“雙向五步式”教學法在“傳感器技術”教學中的應用

摘要：針對軍校學員及“傳感器技術”課程特點，在課程教學實施中提出“雙向五步式”教學法，以應用為牽引，以傳感器的五個環節為載體，培養學員解決工程問題的能力及獲取新知識的能力，使其具備較好的專業素養和較強的探索、創新精神。

關鍵詞：傳感器技術；雙向五步式；教學方法；教學改革

作者簡介：黃旌（1975-），男，廣東揭陽人，空軍第一航空學院計量技術教研室，講師；韓梅（1984-），女，河南商丘人，空軍第一航空學院計量技術教研室，助教。（河南信陽464000）

中圖分類號：G642#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）16-0056-02

“傳感器技術”課程是空軍第一航空學院（以下簡稱“我院”）本科層次測控技術與儀器專業的專業方向階段主要課程。該課程的任務是向學生介紹各類傳感器的基本原理、結構及典型應用電路，使學生掌握傳感器的信號轉換與處理以及傳感器在各個領域中的應用，對于學生的專業素質培養起著至關重要的作用。

一、教學對象及課程特點分析

1.學員特點及教學要求

我院作為航空機務院校，學員相對于地方高校學生具有以下兩個特點要求。

（1）基礎較弱、主動性不強。學員通過基層部隊考入軍校，紀律性強，但是文化基礎相對薄弱，習慣了講授法教學，學習的積極性、主動性普遍不高，相對不關心自己要學會什么，掌握怎樣的技能，培養哪些能力，一般為了考試而學習。

（2）軍事特色的要求。考慮到我校學生的培養目標以及學員第一任職的明確性，課程在實施過程中除了培養學員的專業能力以外，還應具有明確的航空機務工作針對性。

2.傳感器技術課程特點

課程知識內容的本身也決定了課程實施具有一定的難度，其原因分析如下。

（1）多學科交叉。各種傳感器的學習涉及力學、電學、磁學、光學、聲學、熱學、化學、生物學等多學科知識，[1]所需前修課程的基礎知識較多。

（2）教學內容多、難。課程內容包括電阻傳感器、電容傳感器、電感傳感器、熱電偶傳感器、壓電傳感器等二十余總傳感器，課程涉及的原理和公式多，教材上理論推導、分析較多，理論性較強，比較枯燥，難以理解，不便組織實施教學。[2]

（3）內容聯系不緊密。內容聯系不緊密主要體現在兩個方面，一方面，各種傳感器內容之間相對比較孤立，不具有延續性，因此不利于教員組織銜接，也不利于學員學習理解。另一方面，每一種傳感器學習一般按照教材學習其“原理”、“結構”及“電路”，了解其“特性”及“應用”，但這五部分內容之間的聯系不緊密，相互關系闡述不夠。如果按照教材內容組織實施教學，整個過程是平鋪直敘的模式，沒有分析傳感器課程的學習為什么按照這幾個環節進行，這幾個環節有什么內在聯系，這樣孤立、枯燥的理論講解不利于理解，也很難引起學員的學習興趣，教學效果不理想，更難達到人才培養方案對專業素質培養的要求。

針對以上課程及授課對象的特點和需求，必須梳理教學各環節之間的關系，找到其內在的聯系及因果關系，采用合適的教學方法，將各個環節有機地組合開展教學，以實現既符合軍校學員特點，又能夠達到培養學員的專業能力、對學員的專業素質培養起支撐作用的目標。為此在課程多年的實施中提出“雙向五步式”教學法，其思路是以應用為牽引，以傳感器的五個環節為載體，在知識的傳授中培養學員分析、解決工程實際問題的能力和獲取新知識的能力，使其具備較好的專業素養和較強的創新精神，促進其人格成長。

二、采用模擬設計的方法，培養學員的工程應用能力

“授之以魚，不如授之以漁。”課程教學的目的是培養學員的工程應用能力，在應用方面，一個測試問題的解決，主要包括傳感器的選型及檢測單元模塊的設計兩部分。因此，在教學過程中，從應用引入，以“應用→特性→原理→結構→電路”五步為環節，采用模擬設計的方法，通過傳感器的選型及檢測單元模塊的設計兩部分的實踐，達到培養學員工程應用能力的目的，具體內容及步驟包括：

1.結合“應用”，提出檢測問題，激發學員學習興趣

每一種傳感器教學的引入都以具體的檢測實例入手，首先提出檢測問題，激發學員學習興趣，并使學員認識到該傳感器的重要性及意義之所在。針對教學對象特點，首選航空檢測問題，其次為生產、生活中的問題。以某型飛機進氣道調節錐的錐位控制為例，提出如何對調節錐的位移實時檢測的問題，引入電位器式傳感器教學。部分檢測問題與傳感器對應關系如表1所示。

2.根據檢測問題，分析“特性”要求

在提出需要分析、解決的檢測問題后，第二步就是根據檢測問題，分析相應的檢測需求以及對傳感器的特性要求等。例如，某型飛機調節錐的錐位控制需要使用位移傳感器實時檢測位移變化，所用傳感器應該具有結構簡單、輸出特性精度高，穩定性好等特性；再如，數控機床對位移精確控制問題的解決，需要使用大量程、高分辨力的位移傳感器等等。

