遠程模式下機電專業傳感器課程教學改革的研究

徐丹麗　曉莉

摘要傳感器與測試技術是機電、控制等專業的必修課程，知識面廣、實踐性強。在網絡環境為介質的遠程教育模式下該課程的教與學面臨著新的難題，本文探討了其解決對策，包括多角度激發學習者的學習興趣；用案例作導向將理論與實踐緊密結合；在工程實踐中引入仿真技術，開發適合本門課程的工程仿真軟件。運用策略后，教學效果得到明顯改善。

關鍵詞教學改革傳感器仿真技術實踐教學

信息傳播技術的飛速發展，給傳統的機械電子專業帶來猛烈沖擊，推動學科教育的革新，專業教育也不斷探索與之相適應的教學實施途徑。信息傳播技術的充分發展，改變了傳統的教學模式，遠程教育成為新的教學模式并廣受歡迎。遠程開放教育招生的注冊人數逐年快速上升，因學習能夠不受時空限制，專業學習者絕大部分是在職人員，他們更傾向于在網絡環境中接受專業教育。良好的招生形式需要好的教學體系來保證和維持，如何保證和提高網上辦學的教學質量是遠程教育工作者們面臨的新的課題。

教學質量要靠優質的課程單元來保證。隨著機器人、自動控制等技術的興起，傳感器技術在各個應用領域對傳感器的需求不斷增加，是自動控制、機電一體化等專業的專業基礎課。本文將探討在遠程教育環境下，如何進行傳感器與測試技術課程的教學改革。

1遠程模式下傳感器課程教學的新難題

傳感器技術是當今世界令人矚目的高新技術之一。作為信息采集重要元件，傳感器廣泛應用于各種智能控制、信息處理系統當中，它是將各種待測非電量按一定規律轉換成便于處理和傳輸的另一種物理量的裝置。傳感器種類繁多，包括應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、霍爾式傳感器等。傳感器與測試技術主要是講授工程檢測中常用傳感器的工作原理及在測試系統中的基本應用。

在遠程教育環境下，傳感器與測試技術課程的教學面臨著諸多新的教學難題和挑戰。首先，在教學內容上涉及理論多而廣，增加了教與學兩方面的難度。不同類型的傳感器工作原理各不相同，講解時需涉及聲學、材料學、核物理、微電子學、工程數學、數據處理、控制工程等學科知識。這不僅對主講教師在學識、能力、技巧諸方面提出嚴峻考驗，同時對學習者的知識面和知識結構提出一定的要求。

對開放大學往屆的機電專業學習者調查結果顯示，他們大多是生產線上的操作人員，或者僅是某個崗位上的負責者，知識面相對較窄，知識基礎也相對薄弱，而且每個人的知識結構不盡相同，會覺得傳感器課程的知識理解起來困難重重。而課程的章節內容環環相扣，如果某次缺課，例如部分人工作環境中存在倒班制度，上課時間還需要根據工作時間安排來調整，知識的脫節將會給后面的學習帶來更大的困難。因此，很多學習者更加覺得內容枯燥。

遠程模式下中，實踐環節的實施也需要探索新的實施途徑。傳感器課程是工科類學生培養其工程實踐能力的重要環節，實踐性強。單純從外觀上看，很多傳感器大同小異，但其應用卻千差萬別，通過實踐教學能有效幫助學習者深入掌握傳感器相關知識。目前社會上掌握計算機和通訊技術的工程技術人員非常多，但精通傳感器技術的工作者卻很少，也是因為掌握它需要積累大量的工程實踐知識。學習者在學習傳感器技術時，如果仍采用一般專業基礎課的實驗方法，其形式相對簡單，實驗通常局限于在驗證性的基本原理階段，這類實驗與實際聯系不多，反映不出日新月異的傳感器的應用，難以刺激學生的學習興趣和創造欲望，教學效果不夠明顯。

2遠程教學環境下傳感器課程改革的對策

2.1多角度激發學習興趣的遠程學習

眾所周知，學習興趣是學習者能否學好某門課程的重要因素，也是課程取得良好教學效果的重要條件，因此，培養和保持學生的學習興趣至關重要。從以往的教學中，筆者發現大多數學生在學期之初對傳感器課程有著一定的興趣，但這學習興趣在一段時間后容易失去，其主要原因是理論難度逐漸增加，以及遺忘了以前的基礎知識，導致前后知識不能順利銜接。

針對此類情況，傳感器與測試技術的遠程教學從多角度激發學習者的學習興趣。本課程開發團隊確定出課程的重點和難點，具整理編寫基本的文字、圖片等學習材料，還有針對性地提供教學講解視頻、音頻、課件動畫等資源。例如在講授熱電偶相關知識的教學中，教材上提供的熱電偶原理圖圖1（a）所示，雖然結構簡單明了，但與工程實際中使用的產品相去甚遠，學生很難將二者融為一體。在遠程教學中我們補充了熱電偶實物圖、產品設計圖紙，三者相互對照，學習者更容易接受和掌握熱電偶的工作原理和實際應用。

遠程教育的學生大多是在職學習者，教育背景、工作經歷、知識結構不盡相同。這種現象造成有些課程內容對一部分人來說是已經掌握或者很輕松就能理解的，但對另一部分人來說則相反。針對這一現象，為遠程教學中提供的教學視頻、動畫等多種多媒體資料可以充分發揮作用。

