傳感技術發展動向及在中小學教育應用的必要性

　　概述
　　
　　現代信息技術的三大支柱是傳感技術、通信技術和計算機技術，它們分別構成了信息系統的“感官”、“神經”和“大腦”。因此，傳感技術是信息時代的重要基礎技術。傳感器是信息系統獲取信息的首要部件——電五官，是能感受（或響應）規定的被測量并按照一定規律轉換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器也是測控系統獲得信息的重要環節，在很大程度上影響和決定了系統的功能。國外一些著名專家曾評論說：“征服了傳感器就等于征服了科學技術”、“如果沒有傳感器檢測各種信息，那么支撐現代文明的科學技術，就不可能發展”、“唯有模仿人腦的計算機和傳感器的協調發展，才能決定技術的將來”。
　　傳感器幾乎應用于所有的技術領域，并逐漸深入人們的生活。比如，在機器人技術領域，作為新產業革命的典型代表——智能機器人將大量使用視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺以及各種內部傳感器；在航空、航天技術領域，整個阿波羅10號飛船就是高性能傳感器的集合體；在民用工業中也大量應用傳感器，僅一部汽車就需要50多只傳感器；在日常生活中，各種家用電器需要的傳感器也有上百個品種規格。
　　
　　傳感技術的發展動向
　　
　　1.集成化和智能化
　　集成化：使傳感器和測控儀器具有多種敏感元件、數字信號輸出、信息存儲和記憶、邏輯判斷、雙向通信、決策、自檢、自校準、自補償、數值處理等功能。
　　智能化：智能化多傳感器系統能夠在復雜而多變的環境中，迅速、有效、準確地獲取、分析、處理和綜合傳感器信息，它們基于多傳感器信息融合、模式識別來作出正確的描述和決策。
　　集成化智能化傳感器的典型代表是智能固體攝像器件，日本在270μm厚的硅片上研制出包括光電陣列、信號處理、記憶、演算、驅動等部分在內的智能化視覺傳感器。
　　
　　2.微型化和系統化
　　微機電傳感器和微執行器的創立，開拓了微機電系統(MEMS)新領域。現在許多專家都認為：微機電系統將掀起下一次工業革命。MEMS傳感器及系統具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優異及功能強大等無法比擬的優點。
　　
　　3.無線化和網絡化
　　無線傳感器網絡被認為是21世紀最重要的技術之一，曾被列為對世界產生深遠影響的十大新興技術之首。無線傳感器網絡是一種獨立出現的網絡，它的基本組成單位是無線傳感器節點，這些節點集成了傳感器、微處理器、無線接口和電源管理四個主要模塊。微型傳感器節點可以隨機或者特定地布置在工作環境中，通過無線通信實現自組織，獲取周圍環境的信息，形成分布自治系統，相互協同完成特定的任務。
　　
　　4.感知仿生
　　感知仿生是通過研究生物感知器官、系統及生物神經元與神經網絡的功能結構和作用機理，構建與生物相似功能和結構的人工系統。
　　下圖所示為北京理工大學智能機器人研究所等單位研制的應用了視覺、聽覺、觸覺、平衡覺等大量傳感器的仿人形機器人在打太極拳。
　　
　　5.信息難以獲取的傳感技術
　　信息難以獲取的傳感技術，如隔墻探測或隔墻成像技術，尤以思維信息獲取的傳感器系統至關重要。
　　美國科學家日前在動物實驗中“解碼”了從猴子大腦中記錄下的思維信號，并進而用這些信號成功地對實驗裝置進行控制，朝著用意識控制機器的方向邁進了一步。此外利用魚腦、人腦控制機器人，也獲得成功。
　　
　　傳感技術在中小學教育中應用的必要性
　　
　　1.有利于提高中小學生科學素養
　　目前中小學生的科技素質偏低，中小學科技教育薄弱。這種狀況令人十分擔憂。一個民族科學素質的提高，僅靠個別的科技“精英”是遠遠不夠的，應該面向全體學生和公民，首先要對全體中小學生施以不同層次、不同內容、適用范圍廣泛的基礎科技知識和方法的教育，使他們成為具有良好科學素質的現代公民。
　　全面培養學生的素質教育是時代發展的趨勢，也是我國教育改革的必然趨勢。目前在中小學舉辦的被稱之為“傳感器系統集成的智能機器人競賽”的賽事越來越多，其主要原因就是為了在增強學生對學習的興趣、激發學生對信息科技濃厚興趣的同時，全面拓展信息科技活動的廣度和深度及全面培養學生對信息科技的開發能力，提升信息科技教育的價值。
　　機器人是21世紀中小學生最富挑戰性的科技活動平臺，它的學習價值得到了充分的體現，它全面接觸傳感器技術、計算機的軟硬件的開發、人工智能等高新科技；它能全面培養學生的動手能力、創造力、綜合能力、合作能力和進取精神；它能全面激發學生對科學技術的興趣。當學生看到自己設計、制作的產品行動起來時，那種喜悅的心情是任何事情都無法比擬的；如果這種產品又被大規模地推向市場，為很多人使用和珍愛，這種快樂就更是無以復加了。
　　事實上，“機器人大賽”為大家提供了一個實踐的舞臺。因此，希望大家能積極地參加機器人大賽，去體驗一下“制作的快樂”。而且，由于對初中、高中在校學生素質能力的日益關注，有可能在今后中考和高考中，會給參加機器人大賽的同學予以積極的評價，對于在大賽中取得良好成績的同學予以保送等支持。以促進學生科學素質和良好心理素質的提高，養成勇于探索、追求新知、實事求是、敢于創新的科學精神。
　　
　　2.有利于學生提高動手實踐能力
　　目前中小學課程、教材、教法不完全適應現代科技教育和培養創新人才的需要。課程結構不盡合理，教材知識滯后，教學方法不夠靈活，基本上以講授科學知識為主，讓學生聽科學、讀科學，而不是做科學、用科學。另外中小學科技教育經費嚴重不足，科技教育設施和條件難以滿足科技教育的基本要求。這些導致我國的中小學生讀書、考試擅長，動手實踐、創新能力不足，一條腿長、一條腿短。為此，在可能條件下，在中小學教育中應用較低成本的傳感器技術，有利于提高學生動手實踐能力，從征服傳感器技術入手，征服科學，從了解機器人感知系統起步，到掌握機器人的智能技術。
　　
　　3.有利于學生深入掌握數理化知識和信息技術
　　與數字化集成的計算機技術相比，傳感器技術最大限度地綜合了中小學數理化知識，可以說傳感器技術是科學知識的集成。各種物理效應、化學反應是傳感器賴以工作的基礎原理，如光電傳感器基于光電效應，熱電偶基于熱電效應，電容傳感器原理基于電容量計算公式；力學量傳感器涉及力學、運動學、動力學，溫度傳感器涉及熱學，聲傳感器涉及聲學等。通過傳感器的做和用，在提高動手能力、創新能力的同時，可以更激發學生的興趣、深化掌握課堂教學中所講授的知識。教師在結合有關學科的教學內容向學生傳授基礎知識外，要注意把中小學生科技知識、科學思想、科學方法、科學精神的教育和科技技能的培養納入教學之中；要結合中小學課程改革，在各類課程中不斷強化傳感器技術內容。掌握信息技術，從道理上看，應該從信息技術的源頭——獲取信息的傳感器入手，這也是目前信息技術的瓶頸，是科學技術中需要突破與創新的用武之地。不掌握信息獲取的傳感器技術，就不能說掌握了信息技術！