3.學習傳感器“原理、結構”，實現傳感器的選型

決定傳感器特性的是傳感器的原理以及依據原理制作出的傳感器結構，因此在提出檢測特性要求之后就可以引導學員帶著疑問學習傳感器的原理及結構了，從而完成傳感器的選型工作。例如，數控機床中位移測量提出大量程、高分辨力的特性要求后，將問題進一步細化為：如何利用光柵測量位移→學習單光柵測量位移原理；如何解決高分辨力的問題→學習莫爾條紋、莫爾條紋細分；如何解決大量程的問題→根據被測位移和計數次數成線性關系由需要延長光柵尺寸。通過三個問題的解決，完成光柵傳感器原理及結構的學習，同時完成傳感器模擬選型。

4.完善配套“電路”，完成檢測單元模塊的設計

選型完畢，再配合相應的特征調理、處理電路，即虛擬完成檢測單元模塊的設計，實現檢測功能，從而解決最初提出的應用問題。

以上過程為“雙向五步式”教學法中的反向，以工程應用實例引入，把傳感器“應用→特性→原理→結構→電路”五個步驟有機的聯系在了一起，并在問題分析過程始終貫穿解決測試問題的選型、檢測功能實現的思路，從而達到了培養學員的工程應用能力的目的。

三、以知識為載體，以教學實施為過程，培養學員的探索精神及學習能力

愛因斯坦說過：教育的成功與否，在于學生將課本知識遺忘之后，還留下什么素質。課程教學的目的首先是傳授知識，其次更具有意義的是在此基礎上以知識為載體，以教學實施為過程，培養學員的思維方式及學習能力。

傳感器學科知識的認知規律及過程。原理：首先發現某種現象，對現象研究分析總結其規律，探索得到其原理；結構：是由原理根據各種需求，使用各種工藝做成相應的傳感器器件、結構；特性：傳感器的原理及結構共同決定了傳感器的特性；電路：在此基礎上配合后續電路實現測試功能；應用：傳感器的特性決定了傳感器的應用范圍。

例如，對于電阻應變片式傳感器的學習中，這五步劃分及闡述如下。

原理：1856年英國工程師W.Thomson在鋪設海底電纜時發現電纜的電阻值隨海水的深度不同而不同，并在此基礎上通過對銅絲和鐵絲拉伸試驗后總結出了三條結論，歸納為電阻應變效應；結構：根據工程中需求，需要測量某一點的應變，因此測量用金屬絲不能過長，且較細，需將金屬絲繞制成柵狀，并輔以基片和保護層構成應變片；特性：電阻應變效應決定了應變片簡單、經濟、可靠、測量范圍寬等特性，同時正是應變片的敏感柵結構具有橫向彎頭部分，使整個應變片在承載時既受縱向應變又受橫向應變影響，從而產生不利的橫向效應；電路：配合交直流電橋實現溫度補償，并將應變片輸出的小電壓調理放大到宏觀可用；應用：應變片的特性決定了它在工程中各個領域有著廣泛的應用，除了測量力以外，還廣泛應用于壓力、扭矩、位移、加速度等各種量的測量。

這五步的劃分及實施，清晰地闡明了傳感器的幾個環節之間的內在聯系，并且這五步蘊含了前人發現問題、分析問題、解決問題的思路。因此，在五步實施過程中的每一步中應通過剖析、揭示前人的探索過程，培養學員的這種解決問題的能力、創新精神和探索精神。例如，在原理的學習中，更應引領學員分析前人探究的精神及過程，W.Thomson在工作中發現電纜的電阻值的異常變化，但他并未滿足于干好本職工作，止步不前，而是進一步對鐵絲、銅絲做拉伸試驗，分析其內因，并將現象歸納總結，提升到效應的高度。在制作應變片時，最初是將一根金屬絲繞制成絲式應變片，它具有較明顯的橫向效應，會產生較大的測量誤差；隨后對誤差成因分析改進，將其橫向彎頭改為較粗的短接點，減小了橫向效應；最后又利用光刻、腐蝕等工藝制作箔式應變片，在箔式應變片的橫向連接處進一步加大了面積，由此基本上消除了橫向效應產生的誤差，三種應變片的結構分別如圖1中（a）、（b）、（c）所示。在應用部分，溫度誤差的兩種原因及三種補償法的不斷改進等等。以上各步的實施中都蘊含這種“發現問題、分析問題、解決問題、再發現問題……”不斷進取、循序進步的思想內涵。

以上五個步驟為“雙向五步式”教學法中的正向，通過正向的“原理→結構→特性→電路→應用”五步的學習，潛移默化地培養了學員發現問題、分析問題和解決問題的能力，初步概括能力、自學能力及探究精神。

四、結束語

“教育是幫助被教育的人，給他們能發展自己的能力，完成他的人格。”“雙向五步式教學法”的教學改革實踐，增強了學生學習的目的性、積極性，并在教學實施中較好地實現了培養學員的工程應用能力與學習能力，培養學員的創新精神和探索精神的目的。

幾年來，“雙向五步式”教學法的教學改革實施取得了良好的教學效果：從學員方面來看，學員每年的評教、評學滿意度逐漸提高；學員參與科技創新、畢業設計完成情況逐年進步提高。從教員方面來看，教員的教學水平不斷提高，幾年來在學院教學督導組聽課中多次獲通報表揚；在學院每年授課質量的評定中授課質量均為優良；多次有教員參加系教法競賽并選送到學院參加教法競賽，2011年“光柵傳感器”一課獲學院教法競賽一等獎。

參考文獻：

[1]黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應用(第二版)[M].西安:電子科技大學出版社，2004.

[2]姜利英，張法全，梁威.“傳感器原理及應用”課程教學改革與實踐[J].中國電力教育，2009(1).

（責任編輯：宋秀麗）