《传感器原理及应用》课程教学模式改革与实践研究*

张红梅 朱毅 李小静

（湖北商贸学院）

今天，在社会发展和科学进步中信息技术发挥着决定性作用。信息技术、传感器技术和计算机技术在当今信息社会的发展过程中，也被称为支撑现代信息产业的三大支柱。现代信息技术的基础包括信息传输、信息收集和信息处理，信息采集离不开传感器技术，在检测和控制之前传感器技术是在信息采集系统的最前端，是检测、采集和感知的前端。本课程长期侧重于讲解课程内容中的测量处理电路和各种传感器的工作原理，教学方式提供少量验证性实验，实验根据教学内容进行设置，这种教学方法有明显的缺陷。因为学生第一次接触到的是传感器测量原理，学生缺乏感性认识，看不到实物，引入类似的教学内容会让学生感到无聊，教师对这些分析方法的深层原理不注重讲解，其影响了学生的学习意愿。因此，未来，课程教师需要结合学生特点、学校条件、检测技术的最新应用动向实施教育改革，仔细分析课程的教育目标。《传感器原理及应用》已成为应用电子技术、自动化控制、自动化机械工程、电子信息工程等电类相关专业的必修课，课程领域的发展趋势和前沿知识要重点讲解。本文以学生的职业发展为重点，研究本课程的教育改革，旨在提高学生职业素质、应用工程实践的能力和就业质量，希望在教学实践过程中，帮助学生提高学习内容，以及促进未来社会经济发展。

一、《传感器原理及应用》课程教学内容改革

《传感器原理及应用》课程涵盖的专业广，面向通讯工程、电气自动化、电子与信息工程的学生。为此，我校针对新工科人才培养的要求，对各专业学生的课程和教学大纲内容进行了一些修改，实践教学与理论教学相结合，加强了学生面向实践的方式，在学习理论的过程中将实践与理论相结合，让学生真正做到手把手地独立学习理论和实践。一方面，能提高学生分析和解决问题的能力，在加强基础学习和动手环节的同时，精心设计实验环节，将实践与理论课程有机结合，最大限度地利用实践课时，实现实践与理论教育相辅相成。另一方面，对课程大纲进行修改，优化了理论教学和实践教学内容，与各种学科竞赛、生活应用相结合，使理论课的教学内容更加接地气。

二、《传感器原理及应用》课程特点

（一）综合性强

传感器几乎涵盖了支撑现代文明的所有领域，包括声学、光学、力学、化学、电磁学、材料科学、微电子学等多个学科。其种类也比较繁多，需要综合应用这些领域的知识，在实际使用某种传感器进行测量时，使学生很难找到线索。

（二）实用性强

传感器的实际应用，就是利用不同工作原理的传感器对各种参数进行测量和信号调理转换。传感器在检测系统和自动化控制中，作为信息获取和转换的来源，给社会生产和人类生活提供各种有用的信息，为人们提供了一个宏观和微观的世界，“没有传感器就没有现代科学技术”的观点得到了全世界的认可。

（三）知识更新快

近年来，不断发展的科学技术，对传感器的发展提出了新的挑战和要求，尤其是出现了许多新型的高质量传感器。例如，新型光敏和离子敏传感器在新型有机材料中诞生，高温超导磁传感器在高温超导技术应用中创造，计算机网络技术的发展也在进步，传感器的发展方向将逐渐向智能网络传感器迈进。

