“傳感器原理及應用”課程建設的研究與實踐

鄔華芝，潘雪濤，蔡建文，張美鳳，孟飛

(常州工學院光電工程學院，江蘇 常州 213002)

0 引言

“傳感器原理及應用”課程是測控類專業一門重要的專業基礎課，也是大部分工科專業的主要選修課。該課程涉及機械、物理、光學、材料、電子等眾多學科領域，應用領域十分廣泛，在專業課程體系中起到承上啟下的作用。［1-2］本課程的教學目標是使學生了解如何獲取被測對象的信息，掌握傳感器的基本原理、適用的一般性原則和各自的特點，通過實驗、課程設計等環節培養學生的實踐能力和創新意識。

常州工學院“傳感器原理及應用”課程團隊圍繞高素質應用型人才培養的定位，根據學生的認知規律，結合傳感器課程的理論與實踐特點，在創新與優化課程教學理念與實踐教學體系、整合與完善教學內容、探索與實踐教學方法和手段、開發與推廣優質教學資源等方面開展了卓有成效的工作。通過多年全方位的努力，切實提高了教學水平，形成了鮮明的特色，取得了一批標志性成果，有力推動了課程群建設和專業建設。

1 課程教學中的難點

首先，本課程涉及的基礎理論在廣度和深度上都超出本專業的前序課程，給學生深入理解傳感機理帶來困難。同時與傳感器相關的新理論、新技術不斷涌現，教學內容大幅擴展。傳統“粉筆+黑板=教學”的方式已經不能滿足教學需求。

其次，目前大部分教材中對同一被測量的多種傳感方法缺乏深入的比較和分析，涉及的往往只有正確使用的例子，而沒有多種方案的比較或傳感器使用不當的例子，學生難以學以致用。

最后，本課程有較強的實踐性，注重傳感器應用等方面的訓練，而“儀器+實驗報告+簡單數據分析=實驗”的實驗教學方式不能很好地培養學生的實踐能力。

2 課程建設的實踐過程

2.1 創新與優化教學理念和實踐教學體系

課程組在教學進程中，既強調老師的導學作用，又注重學生作為認知主體的自主學習作用，遵循“雙主教學”理念，創建了以“三階段的完整教學過程、三步走的互動教學方法、三結合的現代教學手段”為特色的理論教學新模式，實現了真正意義上的啟發式、互動式、反饋式教學。

課程組本著因材施教、因人而異的教學理念，構建了“全程化、工程化、多樣化、多元化”課程實踐教學新體系，如圖1所示。

全程化是指學生實踐能力的培養貫穿于課堂教學、實驗、課程設計、參加學科競賽等教學活動的全過程之中。

工程化是指設計性實驗、課程設計等選題來自于教師的縱向、橫向科研項目，使學生受到了更為系統的工程訓練。［3］

圖1 實踐教學體系圖

多樣化是指實驗的形式多樣，既有虛擬、仿真演示實驗，又有驗證性、綜合性實驗，還有設計性、創新性實驗。

多元化是指針對基礎、能力不同的學生提出分層次的教學要求，不搞“一刀切”。

2.2 整合與完善課程教學內容

本課程以傳感器原理、結構、測量系統為體系，層次主線清晰，結構科學合理。［4］教學內容遵循科學性、先進性和適用性的原則，充分考慮了測控技術學科本身發展以及和其他學科的密切關系，從信息獲取和系統集成的高度來觀察和理解傳感器及檢測技術，突破就器件論器件的傳統方式。如，教師以“硫化過程控制系統”科研項目為例，詳細講授系統功能分解、配置，傳感、變送器的選擇，調理、轉換電路的設計，控制裝置、人機界面軟件的選型，測量結果的處理及系統精度評定等內容。這樣的教學方式不僅幫助學生了解各部件的原理、性能指標等，更有利于學生將各知識點有機融合，對工程上的典型配置、應用有直觀的認識，建立系統的概念。

同時針對不同專業方向，教學內容有所側重。如，在講授應用舉例時，計算機測控技術方向突出溫度、壓力、流量等傳感器在工業測控和過程控制中的應用。檢測技術與質量工程方向突出現代傳感技術在精密檢測方面的應用。

