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------传感器原理及应用课程教与学的思考
摘 要:文章结合传感器原理及应用课程教学实践的实际，对该课程的教学内容、教学方法进行了分析，指出补充课堂教学素材能丰富教学内容，还能提高学生的学习积极性；同时探讨了该课程目前存在的不足，提出了课程建设的思路、理论和实践环节教学内容的调整、教学手段和方法的改进与完善，并论述了课程设计在提高教学质量中的重要性，这样的措施能为达到优质的教学效果起到一定的促进作用。
关键词: 传感器原理；教与学；课程建设；教学改革
一、传感器原理及应用课程的特点与教学安排
传感器原理及应用课程是测控、自动化、计算机应用、机电一体化等专业的专业课或专业基础课，是一门新兴边缘学科。通过本课程的学习，使学生了解各类传感器的原理与功能、测量电路和应用范围，能对实际的检测系统提出合理的方案，并选择合理的检测器件和系统方案进行检测。
在实际应用中，传感器作为“感觉器官”，是将压力、温度、位移量等信息(或者被测量)转化成电信号，而这些转化是利用物理学、化学、生物学现象和有关效应来进行的，被测量转化成电信号的方式是各种各样的，即各类传感器的工作原理是不同的，因此本课程信息量大，涉及的范围较广，且各章节教学内容相对独立，缺乏连续性和系统性。此外，由于传感器的应用场合十分广泛，大至飞机、数控机床、汽车，小至家用电器，因此该课程与实际结合非常紧密。
我校传感器原理及应用课程是机电工程专业学生的专业必修课。教学目的是使学生了解电气自动化系统中各种非电量检测与转换的基本原理和应用；能对实际的检测系统提出合理的方案；对传感器和仪表能合理选用；对采用的电路与系统有一定的分析与设计能力。为提高学生的实践能力，课程结束后进行一周的课程设计。
二、课程教学的改革措施及成效
长期以来，本课程在教学内容上侧重各种传感器原理和测量处理电路的讲解，在教学方法上主要以课程讲解为主，同时根据教学内容开设少量验证性实验。这种教学方式存在明显不足:学生首先接触到的是传感器测量原理，见不到实物，缺乏感性认识；相似的原理介绍让学生觉得枯燥、乏味；教师不注重讲解这些分析方法在实际中有何用途，影响了学生的学习积极性。随着微电子技术、新材料技术和电子信息技术的飞速发展，各种新型传感器不断涌现，现有教材内容和形式显得有些陈旧和呆板。我们在教学中结合实际情况对课程教学内容、教学方法进行改革和探索，使学生既能了解传感器基本原理，又能了解实际对象，将理论与实际紧密结合起来，调动了学生的学习积极性。主要作了以下尝试。
(一)教学内容的扩充
按照课程大纲的要求，在讲授过程中，由浅入深循序渐进地介绍了应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式、光电式等传感器的基本原理、特性、测量电路和应用。目前，这些传感器无论在国内或国外都已发展相当成熟。
随着我国科学技术的不断进步，开始有越来越多的科研人员投入到新型传感器的研究中，为了适应实际需求，特别是随着交叉学科的发展，在传统的传感器技术中增加新的有应用需求的传感器将是以后电类专业课程的一个发展趋势，也使学生能够及时了解当前传感器的发展方向，掌握传感器的发展动态，为今后从事传感器方面的研究奠定基础。
(二)教学方法的改进
1、多媒体与板书结合教学。多媒体教学是将文字、图形、动画、视频、声音等多种信息加工组成在一起来向学生呈现信息，是教学改革的主流，它具有信息量大、传播速度快、直观效果强等特点，可以大大提高单位时间内学生掌握知识的效率。但在实际教学过程中发现，单纯用多媒体教学，学生注意力往往集中于看多媒体上的信息，忽略了授课人口头所表达的信息；此外，多媒体的传播速度会使教学变成加倍的灌输而没有时间吸收消化。针对本课程特点，采用多媒体教学和传统教学手段相结合的方式，对于传感器的结构、外形及电路原理图采用多媒体的图片和动画展示，对于传感器的基本原理及由较复杂公式推导的采用板书的方式，边写边讲。如对电容式、电感式传感器的各种结构形式采用动画的方式演示，而对于热电偶传感器的基本定律利用板书的形式讲授。这两种手段相结合的教学方法取得了令人满意的教学效果，同时也避免了一些板书时间的浪费。
