传感器原理及应用教学改革的思考

凌泽斌

（桂林理工大学机械与控制工程学院，广西 桂林541004）

0 引言

传感器是获取准确可靠信息的一种检测装置，是测控系统中非常重要的一个环节[1，2]。测量对象包括物理量、化学成分和生物活性单元。传感器已经广泛应用于航空航天、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、国防、科学技术和工农业生产等各个领域，几乎每个项目都离不开各种各样的传感器[3]。传感器原理及应用是桂林理工大学机械电子工程专业本科学生学习的一门专业基础课，总学时为48个学时，其中40个学时为理论，8个学时为实验，每周3个学时。按照以往的要求，课程的教学内容主要包括电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电传感器等。但是对于紫外/红外传感器、激光传感器、光纤传感器、固体图形传感器、微波传感器、物联网传感器、量子传感器、化学与生物传感器等缺少最新的传感器技术内容[4]，或者缺少交叉学科的融合。传统的教学方法在于理论讲授[5]，学生没有传感器实物，缺乏传感器应用的实验和应用，以及实验操作意识和能力的培养，教学过程缺少对学生综合考核的措施，制约了学生的学习积极性和创造性。本文针对教学内容、教学方法和综合考核出现的问题，提出了传感器原理及应用教学的改革措施。

1 理论教学改革

1.1 教学内容改革

教学内容改革是教学改革的核心，本课程中主要介绍的传感器包括电阻应变式、电容式、电感式、压电式、磁电式、热电式和光电传感器等。传感器技术发展很快，教学内容体系无法满足人才培养的需求，随着社会和科技的发展，人们对物质的要求也越来越高，但教学内容相对滞后。随着科学技术的发展，次声波/超声波传感器、紫外/红外传感器、激光传感器、光纤传感器、固体图形传感器、微波传感器、物联网传感器、量子传感器、化学与生物传感器等新技术不断出现。如激光测距传感器、激光测量速度传感器、激光测量脉冲宽度传感器。利用量子技术开发了导航、资源勘测和重力磁场图像检测传感器等。化学传感器包括离子敏传感器、气敏传感器和湿敏传感器等。生物传感器包括酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、生物组织传感器、光生物传感器、核酸传感器和蛋白质传感器等现代传感器技术没有在教学内容中体现。对于机电专业本科生来说，物理量检测传感器技术是必须掌握，是教学内容的主体，而化学工程和生物医学工程传感器必须了解，是教学内容的补充。由于信息技术的发展，教学内容体系要体现出智能化、集成化和网络化的趋势，扩展和加深教学内容，激发学生的兴趣，对于学生参与毕业设计或者参与研究项目可以奠定一定的基础。

1.2 教学方法改革

传感器原理与应用课程授课大部分以采用PPT等多媒体软件为主，采用板书为辅，既可以节省板书时间，也提高了教学内容和效率。多媒体以动画形式演示传感器的工作原理，如学习光栅传感器时，传统的教学方法很难使学生理解莫尔条纹的形成及其移动过程，而多媒体课件可以看到直观的莫尔条纹。另一种情况是有些学生对于传感器概念不清楚，如光栅和光电编码器的信号相位差是什么意思、两个系列脉冲的上跳沿的哪一个先到达等需要采用板书图解的方法让学生了解。在课堂设计方面，首先，让学生简单了解传感器实物或者图片及应用，建立感性认识，激发学习兴趣。然后，讲解原理和测量电路。最后，在课堂留下10分钟时间，以便回顾知识点前后呼应并留下习题，缓解学生的疲劳感，有效提高了课堂教学效果。对于机电、电子信息和电气等专业的学生来说，化学和生物传感器课程宜增加至少2个学时，通过化工和生物医学工程的教师进行授课，有利于拓展交叉学科的视野，打破传统的教学方式和人才培养模式，促进学生创新能力的培养。对于当前最先进的传感器技术，可以通过查阅图书馆中的资料或者到企业参观，甚至积极观摩学术研讨会，不仅可让学生了解最新的专业知识，还可结合教师的科研、课题等情况，扩充课堂讲授内容。

2 实验教学改革

实验是教学的重要环节，传统的实验内容主要包括电阻应变传感器、电容传感器、电感传感器、差动变压器传感器、霍尔传感器、热电偶传感器、光电传感器和磁敏传感器技术。随着社会需求的增加，实验内容必须增加学时，达到12个学时，使实验占用总学时的25%。增加实验包括超声波传感器、激光测量传感器、固体图像传感器、物联网传感器。在实验中学生要了解实验的目的，实验原理及原理图，实验器件、电源和仪器，实验步骤，选用器件、电源和仪器，搭建实验平台等。在传感器实验设计过程中，使学生将电子技术、信号处理技术、微机原理及接口技术、自动控制技术与传感器技术相融合，掌握MATLAB、LabVIEW、C++等软件的编程方法，激发学生的兴趣和学习主动性。如本课程设计采用株洲中航技术公司研制的ZA110型位移传感器，量程是2mm，测量探头直径为Ф8 mm，分辨率为0.5 μm，输出电压在-0.8~5.7 V，被测位移是钻床工作台，工作行程为1 mm。可通过电子技术采用运算放大器和分压电路把传感器输出电压转换成为0~5 V，把模拟电压信号转换成数字信号。然后把转换的数字信号通过微机原理及接口以便进行连接，连接计算机后采用MATLAB软件进行电压处理，最后把处理的数据通过LabVIEW软件把位移图形显示出来，如果需要控制的话计算机把数字位移结果再转换成模拟位移量，实验结果表明：理论计算值和实验结果符合比较好，提高了学生解决问题的能力。

3 成绩考核改革

传感器原理及应用课程考核采用期末考试的方式，但是不能考核平时成绩，更不能考查实验的成绩。另一种考核方法采用平时考核30%，包括平时的出勤、作业练习和课程讨论分别占总成绩的10%、10%和10%[6]，期末考试采用闭卷考试方法，占总成绩的70%。但是对学生的学习过程考核不理想，主要是课程考核方法偏重应试为主的期末考试在总评中所占的比重太大。通常考查内容以基础知识为主，缺少能力和素质的考查。针对传统传感器课程考核方法存在的问题，摒弃传统应试方式带来的弊端，本文提出传感器课程考核方法的改革措施，考核改革的基本思想是加强对学习过程的考核，以提升考核对学生学习的督促和促进作用。改革后成绩考核包括平时、实验和期末考试三部分，平时成绩包括出勤、作业和讨论分别占总成绩10%、15%和5%，提高习题作业比例。期末考试必须采用闭卷考试，占用总的成绩的40%，其中单纯基础知识的填空、选择题和简答题等，学生无需思考和记忆，因此，客观题必须比例降低甚至取消，而综合式、计算设计式的考试题目的比例必须提高，以便考查学生对知识的综合掌握程度。实验考核包括测量系统设计、实验结果分析和实验报告撰写，占总成绩的30%。

4 结语

针对目前传感器原理及应用课程教学存在的问题，教学改革内容包括增加物理量测量技术，引进化学和生物传感器技术，拓展交叉学科的视野；增加图解法、前后呼应法，提高学生学习效率；增加实验比重，培养学生实验设计和解决问题的能力；改善成绩考核的方法，使平时、实验和期末考试的成绩考核更加合理和优化。