机电工程专业传感器课程的教学探索与研究

张国庆 刘保军

【摘要】交叉学科是目前科学研究的热点领域，其中机电工程作为一个典型的交叉学科，在其专业教学中越来越多的课程呈现出学科交叉性。为了适应交叉学科发展方向，满足社会对交叉学科技能人才的需求，本文以传感器原理及应用课程作为交叉学科课程教学研究对象，分析其课程结构的合理性，提出符合交叉学科课程特点的课程结构设计和设置，并针对当前教学方法进行改进，提出了更加完善和有效的教学训练机制以及评价机制。

【关键词】机电交叉学科课程教学

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）06-0219-02

当今世界科学前沿的重大突破、重大原创性科研成果的产生，大多是多学科交叉融合的结果。因此，多学科交叉融合促进了优势学科的发展，新兴学科的产生，以及重大创新的推出，同时也对拥有交叉学科知识技能人才的培养提出了新的要求。机电工程作为一个典型的交叉学科，在其专业教学中越来越多的课程呈现出学科交叉性，本文以传感器原理及应用这门课程为主要试点研究对象，对该门课程在专业教学中的现状进行研究，分析其课程结构的合理性，提出符合交叉学科课程特点的课程结构设计和设置，并针对当前教学方法进行改进，提出更加完善和有效的教学训练机制以及评价机制，达到培养应用复合技能型人才的目标。

一、交叉学科研究的现状

当前科学研究各学科的发展不再仅限于本学科的深度和细化，而是在学科的广度上不断进行拓展，打破学科界限，这些新兴学科加强了学科间的联系，消除了学科间的孤立和脱节现象，形成了一个完整的、系统的现代科学体系，而应用这些新兴学科研究成果的产品的大规模出现，也形成了对掌握交叉学科知识和技能人才的迫切需求。因此不论从科学研究的层面还是从人才培养的层面，对交叉学科教学的研究是提高大学学术和教学水平的重点之一，也是大学发展的主要支撑点和主题[1][2][3]。

由于交叉学科具有融合多学科知识的特点，近年来，在解决重大科技、经济、社会问题中发挥着巨大作用。因此，为满足国家和社会对高层次交叉学科人才的需求，目前国内外诸多大学适应时代发展趋势，开展交叉学科的探索和研究。但都仅限于研究型大学和研究型人才的培养，对于本科阶段教育的探索与研究较少。而本科教育是应用型人才培养的首要阶段，同时也是向社会输送技能型人才的主要来源，因此对本科交叉学科课程教学进行探索和研究是具有积极意义的。

二、传感器课程的特点

机电工程作为一个典型的交叉学科，在其专业教学中越来越多的课程呈现出学科交叉性。相比其他一些专业基础课程，其在课程内容和课程实践等方面具有自身的特点。以《传感器原理及应用》课程为例，它是讲述传感器与自动检测技术的实用科学，在现代检测与控制系统中有着举足轻重的作用。该课程主要介绍常用传感器的基本原理、结构、特性和应用以及相关的信息处理技术，是一门内容繁杂的交叉学科，知识密集性强，内容离散性大，应用性较强。[4]

1.课程知识面广

传感器课程是一门知识密集高度综合的应用技术课程，融合了电学、光学、力学、化学、磁学、计算机技术等多门学科的知识，也是一门实践性和应用性很强的专业基础课。其教学的内容随着信息技术的发展也不断更新和丰富。传感器课程的内容主要包括传感器原理和检测技术两部分，其中传感器的基本原理涉及到电学、光学、力学、磁学等领域的内容，而检测技术部分涉及到模拟和数字电路设计与分析的知识。因此在教学过程中需要对课程知识结构进行分析和研究，并以此优化调整教学结构，做好先导知识的教学，和课程教学的引导。

2.课程的实践性强

传感器课程中的检测技术主要集中在传感器检测电路的原理分析与设计，即传感器各种电信号的转换与处理方法，这部分内容涉及电路电子等课程知识，也是操作性较强的部分。包括电路的设计和信号的分析与处理等。这部分的内容教学需要采用更直观、互动性更好的方式进行，以此加深学生的感性认识，同时培养学生的系统设计分析能力和问题处理的能力。

3.课程内容的持续拓展

传感器检测技术与机械、电子、光学以及信息技术的发展紧密相关，这些技术的发展也推动着传感器检测技术的发展，同时拓展并丰富着传感器检测技术的内容。如单片机、嵌入式系统的发展，催生出了传感器数字接口技术的发展，而物联网系统的应用和发展，催生出了传感器无线组网检测技术的发展等等。伴随这些技术的发展，传感器检测技术的内容也在不断拓展，因此结合当前技术发展背景，改进和丰富传感器课程教学内容，是该门课程教学改革的重点之一。

