传感器与检测技术实验教学改革探索与实践

李星星 张奔牛 张开洪

摘要：本文在分析传感器与检测技术理论和实验教学现状的基础上，针对该门课程实践应用性较强的特点，结合教学要求与实验室实际情况，对实验教学内容、教学手段和考核方法进行新的探索与实践。新的实验教学改革措施对提高学生的学习积极性和实践动手能力、加深学生对理论知识的理解，具有较好的促进作用。

关键词：传感器与检测技术；实验教学；改革

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1002-4107（2012）12-0043-02

传感器技术是信息技术的重要组成部分，其应用遍及航天科技、智能交通、智能家居、公共安全、环境监测、结构健康监测、工业监控等众多领域。随着物联网产业的兴起，各类传感器的大规模部署和应用构成了物联网不可或缺的基本条件，各类信息传感设备相继得到研发，并被广泛应用于对物体的智能化识别、精准定位、有效监控和科学管理。

传感器与检测技术是电气信息类专业的一门专业基础课程。按照传统教学方法，学生在理论学习的基础上，在实验教学环节通过操作实验平台来验证传感器原理，使学生在传感器技术方面掌握一定的传感器检测电路及调节电路知识，了解工程检测中常用传感器的原理、结构、特性、应用及发展方向，具备初步应用传感器的能力。由于该门课程的实践应用综合性较强，因此，加强学生在实验、实践环节中的动手能力显得尤为重要，它对培养学生的创造性思维和工程检测技术素质具有重要的意义。

本文在分析该门课程理论和实验教学现状的基础上，针对实验教学环节中存在的不足之处，提出增设开放实验项目让学生在实验课堂内外自主进行传感器的设计、制作、调试和检测，并在实验教学过程中实施这一改革措施，取得了较为明显的教学效果。

一、理论教学现状

在重庆交通大学，电子信息工程、电气工程、自动化控制等电气信息类专业均开设传感器与检测技术这门课程。该门课程以传感器的工作原理为线索，向学生详细介绍各类传感器的工作原理、基本结构、相应的测量及检测电路以及在各个领域中的应用。通过传感器与检测技术课程的学习，要求学生能够比较全面地掌握信号传感、信号采集、信号转换、信号传输及信号处理的整个过程。

该门课程的理论教学方法通常首先是介绍某种功能传感器的基本工作原理，其次讲解传感器的电路组成结构，分析传感器的静、动态特性及稳定性影响因素，最后介绍传感器的应用。教学内容涵盖了不同工作原理的主流传感器，类种包括电阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、光电式、热电式等多种类型，各章节的内容相对独立，其中还涉及到电学、磁学、光学、化学、材料学等多个学科的知识。

电气信息类专业注重对知识的灵活运用，对学生动手能力、实践应用能力的要求较高，因此，仅靠学习书本上的纯理论知识，很难让学生真正理解这些传感器内部结构的组成，以及如何实现特定功能，只有依靠学生亲身参与实验实践，动手操作，才能达到融会贯通的效果。

二、实验教学现状

该门课程的实验是加深学生对理论知识的理解，培养训练学生动手能力和理论联系实际能力的重要手段。据了解，作为一门较为重要的专业基础课程，虽然当前许多高校都开设了传感器原理与检测技术实验课，但普遍反映实验教学效果不佳。造成这一现象的原因有多种因素，例如，实验教学模式按部就班，缺乏创新；用于实验的专业仪器陈旧老化，更新换代较慢；对实验环节的重视程度不足，实验考核成绩在期末成绩中所占的比例较低。其中，实验教学模式的单一化是造成实验教学效果不理想的一个重要因素。实验课上，按照一贯的实验教学方式，通常是学生在教师的指导下，仅仅按照实验指导书罗列的实验步骤在实验台或实验箱上面进行外部电路连线操作，或是组装构造简单的传感器材，在输入端施加特定信号，在信号探测端得到实验结果，以此来验证各类传感器原理。最后还需要完成实验报告，阐述实验目的、实验内容、实验步骤、实验结果以及分析传感原理、误差等。实验指导教师根据学生的实验操作情况、实验报告质量给予评分或评定等级。在重庆交通大学，传感器原理与检测技术课程的实验教学根据不同专业对这门课程的要求来设置实验项目，学生的实验成绩通常只占到该门课程期末成绩的20%。

这种实验教学模式较为固定，主要因为许多高校设置实验项目时都是基于购置的专业实验台或实验箱来进行传感器原理的验证性实验，实验内容和方案都不尽相同，严重影响了教学质量的提高，制约了学生创新能力的培养。在实验教学实践中，学生普遍反映原本对理论知识的学习就感觉比较抽象、空洞，在实验操作环节越发感觉无趣，从而失去对该门课程学习的热情。

