傳感器與檢測技術實驗教學改革探索與實踐

李星星 張奔牛 張開洪

摘要：本文在分析傳感器與檢測技術理論和實驗教學現狀的基礎上，針對該門課程實踐應用性較強的特點，結合教學要求與實驗室實際情況，對實驗教學內容、教學手段和考核方法進行新的探索與實踐。新的實驗教學改革措施對提高學生的學習積極性和實踐動手能力、加深學生對理論知識的理解，具有較好的促進作用。

關鍵詞：傳感器與檢測技術；實驗教學；改革

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A文章編號：1002-4107（2012）12-0043-02

傳感器技術是信息技術的重要組成部分，其應用遍及航天科技、智能交通、智能家居、公共安全、環境監測、結構健康監測、工業監控等眾多領域。隨著物聯網產業的興起，各類傳感器的大規模部署和應用構成了物聯網不可或缺的基本條件，各類信息傳感設備相繼得到研發，并被廣泛應用于對物體的智能化識別、精準定位、有效監控和科學管理。

傳感器與檢測技術是電氣信息類專業的一門專業基礎課程。按照傳統教學方法，學生在理論學習的基礎上，在實驗教學環節通過操作實驗平臺來驗證傳感器原理，使學生在傳感器技術方面掌握一定的傳感器檢測電路及調節電路知識，了解工程檢測中常用傳感器的原理、結構、特性、應用及發展方向，具備初步應用傳感器的能力。由于該門課程的實踐應用綜合性較強，因此，加強學生在實驗、實踐環節中的動手能力顯得尤為重要，它對培養學生的創造性思維和工程檢測技術素質具有重要的意義。

本文在分析該門課程理論和實驗教學現狀的基礎上，針對實驗教學環節中存在的不足之處，提出增設開放實驗項目讓學生在實驗課堂內外自主進行傳感器的設計、制作、調試和檢測，并在實驗教學過程中實施這一改革措施，取得了較為明顯的教學效果。

一、理論教學現狀

在重慶交通大學，電子信息工程、電氣工程、自動化控制等電氣信息類專業均開設傳感器與檢測技術這門課程。該門課程以傳感器的工作原理為線索，向學生詳細介紹各類傳感器的工作原理、基本結構、相應的測量及檢測電路以及在各個領域中的應用。通過傳感器與檢測技術課程的學習，要求學生能夠比較全面地掌握信號傳感、信號采集、信號轉換、信號傳輸及信號處理的整個過程。

該門課程的理論教學方法通常首先是介紹某種功能傳感器的基本工作原理，其次講解傳感器的電路組成結構，分析傳感器的靜、動態特性及穩定性影響因素，最后介紹傳感器的應用。教學內容涵蓋了不同工作原理的主流傳感器，類種包括電阻式、電感式、電容式、磁電式、壓電式、光電式、熱電式等多種類型，各章節的內容相對獨立，其中還涉及到電學、磁學、光學、化學、材料學等多個學科的知識。

電氣信息類專業注重對知識的靈活運用，對學生動手能力、實踐應用能力的要求較高，因此，僅靠學習書本上的純理論知識，很難讓學生真正理解這些傳感器內部結構的組成，以及如何實現特定功能，只有依靠學生親身參與實驗實踐，動手操作，才能達到融會貫通的效果。

二、實驗教學現狀

該門課程的實驗是加深學生對理論知識的理解，培養訓練學生動手能力和理論聯系實際能力的重要手段。據了解，作為一門較為重要的專業基礎課程，雖然當前許多高校都開設了傳感器原理與檢測技術實驗課，但普遍反映實驗教學效果不佳。造成這一現象的原因有多種因素，例如，實驗教學模式按部就班，缺乏創新；用于實驗的專業儀器陳舊老化，更新換代較慢；對實驗環節的重視程度不足，實驗考核成績在期末成績中所占的比例較低。其中，實驗教學模式的單一化是造成實驗教學效果不理想的一個重要因素。實驗課上，按照一貫的實驗教學方式，通常是學生在教師的指導下，僅僅按照實驗指導書羅列的實驗步驟在實驗臺或實驗箱上面進行外部電路連線操作，或是組裝構造簡單的傳感器材，在輸入端施加特定信號，在信號探測端得到實驗結果，以此來驗證各類傳感器原理。最后還需要完成實驗報告，闡述實驗目的、實驗內容、實驗步驟、實驗結果以及分析傳感原理、誤差等。實驗指導教師根據學生的實驗操作情況、實驗報告質量給予評分或評定等級。在重慶交通大學，傳感器原理與檢測技術課程的實驗教學根據不同專業對這門課程的要求來設置實驗項目，學生的實驗成績通常只占到該門課程期末成績的20%。

這種實驗教學模式較為固定，主要因為許多高校設置實驗項目時都是基于購置的專業實驗臺或實驗箱來進行傳感器原理的驗證性實驗，實驗內容和方案都不盡相同，嚴重影響了教學質量的提高，制約了學生創新能力的培養。在實驗教學實踐中，學生普遍反映原本對理論知識的學習就感覺比較抽象、空洞，在實驗操作環節越發感覺無趣，從而失去對該門課程學習的熱情。

