王宪保　王辛刚　王晓东

摘要：传感器技术是一门实践性、应用性很强的专业课，对于培养学生实际动手能力、提高综合素质和开发创新思维有着重要作用，针对传感器课程知识结构陈旧、不能适应新型传感器器件应用和技术发展的问题，从教学内容、教学方法和实验教学的角度，对课程教学进行改革探讨。提出通过增加新型传感器、物联网和无线传感网络方面的技术知识，采用理实一体、项目式教学方法，改变验证性实验的操作模式，加强综合性实验、创新型实验等措施对现行教学模式进行改革，从而达到提高学生工程实践能力的目的。

关键词：教学改革；传感器课程；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）04-0129-03

传感器是实现自动测试与自动控制的首要环节，是现代工业生产特别是智能生产的信息源头[1]。随着中国制造业由初级的“来料加工型”向高级的“生产创新型”转化，高昂的人力成本和低廉的产品价格正成为制约企业发展的瓶颈，于是发展装配有众多传感器的智能化生产线逐渐成为企业发展的方向。《传感器原理及应用》是电子信息、自动化、电气工程和仪器仪表专业的一门技术基础课程，在专业课程体系中起到重要的承上启下作用[2]。经过此课程的学习，使学生掌握传感器的基本概念、原理、分析与计算方法，理解各种传感器的特点，会设计较典型的传感器信号调节电路，并具备选择合适的传感器进行非电量测量的技能，能够使用常用传感器实现对一般工业信号的测量。但是传统的教学内容、教学方法、实验课程设计及评价标准等，都难以满足学生对掌握现代信息处理技术的需求，也难以满足社会对学生的专业知识与技能要求，需对课程教学进行改革。

一、教学内容分析

1.传统教学内容的不足。传感器技术是一门实践性、应用性很强的专业课，对于培养学生实际动手能力、提高综合素质和开发创新思维有着重要作用[3]。但传统课程以课堂教学为主，部分验证性实验为辅。以浙江工业大学电子信息专业为例，课堂教学40学时，讲解的传感器以电阻应变式、电容式、电感式、压电式、热电式和霍尔式为主，每种传感器分别从基本原理、等效电路、测量电路设计以及误差与灵敏度分析等方面进行介绍。实验环节为8学时，分4次完成，每次对1—2种传感器进行原理性验证，并通过测量数据对传感器的静态特性进行分析。

可以看出，传统的教学存在着以下不足：（1）讲授的传感器都是传统形式的，对于现阶段应用广泛的光纤传感器、固体图像传感器、超声波传感器等几乎没有涉及。知识过于陈旧，已不能满足企业智能化、网络化和无线化的检测需求。（2）讲授的传感器特性分析理论不适用于工程实际。传感器在应用中主要是测量动态信号为主，其测试任务不仅需要精确地测试出信号幅值的大小，而且需要记录动态信号变化过程的波形，并进行信号的稳定性和延时误差分析，而传统教授内容以静态特性分析为主，对上述内容涉及较少。（3）传感器技术是一个侧重于实际应用的学科，只有在结合了应用背景的实际项目中，才能体会到它的实用价值。而传统的课堂教学只是给出了理想模型下传感器的等效电路与信号测量方式，缺乏定量分析，不能给学生直观的感性认识。

2.传感器知识的新要求。随着物联网技术、无线传感网络技术及企业对智能化生产需求的快速发展，新时期内对传感器知识要求的重点也逐渐发生了变化，而这些知识在现在大部分教学中没有得到反映，主要表现在以下几个方面：（1）越来越侧重于网络化的应用。随着森林防火监控、电力设备防盗监控、物流跟踪、货物定位等应用需求的提出，物联网和无线传感网逐渐成为传感器的重要应用之一。在这些系统中，每个传感器都是网络中的一个节点，彼此间可相互通信。虽然每个传感器的测量范围有限，但整个系统表现出非常强的测量能力。这也说明，传感器的测量方式也发生了变化，传统的对某一测量点的特性分析已不能满足使用需求。（2）越来越侧重于无线化的应用。随着通信技术与网络技术的快速发展，非接触式的测量、无连接线的信号传播方式正逐渐成为传感器使用的主流。这种方式的改变使得传感器的使用更加便捷，但这也使得我们必须对传感器的等效电路、测量电路的讲授做出改变，除了满足测量误差和动态指标外，还必须有利于无线化的传输。（3）越来越侧重于能量的供给与控制管理。网络化、无线化的发展趋势顺应了传感器分散测量的特点，但也使得传感器的能量供应变得更加困难。除了选择容量更大的电池之外，设计耗能更小的信号测量与传播方式，也变得更加重要。

