传感器系列课程的教学改革与实践

谢春利，刘俊杰

(大连民族大学 机电工程学院，辽宁 大连 116605)

传感器系列课程的教学改革与实践

谢春利，刘俊杰

(大连民族大学 机电工程学院，辽宁 大连 116605)

针对目前测控技术与仪器专业教学中存在的问题，对传感器系列课程的课程体系、教学内容、教学方法和考核方式等进行了一系列的改革与探索。构建了以传感器原理与技术、测控电路、微机原理与接口技术和检测技术为主线的理论教学体系；以传感器、测控技术与系统综合、仪表设计、单片机系统课程设计和创新创业能力实训为主题的实验、实践教学体系。改革相应的教学方法与手段，实施多元化考核方式，建立系统分析与设计、工程应用及创新能力培养的新模式。

传感器系列课程；教学改革；创新能力；实践能力

在工农业生产、科学研究、国防建设和日常生活中，人们需要测量外部世界的一切非电量，这些都离不开传感技术。传感技术是关于从外部世界获取信息，并进行处理和应用的一门现代科学与工程技术，具体包括信息的采集、分析、处理、显示和应用等方面的内容[1]。其中传感器是实现信息采集的器件，是自动检测系统的首要环节和关键技术[2]。为了及时、准确地获取信息，就必须合理地选择和应用各种传感器与检测仪表[3]。

传感器系列课程是学习和掌握传感技术的重要课程，也是高校中自动化类相关专业的必修课程。该系列课程中的仪表设计与实践、传感器原理与技术、测控电路和检测技术等课程是学习和掌握传感技术的基础与关键，课程教学内容与方式是否合理，直接关系到专业人才培养的质量。同时，该系列课程涉及到电子、测量和计算机技术以及信息处理等众多学科，其实践性和应用性较强。因此，传感器系列课程的掌握程度，对学生专业技能、工程应用和创新能力的培养具有十分重要的作用。

针对目前测控技术与仪器专业课程教学中存在的问题和学校培养应用型高级工程技术人才的定位，在学校2013级培养方案的修订中，以专业类(专业基础)教育和专业教育课程为平台，对传感器与检测技术的相关理论、实验和实践课程进行优化整合，具有十分重要的意义。

1 传感器系列课程教学现状

以大连民族大学传感器系列课程教学现状为例，大连民族大学于2008年设立测控技术与仪器本科专业，自招生以来，在培养方案和课程体系建设过程中都取得了一定的成绩，但是由于专业建设时间较短，相关的系列课程在内容、教学和考核方式等环节仍存在一些不足之处：

(1)理论课程之间相对独立，关联性不强。

(2)课程内容缺乏相互融合，没有做好系列课程教学内容之间的衔接和配合，欠缺对学生专业知识结构、工程应用和创新能力培养的系统考虑。

(3)实验和集中实践性教学环节的内容安排相对独立，没有从自动检测系统的分析、设计、仿真调试和系统功能调试的整个过程来进行整体规划。而目前的应用型工程技术人才的培养中，学生能力的培养关键在于实验和实践环节的计划和组织实施。

(4)在2009级专业培养方案的执行过程中，专业教师不断对课程建设和教学环节进行改革，在教学方法上进行了一些有益的尝试，并取得了一定的效果。但是没有从系统优化的角度开展研究，不能够充分调动学生学习的主动性。

(5)课程考核方式单一，主要以期末闭卷考试为主，考试成绩占总成绩的70 %～80 %，缺少对学生系统分析与设计能力、工程实践与创新能力等方面的量化考核。

2 加强理论基础建设，优化系列课程教学体系

针对目前传感器系列课程在课程建设与实施环节中存在的问题,以2013级专业培养方案的修订工作为契机, 对传感器与检测技术相关的理论课程体系、实验和实践课程体系进行了整体优化。

2.1 理论课程体系的优化

构建以传感器原理与技术、测控电路、检测技术和微机原理与接口技术等课程为主线的理论课程体系，具体做法如下：

传感器原理与技术的课程教学中确定了下列主要知识点：①典型传感器的工作原理、检测电路及工程应用，包括应变式传感器、电抗式传感器、光电式传感器、电动势传感器；②传感器的测量电路，包括直流和交流电桥、相敏检波、滤波、整形放大、仪表放大电路、光栅辨向等；③信号分析处理技术，包括数据的误差处理、传感器选型计算、传感器输入输出特性标定、信号频谱分析等；④自动检测系统设计。

测控电路的课程教学是在传感器原理与技术和电子技术课程的基础上，提炼出各类传感器中共性的检测电路，如仪用放大电路、信号转换电路和信号细分与辨向电路等。以面向工程应用为目标，针对上述电路进行分析、设计、仿真调试和实物测试，将测控电路的理论分析、仿真调试和实物测试进行有机结合，为后续自动检测系统的分析、设计、仿真调试和系统测试奠定坚实的理论基础。