三、實驗教學改革及措施

（一）改革思路

對從事電氣信息類專業的技術人員來說，只有具備良好的綜合實踐能力和創新意識才能夠在今后的生產實踐中出類拔萃。因此，理論學習固然重要，加強實驗教學環節對學生實踐能力的培養更顯得至關重要。在實驗教學中，一方面，對基礎的傳感技術原理知識，可按照傳統的教學模式，充分利用實驗教學儀器設計驗證性實驗供學生操作，這有助于加深學生對基礎傳感技術理論知識的理解；另一方面，在實驗教學及實驗室條件允許的情況下，增設一批可供學生在課內外操作的實驗項目，在每學期的實驗教學環節中，根據不同專業對該門課程掌握程度的要求，合理選取其中難易程度不同的設計項目，由學生自主選擇題目并實現，引導學生分析問題、拆分問題，分模塊來解決問題，并且在這個過程中充分發揮學生的主觀能動性，充分尊重學生的創新精神，從而提高學生的實踐動手能力和學習積極性。對學生實驗成績的考核，應該提高實驗成績在期末綜合考評成績中的比重，讓學生更加重視實驗教學環節的鍛煉。

根據這一思路，在傳感器原理與檢測技術這門課程的實驗教學改革中，結合教學要求與本校實驗室實際情況，提出增設開放實驗項目，對實驗教學內容、教學手段和考核方法進行新的探索與實踐。

（二）改革措施

在以往的實驗教學中，基于CSY2001B型傳感器系統綜合實驗臺，根據不同專業對該門課程的要求，選排8—16個驗證性實驗項目供學生操作。在新的實驗教學探索中，不僅對實驗教學大綱進行重新修訂，豐富了實驗教學內容，而且精心設計10余個成本較為低廉、操作性強的開放實驗項目，同時鼓勵學生自創實驗項目，每個實驗項目可由兩到三名學生共同合作完成。為保障開放實驗項目的順利實施，每學期由現代電子實驗中心提供開放實驗項目所需要的電子元件和專業儀器以及實驗場地。在考核形式上，學生以電子作品和實驗報告的形式提交成果，開放實驗項目成績所占比例提高到該門課程期末成績的30%—40%。

例如，實驗項目——電子溫度計設計和制作，要求學生根據所學溫度傳感器的知識以及電路知識，利用實驗室現有的工具和電子元件進行設計和制作。該實驗項目對電氣信息類專業的學生來說難度比較適中，相較于在實驗臺上操作溫度傳感器的驗證性實驗，該實驗項目更加有趣。學生可以在實際設計和動手制作的過程中充分發揮各自的優勢，討論設計方案，自主設計測溫傳感電路。不僅如此，為了實現測溫的基本功能，學生也會自發地去查閱資料，深入分析不同類型溫度傳感器的原理，理清各類型溫度傳感器輸出數字信號值與溫度變化的關系。這樣一來，讓學生在具體實際操作中加深對傳感器相關原理的理解和認識，在設計制作過程中掌握不同類型傳感器的結構和功能，將抽象的傳感器原理知識具體化。

四、實驗教學實踐及效果

在2010—2012年連續兩個學年的傳感器原理與檢測技術課程的實驗教學中，分別在交通信息與控制專業、電子信息工程專業實施以上實驗改革措施。學生的動手操作不僅限于課堂上的四十五分鐘，只要在現代電子實驗中心的開放時間內（現代電子實驗中心全年對學生開放），學生都可以使用實驗室的資源來進行自主設計和制作，實驗室充分滿足學生在實踐過程中對元件和器材的需求。針對該門課程進行實驗教學改革，取得的良好教學效果主要體現在以下五個方面。

第一，避免傳感器原理與檢測技術實驗課對實驗設備、場地和時間的依賴性，在實驗課上，學生可以在教師的指導下設計、制作、調試具有某種特定功能的傳感器，也可利用課余時間在開放實驗室進行相關操作，調動學生的學習積極性；第二，放棄當前實驗過程片面追求實驗結果而導致與理論知識脫節、實驗效果差的實驗內容選擇思路，采用與理論知識緊密結合，讓學生加深對重要知識點的深入理解，結合實際應用的實驗內容選擇思路；第三，改進當前以連線為主的實驗方式，讓學生進行設計、制作、分析、調試的綜合性實驗操作方式，提高學生的實際動手能力和分析解決實際問題的能力；第四，提高實驗教學在課程考核中的比重，在提高教學效果的同時，激發學生的學習興趣，培養學生的學習能力和團隊精神；第五，發現并培養了一批專業技能較為突出的學生，為他們專業技能的提高提供制度和物質支撐。這些學生在全國及省市的各類科技競賽中，取得了包括全國大學生電子設計競賽二等獎在內的一系列優異成績。

針對傳感器與檢測技術這門課程，我們所探索的實驗教學改革，其目的是為了真正提高學生的學習積極性和理論聯系實際的能力，培養學生的實踐動手能力和創新意識，以及完善學生對所學知識掌握情況的科學評價。實踐證明，這些實驗教學改革措施取得了一定的成效。然而，教學改革是一項長期、復雜的系統工程，需要不斷地探索和實踐，才能有助于教學質量的提高，有助于優秀人才的培養。

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