三、传感器原理及应用课程教学方法改革措施

（一）激发学生学习的兴趣提高学生自主学习能力

选取一些生活中常用的应用、毕业设计、教师教科研项目、全国电子设计大赛中会遇到的经典案例，刻意穿插在每门理论课的教学过程中。例如，在电容传感器的教学中，学生们分析了如何正确选择传感方法来测量角度，引入全国电子设计大赛中测量摆角的话题。在光电检测传感器中，详细分析在开发设计过程中如何解决传感器设计部分，在小车自动循迹设计中如何使小车按照设定轨迹行驶，如何对障碍物进行检测。另一个例子是半导体气敏传感器章节的学习中，介绍楼宇自动化中的高层大楼，预警系统和建筑火灾预警的设计。此外，通过一系列具体实例，学生可以灵活应用目前所学的数字电子电路、模拟电子电路等课程的知识，深刻感受到学习传感器技术可以做出很多相关的设计。还可以结合光敏电阻设计太阳能自动跟踪系统的设计内容，在后续课程的研究中也起到非常重要的作用。此外，学生可以参与类似的研究工作、参加各种电子设计竞赛，自主研发，申请相关传感器专利。因此，学生学习传感器的兴趣，在理论与实践相结合的教学中可以极大地激发，学生自学传感器知识的积极性也可以在传感器课堂的教学中激发，有意识地指导学生将所学的实际与理论知识联系起来，将理论教育分散到实践中，改变理论课后进行实验的传统教学方式，让学生提高理论课的实效性。在每节传感器课结束时，留一两个小的设计或研究任务让学生在课后完成，通过这种方式，提升学生自主学习该课程的积极性。

（二）理论讲授与实物应用教学

现阶段，很多学生对《传感器原理及应用》课本内容的学习没有足够的重视，由于就业压力等多方面因素影响，有的学生继续读研究生，有的学生在校外兼职，有的学生认为课堂上的考试和讲课不生动，有些学生不愿上课，难以集中注意力。所以，《传感器原理及应用》课程的教学非常注重培养学生的学习兴趣，教授传感器时，将传感器理论内容教学与生活应用相结合，列出在现实生活中使用的一些传感器。例如，在了解应变传感器时，向学生介绍电子秤的工作原理；在教授半导体传感器时，向学生介绍酒后驾驶用酒精测试仪的工作原理；在教授生物传感器部分时，向学生介绍各种市售传感器和测试仪，因为它们与生物技术有关，例如血糖仪和血糖传感器。学生在此学习过程中，通过这种理论与实际应用相结合的教育模式，使学生对传感器课程产生兴趣；也让学生认识到，在我们的生活和科学研究中传感器的重要性，提高学生的后续学习动力。

（三）进行教学方法和教学手段的改革

1.提纲挈领，启发式教学

为帮助学生掌握理论知识，内容处理如下。首先，传感器按原理分类，有光电式、电容式、电阻式等，按照应用-原理-转换电路-误差等引导学生进行分析，这条主线大大减轻了学生的学习负担。比如以电子秤为例，在讲解电阻应变式传感器时，首先让学生思考“为什么非电量的体重信号可以通过电子秤转换成数字信号”；其次，为了让学生能够积极地接受理论知识，我们将详细阐述电阻应变片等相关理论知识；最后，在位移和加速度等参数测量中，通过为学生提供电阻应变式传感器的应用来扩展知识应用范围。

2.关注前沿知识趋势，采用讨论式教育

我们无法在教学过程中教给学生“永不过时”的知识，通过选择讨论式教学，可以让传感器知识更新更快。我们需要教学生如何检索信息，关注该领域发展的新动向，同时，为补充他们对科学前沿的广泛了解，不断为学生提供最新的常用相关网站。例如，对于CCD光电器件，学生可以相互交流，查阅资料，分析CCD传感器在图像识别、传真机、录像机、相机等设备上的应用；为了提高学生自学能力，拓宽学生的知识面，开阔视野，要经常开展“电容式传感器的应用”“新型传感器的开发”等讨论课，让学生充分利用业余时间查询资料；学生们会发现很多关于生物传感器、离子敏传感器、光敏传感器等新型传感器的知识；关于电容传感器，可以应用于手机触摸屏和湿度测量，还可以了解教科书中描述的加速度、角位移、位移等传感器的应用。通过这样一些举措，可以取得了不错的教学效果。