检测技术的课程教学按照信号检测、信息处理、信息传输、显示和控制四个方面确定课程体系，以测量知识、检测技术和工程应用来安排教学内容，减少理论推导与设计计算，增加信号处理的工程应用案例分析，加强各种参数检测方法的工程应用性。

微机原理与接口技术的课程教学目的是使学生熟悉微型计算机的系统结构，了解微型计算机的工作原理，掌握指令系统与汇编语言程序设计、硬件接口技术、总线技术和微机应用系统技术，建立微机系统的整体概念。让学生明确微型计算机是自动检测系统中完成信息处理和显示的核心设备。

2.2 实践教学体系的优化

建立以传感器原理与技术实验、仪表设计与实践、创新创业能力实践训练、单片机系统课程设计和测控技术与系统综合实验为主题的实验、实践教学体系。主要目标是使学生熟悉计算机测控系统的结构，掌握各种传感器的选型、硬件电路设计及仿真调试、软件设计及编程、软硬件联合仿真调试、计算机测控系统的安装与测试运行等方法。实践教学体系的教学目标采用模块化结构，其结构关系如图1。学生通过各个模块的实验、实践训练，能够更好地掌握计算机测控系统设计与实现的能力。

图1 实践教学体系教学目标的模块化结构

其中，传感器实验主要完成传感器模块的选型工作。针对确定的被检测对象，通过查阅互联网和相关专业手册资料，初步确定所选择传感器的资料。然后对搜集的资料进行分析和整理，如比较各种传感器的量程范围、测量精度和性价比等，同时通过对相关传感器进行实验测试，最终确定合适的传感器类型。

仪表设计与实践环节主要完成信号调理模块和直流电源模块的设计与实现。信号调理模块的功能以信号放大为主，并考虑硬件滤波、信号转换、负载匹配等功能。电路系统要完善工作，必须具备满足不同要求的基准电源模块。直流电源主要是提供给信号调理电路、数据采集模块、执行器模块和系统的分析控制模块。因此，直流电源设计也是仪器仪表设计与实践的重要组成部分。在仪表设计与实践环节过程中，需要学生根据不同的电源要求，利用220 V AC交流电源、变压器、整流二极管和电容器件设计并实现直流电源设计与实现，同时也要考虑用电安全问题。

创新创业能力实践训练环节主要引导学生完成数据采集通道模块和执行器模块的设计与实现。此部分内容训练学生模拟量和数字量数据输入输出通道的硬件设计、交直流电机的驱动与控制、外部设备与单片机的接口电路设计及相应的软件编程能力。

单片机系统课程设计环节主要完成测量数据显示与控制模块的设计及实现。此部分内容旨在培养并提高学生创新设计能力、理论与实际相结合的综合素质、单片机系统硬件设计能力、软件编程技巧、软硬件联合调试技巧及技能等实践能力。

测控技术与系统综合实验环节主要是综合利用前序实践环节的成果，再辅助一些实验设备，如ADAM模块、温度变送器、压力变送器、上位机组态软件等进行系统集成。具体就是针对电阻炉、一阶水槽、流体压力、交直流电机等被控对象，利用上述模块设备进行系统集成，建立计算机测控系统，并进行系统的安装、调试及运行。

3 课程教学方法与手段的改革

在课程教学中教师应发挥主导作用，只有逐步地改进教学方法与手段，才能确保课程的教学质量稳步提高。针对课程教学内容和学生的具体情况，灵活采用案例与研究式学习、注重比较方法、多样化教学方式相接合、互动式学习和课外项目驱动方法等多种教学方法与手段，变被动学习为主动学习，使学生成为课堂学习的主体。

(1)基于案例与研究式学习的教学方法。针对传感器系列课程的能力培养要求和重点知识，将相关的重点知识分解到具有实际工程应用背景的案例中，采用启发与引导式教学[4]和课堂讨论相结合的方式，充分调动学生的学习主动性，课后进行研究式学习并进行总结归纳。

(2)注重比较方法教学[5]。传感器的种类多，涉及到的转换原理也多，结构复杂，应用广泛。即使是同一种传感器，其转换原理、结构形式、测量范围等也有所不同。当学习了多种传感器后，学生不知道如何在实际应用中选择最合适的传感器来完成检测任务。为此，在教学中注重采用比较的方式进行讲授，以便帮助学生更加全面、准确和深刻地理解与掌握各种传感器的原理、选型及应用。

(3)多样化教学手段相结合与互动式学习。在课堂教学过程中，考虑到板书授课内容的局限性以及多媒体课件教学的信息量大却不能保证学生思维同步的不利因素，采用黑板板书、多媒体课件和实验演示三者相结合的教学方式。与此同时，充分利用大连民族大学校内的数字化、网络化平台，开展互动式学习。

