传感器教学中随堂实验的设计与思考分析

程豪等

摘要：传感器是一门实践性很强的专业学科，单独依靠理论教学很难让学生掌握传感器的使用原理，因此充分利用传感器教学中的随堂实验展现传感器的工作原理是提高学生传感器应用技能的关键。本文首先分析高职院校传感器随堂实验教学的重要性，随后具体阐述对传感器随堂实验教学的设计，最后根据随堂实验教学所取得的成绩对当前的教学现状进行思考。

关键词：传感器 随堂实验 设计与思考

实验教学是培养创新型人才的重要手段，也是高职教学的重要内容。传感器技术是当前我国新型产业发展的关键技术，其在现实生活中具有广泛的应用，因此提高高职学生对传感器技术的实践应用能力，是培养社会应用型人才的关键，而培养学生的创新实践应用能力必须要借助随堂实验，通过实验教学提高学生对传感器感性知识的认知，实现理论与实践相结合。

1 传感器随堂实验的重要性

随堂实验就是教师在课堂教学中，为了很好地说明理论知识而开展的一系列实验活动，通过实验向学生展现相关的理论知识的一种教学形式。传感器随堂实验是高职传感器教学的主要形式，是培养学生创新能力的主要手段。基于传感器课程的实践性，学生要想深入全面地掌握与应用传感器理论知识，就必须要从传感器教学方面入手，将实验教学摆在教学体系的重要部分，因为传感器实验教学对培养学生的实践能力、提高学生的创新力具有重要的意义。其具体表现在：一是培养学生对传感器理论知识的理性认识。传感器是一门实践性很强的专业学科知识，其理论知识具有高度的抽象性，学生依靠传统的教师按照书本知识讲解的方式已经不能满足高职教育的本质要求，而通过随堂实验教学，可以让学生在一边学习传感器理论知识的同时了解传感器的实践应用知识；二是培养了学生的创新能力。通过随堂实验可以提高课堂学习的效益，据有关资料表明，实验教学可以集中学生的注意力，让学生融入到实验过程中，因此学生学习主动性的提高必须会激发他们的发散性思维，让他们在一边观看实验的同时一边思考相关的问题，这样的教学模式对培养学生的创新能力具有重要的作用；三是传感器随堂实验并不是教师一味地按照相关的实验步骤进行操作，而是在实验过程中充分发挥学生的主体性，让学生主动地参与到实验的过程中，通过实验教学，让学生自己收集相关的传感器知识，这样一来就会增加学生发现问题、分析问题以及解决问题的能力。

2 传感器教学随堂实验的设计

基于传感器教学内容的不同，在传感器教学中需要根据不同的教学目的采取不同形式的实验方式，一般而言，随堂实验分为：传感器基础性实验教学设计、传感器综合性实验教学设计、传感器设计性实验教学设计等。但是在随堂实验教学中使用比较多的是传感器基础性实验，也就是对传感器的基础知识进行实验教学。

基础性实验也称之为验证性实验，就是教师为了验证某一传感器的理论知识或者结论而进行的一系列实验。一般通过随堂实验可以让学生了解最基本的传感器设备的使用规范以及掌握最基本的使用技能与方法，并且学会对传感器实验数据的记录与描述。传感器是一种检测装置，它是将非电量转化为电量的器件，一般它的组成部分主要为：敏感元件、转换元件以及电路。它们功能主要是：敏感元件负责对测量对象相关信息与数据的采集、转换元件负责对采集到的相关数据进行转换处理、电路则承担的是对转换的数据以及信息按照预定的程序进行处理。

根据基础性实验的内容可以分为：各类传感器性能测试实验和传感器应用实验。传感器性能测试实验主要包括应变片式、压阻式、差动变压器以及集成温度传感器等性能测试实验。传感器应用实验主要包括电容式传感器侧位移、霍尔传感器侧位移、压电式传感器测振动以及光纤位移传感器测位移等实验。本文以电涡流式传感器电子秤实验为例，对传感器随堂实验进行设计。