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2、理论讲授与实物应用相结合进行教学。目前，相当一部分同学受就业压力等多种因素的影响，对于课本内容学习往往不够重视，有的同学去校外兼职，还有的同学认为课堂讲授不生动，学的东西没有什么意义干脆就不来上课，有的同学即使来上课也是心不在焉，不能很好地集中注意力。因此，在本课程的讲授中，我们非常重视培养学生的学习兴趣，将传感器的内容讲授与生活中的应用联系起来。在介绍一种传感器的时候，列举一些现实生活中用的传感器，比如在介绍半导体传感器的时候，向学生介绍酒后驾车所用的酒精测试仪的工作原理，在介绍应变式传感器的时候，向学生介绍电子秤重计的工作原理等。此外，在向学生讲解热电偶原理的时候，进行课堂演示，将两根不同材料导体一端接到一起，另一端接万用表，利用酒精灯加热导体连在一起的一端，通过观察万用表的电势变化让学生直观了解利用热电偶测温的工作原理。
通过这种教学方式，让学生认识到，传感器在日常生活和科研中的重要性，提高了他们的学习积极性。
3、实验和实地参观相结合进行教学。在教学过程中，我们一直注重增强课程的应用性。实验教学和进行实地参观是培养学生理论联系实际、提高其综合应用能力和创新意识的重要环节和途径。实验教学内容分为两类:基本实验和综合实验，基本实验是让学生掌握传感器的测试性能及使用方法，以电容式、电感式和应变式传感器为主要验证内容。综合实验主要以被测参数为目标，通过不同的传感器来实现，比如以温度测量为验证试验，试验中既可以通过热敏电阻、半导体二极管来测量，也可以通过热电偶来检测。除了课程内实验教学外，同时还让学生多到网上搜集一些相关资料，通过给学生分配任务，要求学生进行几种传感器的市场调研，比如针对温度传感器的价格、型号、精度、测量方法、测量范围等让学生直接接触专业市场，并就调研的收获和体会进行全班交流，让学生把在课堂所学的内容与实际应用联系起来，进一步加深传感器的应用印象，增强了学习的兴趣和积极性。
三、课程建设与改革的进一步思考
该课程是一门实践性较强的课程，过去侧重讲授课本内容，实践性环节相对偏少，为确保学生持久的学习积极性，达到优质的教学效果，不断改革完善本课程的各教学环节是非常必要的，重点可从以下几方面考虑。
(一)教学大纲的修订
教学大纲是规范教学工作、提高教学质量的首要环节，因此需要结合学科本身的发展和专业的特点和要求，有针对性地修订大纲。比如:教学目标是什么，应达到什么样的要求，应该覆盖哪些知识点，哪些知识点是重点、难点，应如何讲解，应开设哪些实验等问题。
(二)课程教学内容和体系的调整
随着电子信息和测控技术的不断发展，课程的教学内容应从信息获取和系统集成的高度进行讲解，突破传统的教学方式。课程以教学大纲为基本依据，以传感器原理、结构、测量系统为体系，从信息科学技术的角度来观察和理解传感器及检测技术，突破就器件论器件的传统方式，力求做到思路开阔，阐述准确，层次主线清晰，结构科学合理。比如在讲解系统集成这部分内容时，教师应以实际的测量系统设计为例，详细讲授传感器的选择、电路的设计、A/D转换的实现、测量结果的处理、系统的总体精度评定等各环节。
这样就可把“误差理论与数据处理”、“单片机原理及应用”、“电工电子基础”等课程很好地结合起来。学生通过学习就会明白这些课程到底有什么用，为后续的课程设计和毕业设计打下良好的基础。另外，针对不同专业方向，教学内容也应有所选择和侧重。
(三)课程设计内容的改革