3.不同专业对传感器的需求分析。对不同专业，将要服务于不同行业的授课对象，根据适用性原则，所讲授的知识内容应该有所区别。以浙江工业大学为例，开设传感器课程的专业主要有电子信息、自动化、电气工程及其自动化和测控技术与儀器专业等。电子信息专业主要培养学生信号检测、智能信息处理、射频终端等电子产品的研究与开发能力，所以应侧重于传感器测量的原理与方法、传感器的特性分析以及信号的无线传输等知识的学习。自动化专业主要学习化工生产过程自动化、流水生产自动化、智能装备等方面的知识与开发技术，所以应侧重于传感器的动态特性分析、液位传感器、液体或气体压力传感器和热电式传感器的学习。电气工程及其自动化专业主要培养学生在运动控制系统、建筑电气设计、电力生产与设计以及电气设备等方面的设计与开发能力，所以应侧重于磁电式传感器、霍尔式传感器、变压器式传感器、位移传感器和加速度传感器等知识的学习。测控技术与仪器专业主要培养从事工业过程检测与控制、智能仪器设计、微机测控、机电一体化等方面的研究、开发与设计，所以应侧重于传感器与微机或嵌入式系统的一体化设计、基于软件的信号分析与误差修正等知识的学习。

二、教学方法分析与探讨

1.教学方法现状分析。（1）以课堂讲授为主的教学方式。传感器技术课程一般分为考试和考查两种形式。考试课由40课时的课堂教学和8课时的实验教学组成，但实验是以连线方式的原理验证为主，只能提高学生对课堂所学理论知识的进一步理解，没有应用场景，更谈不上结合应用的进一步分析。考查课只有32课时的课堂教学，没有对应的实验安排。这样的教学方式显然不符合传感器课程学习的目标要求，在电子竞赛、毕业设计以至于今后的工作中，学生仍然不能甚至不会使用传感器。（2）以文字和静态图片为主的内容展示方式。虽然幻灯片已基本取代了板书的内容展示方式，加快了讲课节奏，增加了教学内容。但在使用过程中，很多教师往往只是把文字和图片电子化，缺少了逐步讲解、层层分析的过程，更缺少对传感器工作原理与使用的动态演示，不能使学生获得很好地感性认识，而这对传感器的理解是至关重要的。（3）松散的内容组织方式。由于传感器课程本身的特点，每一章节讲述的是同一原理或完成同一测量任务的传感器，各章节之间相对独立，缺乏系统性和连贯性，使得很多同学在学习时抓不住重点，不能把各章内容有机结合起来，达不到知识的融会贯通，限制了教学质量的提高。

2.教学方法改革探讨。（1）虚拟仪器在课堂教学中的应用。虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件结合高效灵活的软件来模拟完成各种测试、测量和自动化控制的数字仿真技术，已成为高校进行传感器实验室建设、改革实验教学的发展方向。在大多数学校的教学活动中，虚拟仪器是作为实验仪器来使用的，但由于便于携带、操作简便、易于展示的特点，同样适用于课堂教学。结合虚拟仪器的动态演示，学生对理论知识会更加容易理解，起到事半功倍的效果。（2）理实一体教学。传感器是注重感性认识的课程，在课堂教学过程中要充分利用实验室现有的传感器，把实物带入课堂教学，防止教学内容的乏味、空洞。同时，在实验场所允许的情况下，应尽可能的把课堂教学放到实验室进行授课。理实一体，让学生对传感器的外观、工作与测量方式都有直观的认识。使学生在实践中学习，深奥的理论也会变得生动易懂。（3）项目式教学。项目式教学是指将传统的知识内容转化为若干个教学项目，围绕着项目组织和开展教学。通过实施一个完整的项目，把理论教学与实践教学有机地结合起来，充分发掘学生的创造潜能，着重培养学生的实际操作能力。一般意义上的项目式教学是以工程实践为基础的，考虑到国内高校实践条件的局限性，可以在课堂上以案例分析为主，选取少量易于操作的项目进行实践，以达到更好的教学效果。

三、实验教学分析与探讨

1.实验教学现状分析。实验教学是传感器课程的重要组成部分，是学生对传感器产生感性认识，加深理论知识理解的重要途径。通过实验环节的学习，学生应该能够对常用传感器的工作原理、工作特性、测量方式有较好地掌握，能够应用传感器在工程中进行常用信号的测量，并能根据工作环境状况和相应的测量方式进行误差分析与补偿。但现在传感器课程的实验设备大多为组合实验台或实验箱，这种设备对学生的开放程度比较低，学生只能根据实验指导书进行简单的连线操作，做一些简单的验证型实验。在实验过程中，很多学生也不用去关心实验的原理和方法，只需要记录实验数据，进行简单的数字填空，就可以完成实验任务。这种实验方式显然不利于培养学生对传感器学习的兴趣，更不利于培养学生的工程应用能力和创新能力。