2.3 開發與推廣優質教學資源

近年來，課程組以網絡技術、多媒體技術和測控技術發展的最新成果為手段，開發了一系列優質教學資源。“可視化、交互式、可共享”的傳感器虛擬實驗室［5］，能夠把儀器功能用面板控件形成軟件模塊，像實物儀器一樣完成測試、處理等任務，將實驗搬進課堂，搬上網絡，實現了教學與實驗的完美融合，促進了實驗方法和手段的完善，提高了學生學習的積極性和主動性。具有“廣、實、新、活、多”特征的傳感器與檢測技術網絡教學平臺［6］教學資源豐富，覆蓋面廣;邏輯結構清晰，使用方便，實用性強;用動畫、計算機仿真、虛擬實驗等教學資源，形式新穎;實現了教學方式的靈活多樣;使用文字、圖片、視頻、動畫、計算機仿真多種手段，切合教學主題，啟發引導性強。

基于VB的傳感器課程自助測試系統操作方便，學生可以自主進行習題練習，模擬考試。教師通過此系統可以對試題進行錄入、刪除、修改、查詢等，可以通過手動和自動方式進行組卷，可以對學生成績進行管理、查詢、分析，及時了解學生對知識的掌握情況。

課程組編寫的《傳感器原理與檢測技術》、《傳感器原理與檢測技術實踐指導教程》兩本教材是普通高等院校“十二五”規劃教材，由國防工業出版社于2011年5月出版發行，至今已經銷售8 000余冊。教材更加注重實際應用，每類傳感器都給出了實物圖和技術參數，添加了大量傳感器在實際生產、生活中的應用實例。教材中的實驗項目不是將實驗儀器說明書中的實驗簡單重復羅列，而是對其進行整理、歸納和提高，通過常用電測儀表的使用，以及驗證性、綜合性、設計性、創新性實驗等環節，分層次、遞進式反復訓練，實現從基礎層、應用層、提高層到創新層的跨越，達到培養學生的實踐能力和創新能力的目的。

2.4 探索與實踐課程教學方法和手段

依托優質教學資源，課程組創建了以“三階段的完整教學過程、三步走的互動教學方法、三結合的現代教學手段”為特色的理論教學新模式，其層次結構如圖2所示。

圖2 理論教學新模式層次圖

教學過程包括課前、課中和課后3個完整的階段。課前，通過前后教學內容之間的銜接，動畫演示、計算機仿真、虛擬實驗等手段激發學生興趣，養成自學習慣，培養自學能力。

課中，采用重點、難點“帶著學”、實際應用“看著學”、拓展內容“自己學”的“三步走”教學方法。重點和難點內容精講、細講，教師將Flash動畫演示、基于JAVA的仿真軟件、基于LabVIEW的虛擬實驗三種現代化教學手段有機結合，進行漸進式講授和驗證［6］，學生從定性理解到定量掌握，實現了啟發式教學。講述實際應用時，教師在課堂上播放圖片資料、動畫、視頻等，增強學生的感性認識，提高了教學效果。拓展類的教學內容由教師布置題目，學生通過網絡平臺中提供的素材或者專業網站，自己查找資料撰寫綜述性論文，鍛煉了學生查閱、整理文獻資料的能力。教師帶著學生不僅用眼、用耳、用手，更多地用腦一起走進所講授的內容，實現了互動式教學，提高了學習效率。

課后，學生可以利用豐富的教學資源進行自主學習、自主訓練，教師通過整理分析學生的自學情況，了解學生的學習狀況和存在的問題，以進一步改進教學方法，幫助學生鞏固、提高，實現了反饋式教學。

2.5 提煉培養學生實踐創新能力的新方法

課程組利用虛擬實驗室和網絡教學平臺的各類資源，通過“自主學習、自主訓練、自主應用、自主提高”四個環節，使學生從初步入門達到靈活應用，培養學生敏銳發現問題、有效解決問題、學以致用和舉一反三的能力。這四個階段構成了實踐創新能力培養的漸進過程，如圖3所示。

圖3 自主性、探究性學習能力分解圖

以溫度測量系統設計(“傳感器原理與檢測技術”課程設計中一個選題)為例進行詳細介紹，如圖4所示。總知識鏈:采用合適的溫度傳感器與虛擬儀器技術組建測溫系統，解決溫度測量的實際問題。硬件系統知識鏈:傳感器及其調理電路，數采卡，CPU;軟件系統知識鏈:數采卡的驅動，溫度測量、顯示與統計分析軟件設計。

