機電工程專業傳感器課程的教學探索與研究

張國慶 劉保軍

【摘要】交叉學科是目前科學研究的熱點領域，其中機電工程作為一個典型的交叉學科，在其專業教學中越來越多的課程呈現出學科交叉性。為了適應交叉學科發展方向，滿足社會對交叉學科技能人才的需求，本文以傳感器原理及應用課程作為交叉學科課程教學研究對象，分析其課程結構的合理性，提出符合交叉學科課程特點的課程結構設計和設置，并針對當前教學方法進行改進，提出了更加完善和有效的教學訓練機制以及評價機制。

【關鍵詞】機電交叉學科課程教學

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）06-0219-02

當今世界科學前沿的重大突破、重大原創性科研成果的產生，大多是多學科交叉融合的結果。因此，多學科交叉融合促進了優勢學科的發展，新興學科的產生，以及重大創新的推出，同時也對擁有交叉學科知識技能人才的培養提出了新的要求。機電工程作為一個典型的交叉學科，在其專業教學中越來越多的課程呈現出學科交叉性，本文以傳感器原理及應用這門課程為主要試點研究對象，對該門課程在專業教學中的現狀進行研究，分析其課程結構的合理性，提出符合交叉學科課程特點的課程結構設計和設置，并針對當前教學方法進行改進，提出更加完善和有效的教學訓練機制以及評價機制，達到培養應用復合技能型人才的目標。

一、交叉學科研究的現狀

當前科學研究各學科的發展不再僅限于本學科的深度和細化，而是在學科的廣度上不斷進行拓展，打破學科界限，這些新興學科加強了學科間的聯系，消除了學科間的孤立和脫節現象，形成了一個完整的、系統的現代科學體系，而應用這些新興學科研究成果的產品的大規模出現，也形成了對掌握交叉學科知識和技能人才的迫切需求。因此不論從科學研究的層面還是從人才培養的層面，對交叉學科教學的研究是提高大學學術和教學水平的重點之一，也是大學發展的主要支撐點和主題[1][2][3]。

由于交叉學科具有融合多學科知識的特點，近年來，在解決重大科技、經濟、社會問題中發揮著巨大作用。因此，為滿足國家和社會對高層次交叉學科人才的需求，目前國內外諸多大學適應時代發展趨勢，開展交叉學科的探索和研究。但都僅限于研究型大學和研究型人才的培養，對于本科階段教育的探索與研究較少。而本科教育是應用型人才培養的首要階段，同時也是向社會輸送技能型人才的主要來源，因此對本科交叉學科課程教學進行探索和研究是具有積極意義的。

二、傳感器課程的特點

機電工程作為一個典型的交叉學科，在其專業教學中越來越多的課程呈現出學科交叉性。相比其他一些專業基礎課程，其在課程內容和課程實踐等方面具有自身的特點。以《傳感器原理及應用》課程為例，它是講述傳感器與自動檢測技術的實用科學，在現代檢測與控制系統中有著舉足輕重的作用。該課程主要介紹常用傳感器的基本原理、結構、特性和應用以及相關的信息處理技術，是一門內容繁雜的交叉學科，知識密集性強，內容離散性大，應用性較強。[4]

1.課程知識面廣

傳感器課程是一門知識密集高度綜合的應用技術課程，融合了電學、光學、力學、化學、磁學、計算機技術等多門學科的知識，也是一門實踐性和應用性很強的專業基礎課。其教學的內容隨著信息技術的發展也不斷更新和豐富。傳感器課程的內容主要包括傳感器原理和檢測技術兩部分，其中傳感器的基本原理涉及到電學、光學、力學、磁學等領域的內容，而檢測技術部分涉及到模擬和數字電路設計與分析的知識。因此在教學過程中需要對課程知識結構進行分析和研究，并以此優化調整教學結構，做好先導知識的教學，和課程教學的引導。

2.課程的實踐性強

傳感器課程中的檢測技術主要集中在傳感器檢測電路的原理分析與設計，即傳感器各種電信號的轉換與處理方法，這部分內容涉及電路電子等課程知識，也是操作性較強的部分。包括電路的設計和信號的分析與處理等。這部分的內容教學需要采用更直觀、互動性更好的方式進行，以此加深學生的感性認識，同時培養學生的系統設計分析能力和問題處理的能力。

3.課程內容的持續拓展

傳感器檢測技術與機械、電子、光學以及信息技術的發展緊密相關，這些技術的發展也推動著傳感器檢測技術的發展，同時拓展并豐富著傳感器檢測技術的內容。如單片機、嵌入式系統的發展，催生出了傳感器數字接口技術的發展，而物聯網系統的應用和發展，催生出了傳感器無線組網檢測技術的發展等等。伴隨這些技術的發展，傳感器檢測技術的內容也在不斷拓展，因此結合當前技術發展背景，改進和豐富傳感器課程教學內容，是該門課程教學改革的重點之一。