2.2案例導向的傳感器課程教學

傳感器與測試技術課程大綱中規定：除了要求學生掌握工程撿測中常用傳感器結構、工作原理等理論知識外，還得使學習者掌握在工程實際中如何選擇和應用基本類型傳感器，實現工程實際當中對力、壓力、溫度、位移、物位、轉速和振動等物理量的測量。現有的傳感器教材絕大多是以理論知識來組織教學內容的，應用往往是教學的難點。

筆者從多年的教學過程中發現，課堂上單純的理論講解，容易讓學生疲勞，若加入應用案例分析，他們則會聚精會神，甚至還產生繼續研究的興趣，有些還能結合其實際工作舉一反三。在學生首次接觸課程時，筆者沒有急于講解第一章的傳感器概念和特性，而是結合教材向學生介紹生活中、工業中、軍事中傳感器的作用與地位，空調、冰箱為什么恒溫，機器人為什么能避開障礙物等，這些貼近實際的話題，讓學生們興致盎然。

因此，在傳感器課程遠程教學中引入案例教學，即在案例的講解當中穿插傳感器的相關理論知識，可以極大改善教學效果。案例的運用可以大大縮短理論與實踐的差距，提高學生解決實際問題的能力。

在遠程教學過程中，傳感器課程內容組織常以一個完整的項目開發為案例，進行相關知識講解，項目對象可以選一輛智能遙控車、汽車油門控制系統、太陽能熱水器的水位控制裝置等。例如，在電容式傳感器知識講解過程中，筆者通過一個門鈴的工作過程作為案例，闡述其運作的原理和模式，學生對門鈴較為熟悉，因此很容易接受深層次的關于門鈴內部原理。

2.3遠程教學模式下的實踐環節引入仿真技術

強調理論和實踐研究相結合是工程技術學科的一個顯著特點。隨著高等教育的普及化，社會對各類專業人才的需求有了更進一步的提升。企事業單位不僅要求新入職者掌握堅實的理論基礎知識，還希望他們具有較強的動手能力和一定的實踐經驗。如何提高學生的動手能力呢？實訓設備價格昂貴，也不符合遠程教育的隨時隨地的學習原則；工廠實習是傳統的教育方法，但目前制造企業都注重安全生產，不愿意接受學生實習。

遠程教學中，對于文字、圖片、視頻等教學資源，目前的教育網絡系統能夠給予很好的支持，對于傳感器與測量技術課程所強調的實踐環節，因用到專業的實驗設備、實驗環境等，給專業的遠程教育帶來新的難題。開發虛擬設備、建立虛擬實驗室等仿真技術的應用，為解決這一困境提供了有效途徑。

仿真技術在教學中存在如下優點：（1）創造一個虛擬的實驗環境，減少了繁瑣的硬件設備的投資和維護；（2）將多種專業知識綜合運用，滿足培養學習者的理論與實踐結合的能力；（3）操作都在計算機虛擬環境下運行，利于遠程教育模式。以下就用飛機上使用的電容式油量表系統為例，說明傳感器課程實踐環節中如何引入仿真技術。

油量表采用自動平衡電橋電路，由油箱液位電容式傳感裝置、交流放大器、兩相伺服電機、減速器、指針等部件組成。油箱中的液位高低變化會引起這些組成部件的相對運動，最后反映在油量表的指針上，操作者根據油量表的讀數獲取當前油箱中的油位高低。

油量表的原理圖如圖2所示，當油箱無油時，電容式傳感器Cx具有一個初始電容，電橋處于平衡狀態，輸出為零，伺服電機不轉動；當油箱中油量增加，電容式傳感器的電容之將會發生變化，電橋失去平衡，輸出電壓，電壓經過放大后驅動伺服電機，經減速后一方面帶動油量表指針偏轉一個角度，另一方面移動可變電阻Rw，使其達到一個新的平衡。

單純的文字說明和過程講解是無法達到好的知識傳遞效果，而實物系統龐大，就算有也無法獨立操作和講解。

為了讓學習者明了其“輸入-輸出”關系的運動過程，我們將仿真技術納入實踐教學環節，用動畫的方式展現出整個控制過程，并且彌補沒有實物的不足。過程仿真的開發軟件很多，本案例使用東方仿真軟件中的過程系統仿真平臺來進行開發。動作仿真的開發結果能讓學習者輸入或改變油位高低參數h，動態展示出油量表隨著液位高低而發生變化的一系列過程，能觀察到油量表相應的變化。學生通過這一過程輕松掌握電容式傳感器在工程中的典型應用，并能對其它類型的變介質式電容傳感器的使用舉一反三，達到預期的教學效果。

3小結

傳感器與測試技術是一門融理論與實踐于一體的課程，課程知識面廣，涉及到力學、電磁學等多門學科的綜合運用；課程實踐性強，是工科類學生培養工程實踐能力的重要一環。這給遠程模式下的教和學帶來新挑戰。筆者針對遠程模式下工科課程的教與學，提出幾點解決措施，主要有依托多媒體技術開發多種學習課件，多角度激發學習者的學習興趣；用案例為導向將理論與實踐緊密結合起來；在工程實踐中引入仿真技術，開發適合本門課程的工程仿真軟件。目前這些舉措實施后已達到較好的教學效果。