2007:1-20.

［3］Knudsen D S.Experimental modeling of dynamic systems and educational approach［J］.IEEE Contr，1999(11):40-43.

［4］Pallas Areny，Ramon.Sensors and signal conditioning［M］.Chicago:University of Chicago Press，1999:52-57.

［5］Leva A.A hands on experimental laboratory for undergraduate courses in automatic control［J］.IEEE Trans，2003，46(2):263-272.

Teaching Reformation for Sensor and Detecting Technology

ZHU Li， LI Yao-zhong， QIAN Min， XIA Hong
(Faculty of Mechanical and Electronic Engineering，East China Institute of Technology，Fuzhou344000，China)

As an important applied course，Sensor and Detecting Technology plays an important role in industrial manufacturing and scientific research fields.Considering the characteristic of strong comprehensiveness of the course and the shortages of traditional teaching mode，this paper puts forward reforms from two aspects as Theory Teaching method and Experiment content，and then makes analysis and summary of the implementation effect.

Sensor and Detecting Technology;Theory Teaching;Experiment Teaching

G642

A

1674-3512(2011)01-0077-04

2010-11-29

朱 立(1984—)，女，湖北监利人，硕士，助教，主要从事控制理论与控制工程研究。