三、傳感器課程教學方法的研究

如圖1所示，以培養應用復合型人才為教學目標，選取《傳感器原理及應用》課程為對象，從教學課程結構、教學方法和教學管理等三個方面進行交叉學科課程教學的分析與研究。

圖1 交叉課程教學研究框架圖

1.教學內容研究

傳感器課程是一門知識密集高度綜合的應用技術課程，融合了電學、光學、力學、化學、磁學、計算機技術等多門學科的知識，也是一門實踐性和應用性很強的專業基礎課。其教學的內容隨著信息技術的發展也不斷更新和豐富。在課程結構上，必須著重分析該門課程的前后銜接關系，尤其是先導課程的設置和教學內容設定。傳感器課程的內容主要包括傳感器原理和檢測技術兩部分，傳統教材中對傳感器原理部分內容比較注重，但對檢測技術部分介紹較少，但考慮到目前社會的用人需求大部分集中與測控系統的組建和管理方面，因此對傳感器檢測技術的熟悉和掌握也變得很重要。所以在教學內容上需要對檢測技術相關內容投入更多關注，同時注重與實際檢測系統相聯系，拓展學生的思維，激發其創新意識[5]。

2.理論教學方法改進

傳統的傳感器課程教學主要以課堂理論教學為主，介紹傳感器的工作原理，對其應用設計的介紹偏少，因此學生在學習完課程后，與實踐銜接不夠，學習效果并不理想。同時配套的實驗多以簡單的電路搭接和測量為主，其中重要的檢測電路都是現成固定的，學生的參與度不夠，通常只是機械地按照實驗指導拼接電路完成實驗，教學效果并不理想。

針對高校應用型人才的培養要求，同時保證培養人才的可持續發展的潛在要求，傳感器課程在理論教學中要結合實際應用，將基礎理論與實際相結合，增強學生的感性認識，提高他們的學習興趣；同時在實驗、實踐教學環節，開發互動性、靈活性更強的平臺以及輔助教學軟件，增強學生在實驗過程中的能動性和創造性，提升他們的參與感，以獲得更好的學習效果。

3.實驗實踐教學創新

傳感器課程作為一門交叉學科課程，涉及到的各種學科專業的基礎知識，但目前傳統的實驗教學，主要以實驗檢測電路的搭建和信號的檢測為主[6]。這種方式存在兩個弊端，一是實驗過程靈活性不夠，學生只是機械照搬實驗指導說明進行操作，主觀能動性不強，加上學生的惰性，學生對實驗內容并沒有深刻理解，實驗效果不好；二是傳統的實驗以電路實驗箱為主，實驗箱在學生的高頻使用或錯誤使用情況下，損壞率較高，最終導致實驗設備的完好率下降，學生實際可操作的設備有限，實驗秩序和實驗效果都難以保證。因此可以采用一種新型的結合虛擬仿真技術的傳感器實驗教學平臺和配套的相應軟件，代替傳統的實驗方式，保證實驗教學的效果，構件一個基于教學適用性和強化工程實踐性的一個實驗平臺[7]。

傳感器教學中主要設計敏感單元、傳感單元和信號處理電路三個部分。由于當前電子技術向集成化、微型化方向發展，大多數的傳感器產品都對上述三個部分進行了封裝，所以單從外觀上，并不能對傳感器的組成有清晰的認識，更不用說對這三個部分的工作原理有深刻的認識。

隨著計算機輔助設計軟件的迅速發展，傳感器的主要構成部件都可以采用CAD軟件經行設計和仿真。例如敏感單元部分，可采用機械設計軟件，進行結構的設計與繪制，完成傳感器件的裝配。針對信號處理電路，可采用MultiSim或Proteus軟件進行電路設計，開發實驗平臺，將常用電路進行模塊化，供學生自己設計搭接，同時利用這些軟件的仿真功能，實時觀察信號的轉換情況。

為了適應交叉學科發展的歷史趨勢，滿足社會對多學科技能人才的需求，本文對高等學校機電工程交叉學科本科課程教學進行探索和研究，包括交叉學科專業的構建、課程教學的研究、學生知識結構的完善等方面，提出相應的專業構建方案和思路，研發具體課程的配套教學方案和軟件，對于促進高校構建新的教育體系，培養更高層次和符合社會需求的人才等具有重要的理論價值和現實意義。

參考文獻：

[1]李培鳳, 王生鈺. 跨學科人才培養模式案例分析[J]. 國家教育行政學院學報, 2004(1):91-95.

[2]伍紅軍, 羅英姿. 交叉學科人才培養的幾個理論問題研究[J]. 江蘇高教, 2010(2):95-96.

[3]李雪飛,程永波. 交叉學科研究生培養的三種模式及其評析[J]. 學位與研究生教育,2011,08:10-15.

[4]肖定邦,辛華,吳學忠,陳志華,崔紅娟. 交叉學科研究生課程教學的探索與實踐[J]. 高等教育研究學報,2012,03:115-117.

[5]金家楣. 交叉學科課程教學與研究生專業背景的矛盾與協調[J]. 教育教學論壇,2013,43:106-108.

[6]何剛,陳孝楊. 對交叉學科研究生培養的認識與思考[J]. 學位與研究生教育,2005,12:20-23.

[7]彭熙偉, 王向周, 鄭戍華. 基于工程實踐取向的實驗教學改革與創新[J]. 高教論壇,2013,02:2-54.

作者簡介：

張國慶，1977.10出生，男，四川營山，博士講師，主要從事機電系統設計、網絡測控和智能儀器儀表研究。

劉保軍，1968.10出生，男，河南信陽，工程師，主要從事自動化控制系統、傳感檢測系統設計研究。