课程设计是学生进行课程及相关课程学习的一条有效途径。通过课程设计，使学生学习和掌握设计的程序和方法，有效地培养学生综合运用相关课程知识，树立正确的工程设计思想，培养独立的、全面的、科学的工程设计能力。在课程设计的实践中学会查找、翻阅、使用标淮、规范、手册、图册和相关技术资料等，熟悉和掌握设计的基本技能。同时对学生进行良好的独立工作习惯和科学素质的培养，为今后工作打下良好的基础。
本课程设计是在学完传感器原理及应用课程之后，综合利用所学传感器知识完成一个传感器应用系统设计并在实验室实现，时间为1周，4到6人为1组，是对学生学完这门课程后的理论学习与实验操作水平的综合检验，引导学生巩固和加深对该课程的理论学习，促进和深化其工程应用，提高学生综合运用所学知识及分析问题的能力，培养严谨的科学作风。课程设计题目可以自行定题，也可以在教师指定的数个题目中选择自己感兴趣的一个，然后各组独立完成。
1、选题范围。从信息技术的角度来看，传感器是获取和转换信息的一种工具，这些信息包括电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量、湿度、浓度、成分等。传感器的核心部件是敏感元件，它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件。所以有关这些信息的内容都可以作为选题。
2、选题要求。在实验室现有的开发装置上操作，基于元件、成本、可操作性考虑，主要选取磁、光、温度、电容、电阻方面的传感器的应用。最后设计电路，正确地进行连线，并进行安装调试，实现参考选题或自己定题中的要求及技术指标。
3、课程设计报告内容。要求设计报告按以下条目顺序编写:封面；摘要；正文(正文主要内容有:设计任务书及主要技术指标和要求；选定方案论证；单元电路的设计计算、元器件选择；实际电路性能指标测试结果，其中包括实测记录的整理和分析；对调试中出现的主要问题应做出分析，从理论和实践的结合上讲清故障原因及改进措施和效果；画出整体电路图，列出元件、器件明细表，说明本设计的特点和存在问题，提出改进设计意见；通过课程设计的收获和心得体会。)；参考文献。
4、成绩评定办法。考核成绩分为优、良、中、及格和不及格，其中:理论设计方案，演示所设计的系统，占总成绩的40%；设计报告，占总成绩的20%；回答教师的问题，占总成绩的30%；考勤情况，占总成绩的10%。
(四)网络教学资源建设
将丰富的教学资源上网，采取网络化教学，创造优越的网络学习环境，可作为传统课堂教学的有效补充，方便学生自主学习，将大大提高教学质量和教学效果。
在现有基础上，深化传统课堂教学改革，尝试采取网络化教学，对教学内容、学生自主学习策略、交互式教学、学习导航以及学习评价等进行精心设计，建立与课堂教学相辅相成的网络教学课程。将多种资源集成在网站的教学资源中，学生可以从网上获取课程学习的相关信息，方便他们自主学习。上网的教学资源主要包括:教学大纲；教学日历；实验安排；教材内容；练习测试题及评分标准；电子课件；辅助教学软件；网上留言；在线交流；实验指导；参考文献；辅助工具；相关链接；以及其他相关的教学资源等。
四、结束语
根据传感器原理及应用课程的教学实践，我们对该课程的教学内容、教学方法进行了分析探索并做了相应的改革。教学内容的补充丰富了课堂教学的素材，增强了学生的学习积极性，从连续几届毕业设计学生选题上就可以看出，学生对补充内容表现出了极大的兴趣。多媒体和实物展示等教学方法增强了学生的学习兴趣，通过学生成绩及对学生调查和网上评教结果来看，所做的改革受到了学生的欢迎和好评，取得了较好的教学效果。同时，我们结合教学的实际情况，指出了该课程目前存在的不足，提出了课程今后建设的思路、理论和实践环节教学内容的调整、教学手段和方法的改进与完善，为达到优质的教学效果奠定了基础。
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