(4)实施项目驱动的课外教学手段。在课程教学过程中，针对实践性强的教学内容，由老师结合实际的工程项目拟定若干个实践课题，每个课题由3名同学组建项目小组，利用课余时间完成项目的分析、设计、仿真调试及实物测试。通过参与项目，能有效提高学生在系统分析、文献检索与整理、方案比较与设计、仿真调试、实物测试以及项目报告撰写等方面的能力。

(5)灵活的调整教学场所。根据具体的教学内容，可以适当的把授课地点调整到实验室，结合专业实验室中具有的各种传感器、变送器、硬件电路与单片机系统等，开展具有实践性的演示教学，加深学生的感性认识，激发学生的学习兴趣。

4 实施课程的多元化考核评价体系

在传感器系列课程中逐步实施多元化的考核评价方式：一方面，对课程考核内容进行调整，在重点内容考核的基础上，更加关注学生创新能力的锻炼，培养学生的发散性思维，引导学生积极参与课外各项创新实践活动，如参加辽宁省、全国TI杯大学生电子设计竞赛、全国虚拟仪器大赛和全国大学生测量控制与仪器创新设计竞赛等；另一方面，加强知识的基础训练与灵活运用，增加课上的提问、讨论发言、项目汇报、课外项目演示等多样化的考核方式，使学生主动融入师生的互动教学过程中。

课程教学效果的评价主要分为以下几个方面：

(1)课堂教学评价。通过教学模式的改革，在课堂上学生是否转变了学习的角色，由被动学习转变为主动学习，课堂气氛是否活跃，教师与学生开展的互动讨论式课堂的教学效果等。

(2)实验教学评价。实验教学过程管理、实验类型的设置、实验教学效果和开放性实验开展的情况。

(3)课程学习效果的阶段性考核和期末总评。平时作业的完成情况、课堂小测验的成绩和期末考试试卷的成绩分析。

(4)教学对学生课外项目完成情况的评价。主要依据项目的方案选择与确定、计算机测控系统的仿真调试、基于面包板或万能板焊接的实物调试和项目报告四个部分进行。

5 结 语

传感器技术是应用在自动检测和控制系统中，并对系统运行的各项指标和功能起到重要作用的一门技术。随着自动检测和控制系统的网络化、扁平化、智能化和综合化的发展，对传感器技术的发展也提出了更高和更迫切的需求。因此，应用型本科高等学校担负着为社会培养和输送具备专业实践能力、工程应用能力和创新能力的综合应用型高级工程技术人才的光荣而艰巨的责任和使命，同时也对传感器与检测技术系列课程的理论、实验和实践教学工作提出了更高的要求。

改革的创新之处是基于测控技术与仪器专业类(专业基础)教育和专业教育课程为平台，通过对传感器与检测技术相关课程的整体优化布局，构建传感器系列课程的内容贯通、结构优化的理论教学体系和实验、实践教学体系，在此基础上探索提高学生专业技能、工程实践和创新能力的传感技术教学新模式。

[1] 徐科军, 马修水, 李晓林, 等. 传感器与检测技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2011.

[2] 王化祥, 张淑英. 传感器原理及应用[M]. 第3版. 天津: 天津大学出版社, 2007.

[3] 徐科军.“传感器与检测技术”课程建设探讨[J]. 电气电子教学学报, 2009, 31(3): 23-24．

[4] 朱维斌. 测控技术与仪器专业传感器系列课程的研究与实践[J]. 高教论坛, 2009 (7): 83-85.

[5] 徐科军. 注重比较方法教学 讲授“传感器与检测技术”课程[J]. 教育教学论坛, 2016 (10) ：170-171.

(责任编辑 邹永红)

Practice and Teaching Reform of Sensors Series Courses

XIE Chun-li, LIU Jun-jie

(School of Electromechanical Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

In view of the problems existing in teaching of measurement and control technology and instrument specialty, a series of reform and exploration on curriculum system, teaching content, teaching method and examination mode of sensors series courses are implemented in this paper. The principle and technology of sensors, control circuit, microcomputer principle and interface technology and detection technology are constructed the main theory teaching system. The experiment and practice teaching system based on sensor experiment, measurement and control technology and system comprehensive experiment, instrument design, single chip computer system practice and innovation and entrepreneurship ability training are established. The new training mode for system analysis and design capability, engineering application and innovation ability is founded through reforming the corresponding teaching methods and means and establishing the diversified assessment methods.

sensors series courses; teaching reform; innovation ability; practical ability

2016-10-24；最后

2016-11-17

辽宁省普通高等教育本科教学改革研究一般项目(辽教发[2016]23号)。

谢春利(1972-)，男，辽宁抚顺人，副教授，主要从事非线性系统自适应控制、优化求解和图像处理等研究。

2096-1383(2017)01-0083-04

G642.0

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