传感器与检测技术教学案例设计

戴永涛 谢友慧

摘 要：传感器与检测技术是一门应用性较强的专业课程，本文针对教学中所存在的问题，如采用的实例应用偏离学生认识范畴、教学过程不够灵活、课程思政结合生硬等问题，讨论了教学设计的原则、要求和注意事项；再通过一个教学案例设计，体现了所提出的设计原则。

关键词：传感器与检测技术；教学案例；案例设计

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.20.091

0 引言

传感器与检测技术课程它综合了物理学、微电子学、化学、材料科学、精密机械、微细加工等多方面的知识和技术。其目标是使学生了解检测系统与传感器的静、动态特性和主要性能指标，掌握常用传感器的工作原理和常见非电量参数的检测方法、检测系统中常用的信号放大电路、信号处理电路与信号转换电路等。其基本要求是通过本课程的学习，培养学生利用现代电子技术、传感器技术和物联网技术解决生产实际中信息采集与处理问题的能力，同时力求培养学生客观、钻研的精神及认真严谨地学习态度。

依据教学大纲，通过本课程的学习，学生应具备相应的素质、技能、知识和能力：

（1）思政素养目标。让学生树立强烈的爱国主义使命感与责任心。培养客观、钻研的工匠精神、良好的人文素养以及认真严谨地学习、做事的态度。

（2）知识目标。理解传感器与检测技术的基本概念，检测装置的基本特性，学会误差分析与数据处理的方法，并做相应分析。

（3）能力目标。通过分析各种形式传感器的原理，结构以及相关测量电路的介绍，学会运用非电量检测技术及相关检测方法。

（4）素质目标。培养学生利用现代电子技术、传感器技术等解决生产实际中信息采集与处理问题的能力，培养学生具有终身学习与持续发展的意识和能力。

1 存在问题及分析

该课程是一门应用型的课程，其知识内容都是实际应用的一个理论提取，首先，常见的教材编写和教学模式，往往是按照理论，即相关实例这样的思路来教学，这种认识逻辑在学生学习时不能形成较深的一个印象。其次，在早期的教材编写中，很大一部分实例都是工业中的应用，后续的教材也延续了这一模式，这些应用的例子，学生既没有见过也没有接触过，加之有些图片还是示意图，几乎都是泛泛地理解。再次，所选用的知识线比较单一，延伸扩展的知识比较生硬，融合的思政元素也很不自然。

基于以上提出的几点问题，在进行教学设计时可以做出相应的改革。

首先，在讲授理论知识前，先把实例给出，特别是能够融合大部分知识的事例，而不是仅仅对应单个小知识点，这样在教学时学生有连贯性；且在给出事例后提出问题后，再去解决问题，即认识其理论，既能加深学生的知识印象，也能培养其真正解决分析问题的思维。

其次，在寻找实例时，从生活出发，随着生活中的科技应用越来越多，各类传感器的使用已经从企业生产等领域进入普通生活，尽量选取学生能接触到或者在网络平台能够偶尔看到的实际应用结合讲解，这样在学生更容易理解的同时，还能提升学生对课程的认同感和对自身专业的自豪感。

再次，需借着扩展内容合理自然地融合学习的思路、方法，以及积极正面的思想引领。

2 案例设计

本文中笔者是以传感器与检测技术教学中“光电效应”学习部分为例，进行具体的教学设计探索。

2.1 引入

给学生展示庭院灯（户外感应灯）这样一个在生活中及在网络平台上很常见的产品，介绍其免充电、天黑自动亮，人经过自动高亮的几个基本功能，既是显示了讨论对象的科技感，又可以让同学们从能量变化的角度思考其原理，即光到电信号的一个变化过程，逐步引入知识主题。

让学生结合之前所学习的内容，思考通常的电信号从哪些参数体现出变化。这既是对之前的分析方法及内容的一个回顾，也为后续的几个光电效应的分类中变化参数的分析做准备。这是一个思维方法的训练和积累的过程，也是对学生综合总结能力的一个提升和练习。