圖4 自主性、探究性學習能力分解與訓練圖

3 課程建設取得的成果及應用

近年來，本課程建設取得了一系列標志性成果。“創新虛擬實驗教學模式，提高自主學習能力”項目獲江蘇省高等教育教學成果獎一等獎，“傳感器原理及應用課程網絡教學平臺的研發與應用”等2個項目獲常州工學院教學成果一等獎。“傳感器原理及應用”課程為學校精品課程。課程組開發的“傳感器原理與檢測技術”課件獲江蘇省高校優秀多媒體課件一等獎，“傳感器課程實驗演示系統”等3個課件獲全國多媒體課件大賽二等獎、三等獎，完成相關校級教學改革課題3項，發表教學研究論文8篇。

課程資源從2005年開始逐步在學校測控專業的學生中得到應用，到目前為止1 000余人受益。從2008年開始，南京工程學院、淮陰工學院、江蘇理工學院等兄弟院校相關專業的師生相繼利用本課題組開發的虛擬實驗室和網絡平臺進行輔助教學，教學效果顯著，獲得兄弟院校的一致好評。獲獎課件通過江蘇省高校多媒體資源網(http://cc.njnu.edu.cn/)和中國教育資源網(http://www.uken.cn/)面向全國開放共享。

測控專業學生本課程考核成績逐年得到提高。近年來，測控專業學生的“傳感器原理與檢測技術”課程考核情況如圖5、圖6所示。及格率由74.31%上升至93.94%，平均分由69.04分提高至81.7分。而對比各成績段的比例可見，不及格比例明顯下降，優秀比例明顯提高。學生的成績趨于合理，基本符合正態分布。

圖5 各年級平均分、及格率變化趨勢

圖6 各年級成績比例分布情況

近年來，測控類專業學生的實踐創新能力顯著提升，獲國家級大學生實踐創新訓練項目7項，江蘇省大學生實踐創新訓練項目25項，發表專業論文8篇。獲全國電子設計大賽江蘇賽區一等獎，江蘇省高校大學生物理及實驗科技作品創新競賽特等獎、二等獎、三等獎，“挑戰杯”大學生科技作品競賽江蘇賽區二等獎、三等獎，江蘇省大學生機械創新設計大賽三等獎，江蘇省本科優秀畢業設計團隊，江蘇省高校學生多媒體作品大賽二等獎，江蘇省大學生創意大賽優秀獎等各類省級以上學科競賽獎勵30余項。

4 結語

常州工學院“傳感器原理及應用”課程教學團隊根據儀器科學發展趨勢和教育發展規律，充分利用現代化教學手段，開發并推廣了一系列優質教學資源，并依托這些資源構建了本科教學的理論與實踐教學體系，其模式具有一定的新穎性和可操作性。在培養應用型本科學生實踐創新能力方面，課程組摸索出一套行之有效的方法，具有較好的應用意義和可推廣性。在課程建設實施過程中，教師和學生承擔了一批教學改革項目，發表了一批教學科研論文，取得了一系列的標志性成果。更為重要的是學生的專業知識和專業技能得到了明顯提升，受益匪淺。同時課程建設成果已經在常州工學院及其他同類院校應用，對測控類應用型本科創新性和高素質人才培養具有較大意義和影響。

［1］潘雪濤，溫秀蘭，李洪海，等.傳感器原理與檢測技術［M］.北京:國防工業出版社，2011.

［2］潘雪濤，鄔華芝，溫秀蘭，等.傳感器原理與檢測技術實踐指導教程［M］.北京:國防工業出版社，2011.

［3］宋愛國，吳涓，崔建偉.測控技術與儀器專業學生工程意識培養與創新教育的探索［J］.中國大學教學，2012(1):41-43.

［4］潘雪濤，周祥才，黃兆粱，等.“傳感器原理及應用”重點課程建設的探索與實踐［J］.常州工學院學報，2007(6):85-88.

［5］劉珂琴，潘雪濤，張美鳳.網絡虛擬實驗室的設計與實現［J］.現代電子技術，2011，34(24):171-173.

［6］潘雪濤，張美鳳，張亞鋒，等.“傳感器原理及應用”網絡平臺的研發與應用［J］.常州工學院學報，2011(1):72-77.