三、傳感器课程教学方法的研究

如图1所示，以培养应用复合型人才为教学目标，选取《传感器原理及应用》课程为对象，从教学课程结构、教学方法和教学管理等三个方面进行交叉学科课程教学的分析与研究。

图1 交叉课程教学研究框架图

1.教学内容研究

传感器课程是一门知识密集高度综合的应用技术课程，融合了电学、光学、力学、化学、磁学、计算机技术等多门学科的知识，也是一门实践性和应用性很强的专业基础课。其教学的内容随着信息技术的发展也不断更新和丰富。在课程结构上，必须着重分析该门课程的前后衔接关系，尤其是先导课程的设置和教学内容设定。传感器课程的内容主要包括传感器原理和检测技术两部分，传统教材中对传感器原理部分内容比较注重，但对检测技术部分介绍较少，但考虑到目前社会的用人需求大部分集中与测控系统的组建和管理方面，因此对传感器检测技术的熟悉和掌握也变得很重要。所以在教学内容上需要对检测技术相关内容投入更多关注，同时注重与实际检测系统相联系，拓展学生的思维，激发其创新意识[5]。

2.理论教学方法改进

传统的传感器课程教学主要以课堂理论教学为主，介绍传感器的工作原理，对其应用设计的介绍偏少，因此学生在学习完课程后，与实践衔接不够，学习效果并不理想。同时配套的实验多以简单的电路搭接和测量为主，其中重要的检测电路都是现成固定的，学生的参与度不够，通常只是机械地按照实验指导拼接电路完成实验，教学效果并不理想。

针对高校应用型人才的培养要求，同时保证培养人才的可持续发展的潜在要求，传感器课程在理论教学中要结合实际应用，将基础理论与实际相结合，增强学生的感性认识，提高他们的学习兴趣；同时在实验、实践教学环节，开发互动性、灵活性更强的平台以及辅助教学软件，增强学生在实验过程中的能动性和创造性，提升他们的参与感，以获得更好的学习效果。

3.实验实践教学创新

传感器课程作为一门交叉学科课程，涉及到的各种学科专业的基础知识，但目前传统的实验教学，主要以实验检测电路的搭建和信号的检测为主[6]。这种方式存在两个弊端，一是实验过程灵活性不够，学生只是机械照搬实验指导说明进行操作，主观能动性不强，加上学生的惰性，学生对实验内容并没有深刻理解，实验效果不好；二是传统的实验以电路实验箱为主，实验箱在学生的高频使用或错误使用情况下，损坏率较高，最终导致实验设备的完好率下降，学生实际可操作的设备有限，实验秩序和实验效果都难以保证。因此可以采用一种新型的结合虚拟仿真技术的传感器实验教学平台和配套的相应软件，代替传统的实验方式，保证实验教学的效果，构件一个基于教学适用性和强化工程实践性的一个实验平台[7]。

传感器教学中主要设计敏感单元、传感单元和信号处理电路三个部分。由于当前电子技术向集成化、微型化方向发展，大多数的传感器产品都对上述三个部分进行了封装，所以单从外观上，并不能对传感器的组成有清晰的认识，更不用说对这三个部分的工作原理有深刻的认识。

随着计算机辅助设计软件的迅速发展，传感器的主要构成部件都可以采用CAD软件经行设计和仿真。例如敏感单元部分，可采用机械设计软件，进行结构的设计与绘制，完成传感器件的装配。针对信号处理电路，可采用MultiSim或Proteus软件进行电路设计，开发实验平台，将常用电路进行模块化，供学生自己设计搭接，同时利用这些软件的仿真功能，实时观察信号的转换情况。

为了适应交叉学科发展的历史趋势，满足社会对多学科技能人才的需求，本文对高等学校机电工程交叉学科本科课程教学进行探索和研究，包括交叉学科专业的构建、课程教学的研究、学生知识结构的完善等方面，提出相应的专业构建方案和思路，研发具体课程的配套教学方案和软件，对于促进高校构建新的教育体系，培养更高层次和符合社会需求的人才等具有重要的理论价值和现实意义。

参考文献：

[1]李培凤, 王生钰. 跨学科人才培养模式案例分析[J]. 国家教育行政学院学报, 2004(1):91-95.

[2]伍红军, 罗英姿. 交叉学科人才培养的几个理论问题研究[J]. 江苏高教, 2010(2):95-96.

[3]李雪飞,程永波. 交叉学科研究生培养的三种模式及其評析[J]. 学位与研究生教育,2011,08:10-15.

[4]肖定邦,辛华,吴学忠,陈志华,崔红娟. 交叉学科研究生课程教学的探索与实践[J]. 高等教育研究学报,2012,03:115-117.

[5]金家楣. 交叉学科课程教学与研究生专业背景的矛盾与协调[J]. 教育教学论坛,2013,43:106-108.

[6]何刚,陈孝杨. 对交叉学科研究生培养的认识与思考[J]. 学位与研究生教育,2005,12:20-23.

[7]彭熙伟, 王向周, 郑戍华. 基于工程实践取向的实验教学改革与创新[J]. 高教论坛,2013,02:2-54.

作者简介：

张国庆，1977.10出生，男，四川营山，博士讲师，主要从事机电系统设计、网络测控和智能仪器仪表研究。

刘保军，1968.10出生，男，河南信阳，工程师，主要从事自动化控制系统、传感检测系统设计研究。