2.2 略讲光电效应

由教师简要叙述光电效应的内容：光电材料（或物质）在吸收了光能后而发生相应电效应的物理现象，即光照射某一物体，可以看作是一连串能量为E的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化。让同学们考虑会有什么样的变化？并以此引出相应的3种类型的光电效应。

2.3 講解外光电效应

借以踢球为例，说明能量的传递，说明外光电效应的内容，并让学生体会很多生活中的实情都是相通的。再相应介绍发现外光电效应的历史，在了解科学家科研过程的同时，学着去思考实验结果呈现的现象，即为何对于某种特定的金属来说，却无法激发一个电子呢？让学生思考不同颜色或者类型的光是以什么作为区分？光子的能量和什么有关？引导同学从爱因斯坦的光子理论出发，以火箭脱离地球进入太空为形象事例，需克服地球的引力，说明本身发射时所需携带的最低能量，并由此推导出“红限”。这是让同学们站在科学巨人的肩膀上学习和分析问题，既可以训练研究思维，又可提升一种科研的自豪感，也能增强对科学家的尊敬与佩服。

2.4 讲解内光电效应

教师讲解内光电效应的内容：在光线照射下，电子吸收光子能量后而引起物体的电导率（电阻率）发生变化，又称光电导效应。承接之前所用的方式，从能量角度分析，即电子能吸收能量增强“活力”（动能），再引导学生对比与外光电效应的效果看有什么差别？在半导体材料中只能从价带跃迁到导带，却是无法溢出表面的。这样既能通过对比得出两者的“内”“外”之别，又加深了两者所对应采用的主要材料的比较，为后续的元件介绍做好准备打下伏笔。

2.5 讲解光生伏特效应

在内光电效应介绍的半导体中跃迁的内容基础上，让学生思考：如果此时增加PN结，会有什么变化？也就是PN结位置的自由电子增多的情况。由模电中的PN结形成的知识进而解释产生电压的过程，并以此说明知识的积累过程，告诫学生一步步扎实的知识基础才有利于后续的学习。

2.6 结合实例说明具体应用

重新展示“引入”部分的庭院灯（户外感应灯），让学生结合所学，思考其三个基本功能是什么原理？

（1）免充电。由光能到电能的转变，即基于光生伏特效应，实际应用就是常见的太阳能电池板。

（2）天黑自动亮。从光照的亮度信号控制灯的亮灭，是将光信号转换成相应的电信号，在此即是电阻值的变化，由亮度影响到电阻率，再进而改变阻值大小，即是基于内光电效应。

（3）人经过自动高亮。常见的识别是通过声控或者光控，这里强调通过光控（即红外线识别方式）来分析，具体可分为热探测器和分子探测器，原理有不同，但属于光电效应范畴。可将红外线的识别留给学生自己去扩展了解。

本部分的设计是一个首尾呼应，开始所引入的实例应用，在经过相应知识点的学习后，直接结合应用让学生分析和体会。体现了从理论转化为产品即知识到生产力的转变，让学生明白学习知识的目的是在于应用、在于转化，要积极多联想、多创新、多去开阔视野。

3 總结

本案例内容大概上课时长为20分钟，该教学设计结合所提出的改进思路，选用学生生活中常见的实际应用为切入点，改换了常规教材设计中理论知识的讲授模式，采用感性接触—理论学习—应用分析原理的方式，更加深了理解。开头提出的庭院灯如何实现相应功能的疑问，最后做出了说明和解答，首尾呼应。期间合理自然地融入思想引导和方法论等思政元素。教学本身，既要培养学生自主学习的能力，又要引导学生树立正确的“三观”，激发对祖国的热爱。

参考文献

［1］张培.面向应用型人才培养的《传感器与检测技术》课程教学设计与实践[J].内燃机与配件，2019，（7）：233234.

[2]谢友慧.三本院校电力电子技术课程教学的探索[J].科教文汇，2012，（5）：70+107.

[3]戴永涛，谢友慧，梁伟鄯，等.信息化背景下自动化专业英语的教改与实践[J].科教导刊，2022，（23）：5557.