2.1 电涡流式传感器电子秤实验的总体设计。电涡流式传感器能静态和动态的非接触、高线性度、高分辨率地测量被测金属导体探头表面的距离。电涡流式传感器以及稳定的性能、测量范围的宽度以及高分辨率等特点被社会各个领域所普遍地采用。其组成部分与一般传感器的构成是相同的，即：敏感元件，敏感元件是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成的，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，该材料的电性能比较好，热膨胀系数比较小；传感器元件，主要是说前置器，一般测量电路装在前置器中，是一个能够屏蔽外部信号的金属盒子；弹性元件，弹性元件被置于圆柱弹簧顶部并放在探头的下面。

2.2 电涡流式传感器电子秤实验的原理。电涡流式传感器主要由平面线圈和金属涡流片组成，如图1所示。当线圈中经过高频交变电流时，与其平行的金属片上会感应而产生电涡流，电涡流的大小受到线圈阻抗z的影响比较大，但是与此同时涡流的大小与金属片的电阻率、磁导率温度以及厚度有着直接的关系，比如当平面线圈、涡流片、激励源确定时，但是其温度环境却没有变化，这时阻抗与距离x就有着密切的关系，将阻抗变化转变为电压信号输出，则输出电压是距离x的单值函数。

从以上两个公式中可以清楚地获悉，线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方的函数，而互感是随线圈与金属导体间距的变化而变化的。

3 基于传感器随堂实验教学的现状而引发的思考

3.1 传感器随堂实验教学的现状。虽然传感器随堂实验在教学体系中占据重要的地位，而且越来越多的高职院校也加强了在课堂上开展相关实验的次数，并且取得了不错的成绩，但是其仍然存在不少的问题：首先，随堂实验与理论教学之间存在内在的脱节。很多教师在教学中开展实验的目的并不是为了提高学生的社会实践应用能力，而是为了完成教学任务而开展的实验，导致理论教学为实验教学而服务的本质发生偏移；其次随堂实验忽视学生的主动性，很多教师在开展实验时更多地是按照自己的思路有序地开展实验教学，而学生则只能被动地观看教师的实验操作步骤，教师与学生之间的互动性不强导致学生不明白实验教学的真正目的；最后，随堂实验过于强调实验平台，而缺乏自主创新性的实验。随着实验技术的不断发展，很多高校为了降低成本或者出于保护学生在实验中人身安全的考虑，高职院校往往会利用某些实验程序而代替原来的实物传感器实验元件，这样一来导致学生只能按照相应的实验步骤操作进行相应的实验，导致学生对实验本身的内在本质缺乏认识，尤其是不利于学生对相关问题的深入思考。

3.2 完善传感器随堂实验教学的措施。①明确随堂实验的地位，提高学生的兴趣。提高随堂实验在传感器教学系统中的地位，是提高随堂实验教学发展的重要措施，隨堂实验教学对高职教育的重要性是不言而喻的，因此高职院校要加强对随堂实验教学的重视程度，明确随堂实验的教学目标，并且对现有的教学模式进行改革，逐渐增加随堂实验体系在整个高职教育体系中的比重；同时教师也要创新随堂实验的教学模式，将学生纳入到实验教学过程中，提高他们参与实验教学的积极性，激发他们的发散性思维。②强化预习教学环节。在开展传感器实验前要让学生提前学习与了解与实验相关的知识点，并且给予学生相应的指导，进而提高学生对实验的感性认知，保证学生在实验教学时能够集中精力学习实验中的相关知识；同时教师也要为随堂实验提供一个宽松的环境，鼓励学生进行自主创新的实验。③建立科学合理的实验课程考核体系。实验考核应该是学生一人一组独立设计实验方案，独立操作，并在规定的时间内独立完成实验，而教师一般不给予指导。考核的内容应选择具有较大可塑性的实验，给学生一定的选择余地和想象空间，便于发挥学生的主动性和培养学生的开拓能力。

参考文献：

[1]勾虹焱.基于单片机的电涡流式微位移传感器测量系统的研究[J].电子世界，2014（10）.

[2]王孟禄，张振龙.传感器实验教学设计与实践[J].实验室科学，2014（06）.

[3]刘玉燕，傅彩芬.改革传感器实验教学，培养学生创新意识[J].实验科学与技术，2014（10）.

作者简介：程豪（1987-），男，江西万年人，江西现代职业技术学院，教师，本科，电气自动化；欧阳嵩（1984-），男，江西安福人，江西现代职业技术学院，教师，本科，研究方向：电子信息。