3.设立开放性实验，采用实物教学法

为实现“应用型人才”的培养目标，加强学生的实际应用和分析能力，开放性实验、各种电路小制作比赛、电子设计竞赛等可以在常规实验教育环节的基础上建立，增加实物制作环节。传统的验证性实验教学中，很多同学在实验结束后对传感器缺乏感性认识，这是由于传感器实验台的所有电路部分都封装在试验台里面。因此，我们可以为同学们提供了实物电路制作活动，或者电赛培训期间发布一些电路制作小任务，并开放创新实验室。比如，应用光电传感器时，以自动干手器的电子开关为例。首先让学生选择传感器、查资料、画原理图，然后自己焊接。调试完成后，可以带回宿舍使用。有的同学用二极管逆变器、红外光控电路，三极管用继电器等分离原理来实现，有的同学利用光电控制电路、555时基电路等元件来实现。由于电路比较简单，有很高的成就感，很多同学都能调试出结果，对课程产生了浓厚的兴趣。一旦学生感兴趣后，就可以提高任务难度，如增加数字温度计、有害气体报警器等电路的制作。

（四）多媒体与传统板书结合教学

多媒体教育是教育改革的主流，是结合音频、动画、图形、文字、视频等信息向学生呈现信息的过程，具有直观性强、传输速度快、信息量大等特点，可以大大提高学生知识获取效率。然而，在实际教学中，单纯使用多媒体教学时，往往会出现教师和学生专心阅读多媒体信息的情况，而教师忽略要讲解的重难点等有用信息。根据《传感器原理及应用》课程的特点，多媒体动画和图像用于各种实际应用实例，通过板书书写传感器结构和工作原理，采用传统板书教学方法与多媒体教育相结合的方式。比如在黑板上板书来讲授热电偶传感器的基本结构和原理；在电感式传感器和电容式传感器中，通过多媒体演示各种结构形式动画，将这两种方法相结合的教学方法，取得了令人满意的教学效果。

(五)实验内容分层次教学，鼓励多实践

提高学生实践能力的重要环节是围绕传感器理论教学开展实验教学。很多时候，实验的内容只是验证特定传感器的工作原理和检测过程。不同学生的实践能力不同，在一堂课内基础较好的学生可以完成规定的实验内容，基础较差的同学只能完成部分实验内容。针对这种学生能力层次不同的情况，每个实验内容尝试分层教学，实验内容设置上可分必修内容和扩展内容。常规实验项目为必修部分，要求所有学生课上完成；扩展内容为能完成必修内容并有多余时间和精力的学生准备，目的在于拔高，以提高学生传感器实践技能，为培养较强实践能力奠定基础。合理的必修内容是根据一般学生完成的正常进度来设定的，这通常是可验证的实验，从传感器试验台40多个实验内容中设置4到8个实验项目。所以，实验设备没有得到充分利用。如果每个实验项目都需要经过验证和创新，需要合理设置各个实验项目的扩展内容，让每个学生充分利用课堂实验时间，学生选择的内容越多，完成的质量就越好，根据自己的实际能力选择合适的内容，评估实验结果的等级也越高。鼓励学生大胆实践，提高实验仪器的利用率。比如，基本的箔应变传感器实验中，可以使用差动全桥电路、差动半桥电路和单臂电桥电路来验证工作原理，可以设置检查位移变化与电压之间的关系。此外，学生可以使用传感器实验平台扩展设计内容，位移和电压之间的关系还可以使用半导体应变仪实现。例如设计不同精度的电子秤，准确测试气压可以通过使用固体压阻压力传感器，或者可以进一步指导有抱负的学生，使用电阻传感器测量加速度。如果没有足够的时间上课，可以通过毕业设计、电路小制作实践、各种竞赛等方式向学生开放创新实验室。总之，为激发学生的独立实践和创新能力，可以通过对每个实验项目设置的不同难度级别，来提升学生的实践动手能力。

（六）多种教学手段综合应用，加强师生互动

采用多媒体课件的合理使用，转变单纯使用板书的传统教学方式，在课件中加入传感器原理动画和传感器应用的视频，激发学生在课堂上的学习兴趣，可以将板书与多媒体教育有机地结合起来。此外，建立信息化教学模式，在学习通网站上建立网络课程资源包，甄选优质的传感器原理及应用的课程视频、创建试题库、作业课和试卷库，为学生提供课前预习、课中互动测试、课后作业及习题的解答、考前模拟测试等环节。在课堂教学时解决学生在网络预习时遇到的问题，利用网络资源加强师生互动，增强师生交流，对于老师和学生来说都是非常必要的。