2.实验教学改革与探讨。为了培养学生的应用意识与工程实践能力，突出实验环节在教学方面的作用，达到使学生深化理论理解、提高应用能力的目的，本文提出对传感器课程的实验教学内容进行如下方面的改革：（1）灵活安排验证性实验教学内容，在保证实验课时不变的情况下，选做自己需要验证的理论知识。验证性实验的主要目的是加深学生对传感器原理的认识与理解，由于每个学生对传感器认识程度的差异，其需要验证的知识点也是有差异的。所以，在有限的课时范围内，让学生自己选择需要验证的实验内容，可更大程度上实现理论学习与实验验证的统一，也达到了因材施教的效果。（2）开设综合性、设计性实验，让学生根据具体的工程模型，设计出具有应用背景的信号测量方法，并对测量结果进行分析与验证。在实验室建设过程中，除了验证性实验模块，适量增加了环形带检测平台、直线位移测控平台、温度测控平台、分拣装置实验平台以及流体测控实验平台等，这些装置的被测信号可使用不同的传感器进行测量，且系统设计工作量小，易于实现。可使学生在获取感性认识的基础上，以接近真实的环境实现物理信号的测量，从而为具有更好的工程实践能力打下基础。（3）开设创新性实验，培养学生独立分析、解决问题的能力。实验题目可由教师根据自己的工程项目给出，也可由学生自主提出。实验室提供通用的开发设备，如计算机、示波器、通用传感器及嵌入式开发板等。学生自由组队，分工合作，每组2—4人。实验初期，要求学生首先查询相关文献，进行方案设计、论证与可行性分析。指导教师集合全体同学对方案进行分析，给出相应的意见或建议，待方案完善后，学生方可进入实验阶段。在实验过程中，指导教师和实验室教师对学生遇到的疑难问题给予必要的技术指导。实验结束时，每组提交一份实验报告，并进行成果演示。

验证性实验要求每个学生必须仔细完成規定数量的实验项目，并对实验中得到的数据进行理论分析，形成实图文并茂的实验报告。设计性实验要求学生利用实验室提供的实验平台，至少完成一种物理量的信号测量，包括方案设计、传感器选择、信号测量电路设计等，并对被测量信号进行误差分析，形成实验报告。创新性实验要求学生对于一些难以测量的物理量给出测量方案，并进行可行性分析，鼓励同学进行实物验证，最好形成可发表的论文或专利等知识产权。

四、课时分配与考核

依照总共48课时的教学安排，可按理论课32学时，实验课16课时的方式划分。其中验证性实验8学时、设计性实验4学时、创新性实验4学时。需要说明的是，创新性实验的课时是远远不够的，教师可以以作业的方式让学生在课下完成。课程总成绩可按理论考试成绩40%、作业与课堂出勤率10%、验证性实验20%、设计性实验10%、创新性实验20%的比例给出。实验课程成绩的比重大大提高，这也可以让学生更加重视实验环节的学习。

五、结束语

通过对传感器课程的教学现状进行了分析，结合传感器课程的特点、企业在新形势下对传感器知识的要求等因素，在理论教学内容、教学方法以及实验教学内容和方式上进行了改革探讨。提出为了使学生更好地适应传感器在物联网、无线传感网络等新型场合的应用，必须在教学内容上跟上发展的步伐，在教学方法上更加注重理论与实践的结合。实验教学应能使学生掌握传感器的工程应用方法，对于工程中的信号测量问题，应能运用传感器知识给出可行的测量方案。提出的改革方法已在浙江工业大学电子信息专业2012级的教学中得到了应用，学生对新的教学方式表现出了极大的热情，提高了学生学习的主动性，取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]张小齐.“传感器”课程教学改革研究[J].吉林工程技术师范学院学报，2009，25（10）：43-44.

[2]张红.传感器系列课程教学改革实践与探索[J].安徽工业大学学报：社会科学版，2009，26（2）：135-136.

[3]刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].长沙：国防科技大学出版社，2004.

Abstract：The paper discusses the teaching reform of sensor course in the perspective of contents，methods and experiments in order to solve the problem of obsolete knowledge structure which cannot meet the needs of current factory.The paper proposes to change the operation model of verification experiment and strengthen comprehensive experiment and innovative experiment through adding some knowledge of new sensors，Internet of things and wireless sensor networks，thus the project practice ability of students improved.

Key words：teaching reform；sensors series course；experiment teaching