三、实验教学改革及措施

（一）改革思路

对从事电气信息类专业的技术人员来说，只有具备良好的综合实践能力和创新意识才能够在今后的生产实践中出类拔萃。因此，理论学习固然重要，加强实验教学环节对学生实践能力的培养更显得至关重要。在实验教学中，一方面，对基础的传感技术原理知识，可按照传统的教学模式，充分利用实验教学仪器设计验证性实验供学生操作，这有助于加深学生对基础传感技术理论知识的理解；另一方面，在实验教学及实验室条件允许的情况下，增设一批可供学生在课内外操作的实验项目，在每学期的实验教学环节中，根据不同专业对该门课程掌握程度的要求，合理选取其中难易程度不同的设计项目，由学生自主选择题目并实现，引导学生分析问题、拆分问题，分模块来解决问题，并且在这个过程中充分发挥学生的主观能动性，充分尊重学生的创新精神，从而提高学生的实践动手能力和学习积极性。对学生实验成绩的考核，应该提高实验成绩在期末综合考评成绩中的比重，让学生更加重视实验教学环节的锻炼。

根据这一思路，在传感器原理与检测技术这门课程的实验教学改革中，结合教学要求与本校实验室实际情况，提出增设开放实验项目，对实验教学内容、教学手段和考核方法进行新的探索与实践。

（二）改革措施

在以往的实验教学中，基于CSY2001B型传感器系统综合实验台，根据不同专业对该门课程的要求，选排8—16个验证性实验项目供学生操作。在新的实验教学探索中，不仅对实验教学大纲进行重新修订，丰富了实验教学内容，而且精心设计10余个成本较为低廉、操作性强的开放实验项目，同时鼓励学生自创实验项目，每个实验项目可由两到三名学生共同合作完成。为保障开放实验项目的顺利实施，每学期由现代电子实验中心提供开放实验项目所需要的电子元件和专业仪器以及实验场地。在考核形式上，学生以电子作品和实验报告的形式提交成果，开放实验项目成绩所占比例提高到该门课程期末成绩的30%—40%。

例如，实验项目——电子温度计设计和制作，要求学生根据所学温度传感器的知识以及电路知识，利用实验室现有的工具和电子元件进行设计和制作。该实验项目对电气信息类专业的学生来说难度比较适中，相较于在实验台上操作温度传感器的验证性实验，该实验项目更加有趣。学生可以在实际设计和动手制作的过程中充分发挥各自的优势，讨论设计方案，自主设计测温传感电路。不仅如此，为了实现测温的基本功能，学生也会自发地去查阅资料，深入分析不同类型温度传感器的原理，理清各类型温度传感器输出数字信号值与温度变化的关系。这样一来，让学生在具体实际操作中加深对传感器相关原理的理解和认识，在设计制作过程中掌握不同类型传感器的结构和功能，将抽象的传感器原理知识具体化。

四、实验教学实践及效果

在2010—2012年连续两个学年的传感器原理与检测技术课程的实验教学中，分别在交通信息与控制专业、电子信息工程专业实施以上实验改革措施。学生的动手操作不仅限于课堂上的四十五分钟，只要在现代电子实验中心的开放时间内（现代电子实验中心全年对学生开放），学生都可以使用实验室的资源来进行自主设计和制作，实验室充分满足学生在实践过程中对元件和器材的需求。针对该门课程进行实验教学改革，取得的良好教学效果主要体现在以下五个方面。

第一，避免传感器原理与检测技术实验课对实验设备、场地和时间的依赖性，在实验课上，学生可以在教师的指导下设计、制作、调试具有某种特定功能的传感器，也可利用课余时间在开放实验室进行相关操作，调动学生的学习积极性；第二，放弃当前实验过程片面追求实验结果而导致与理论知识脱节、实验效果差的实验内容选择思路，采用与理论知识紧密结合，让学生加深对重要知识点的深入理解，结合实际应用的实验内容选择思路；第三，改进当前以连线为主的实验方式，让学生进行设计、制作、分析、调试的综合性实验操作方式，提高学生的实际动手能力和分析解决实际问题的能力；第四，提高实验教学在课程考核中的比重，在提高教学效果的同时，激发学生的学习兴趣，培养学生的学习能力和团队精神；第五，发现并培养了一批专业技能较为突出的学生，为他们专业技能的提高提供制度和物质支撑。这些学生在全国及省市的各类科技竞赛中，取得了包括全国大学生电子设计竞赛二等奖在内的一系列优异成绩。

针对传感器与检测技术这门课程，我们所探索的实验教学改革，其目的是为了真正提高学生的学习积极性和理论联系实际的能力，培养学生的实践动手能力和创新意识，以及完善学生对所学知识掌握情况的科学评价。实践证明，这些实验教学改革措施取得了一定的成效。然而，教学改革是一项长期、复杂的系统工程，需要不断地探索和实践，才能有助于教学质量的提高，有助于优秀人才的培养。

参考文献：

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