傳感器技術的理論與實驗教學改革

王 艷　張 晨　陳姝君

南京理工大學紫金學院電光學院　江蘇南京　210046

傳感器技術的理論與實驗教學改革

王 艷張 晨陳姝君

南京理工大學紫金學院電光學院江蘇南京210046

針對目前傳感器技術教學過程中內容枯燥乏味、深奧難懂，學生學習積極性不高等問題，提出了對該課程的課堂教學和實驗教學進行教學改革，從而充分調動學生學習的積極性，讓學生變被動接受變為主動學習。實踐證明，改革后的教學極大地提升了學生的學習效果和自主學習能力。

傳感器技術；理論教學改革；實驗教學改革

傳感器技術課程是電子信息類專業的一門重要專業技術課程，當下國內高校電子信息類都普遍開設了該課程。目前，紫金學院2015新一輪人才培養方案中，電光系的全部專業包括電子信息工程、通信工程、電氣工程及其自動化、電子科學與技術、光電信息科學與工程和物聯網工程將全面開設傳感器技術這門課程。傳感器技術與通信技術、計算機技術統稱現代信息產業的三大支柱。傳感器是測量與控制系統中獲取信息的源頭，隨著信息技術的不斷發展，其在科研與生產、生活中得到了越來越廣泛的應用。傳感器是一門工程實踐性強、多學科交叉的電子信息類專業課程，其專業性與實踐性較強，在電子信息類專業課程體系中處于承上啟下的地位。該課程有一定的難度，以數學、大學物理、模擬電路、數字電路和信號與系統等課程為理論基礎，需要學生認真學習，不斷加深自己的理解、探索和感悟。目前，紫金學院的學生普遍缺乏傳感器課程的學習興趣與動力。學生缺乏課程學習的興趣與動力，一方面是學生自身的學習態度問題，另一方面更是教師的教學問題。教師在教學過程中要充分培養和激發學生的學習興趣與動力，提高學生的主觀能動性和自學能力。根據紫金學院學生的特點，制訂新教學大綱，使得學生在學習完傳感器技術這門課程后，能夠掌握各種傳感器的原理，并能夠正確選擇和熟練使用傳感器，真正做到理論聯系實際。為了提高傳感器課程的教學效果，真正做到學以致用，應該對這門課程的理論教學和實驗教學進行全方位的改革。

1　理論教學改革

傳感器技術涉及多學科知識，其綜合性非常強，理論教學的主要內容包括各類傳感器的工作原理、結構、測量與轉換電路、應用電路與應用領域。相似而又不同的各類傳感器學習讓學生覺得枯燥乏味，沒有條理性和前后連貫性。同時理論課上學生缺乏對傳感器的感性認識，學習的積極性和興趣都不高。

1.1教學內容改革

傳感器是將能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置。傳感器具有工程實踐性非常強的特點，隨著新技術的更新和變革，傳感器也進行不斷的創新，從而提高其應用的效果。因此對應的傳感器技術課程也在不斷改進和更新，即課程知識更新速度快。客觀上必須要求教學內容能夠與時俱進，在以往經典教學內容的基礎上，引進最新的前沿傳感器知識，讓學生能夠及時了解傳感器的最新動態。例如，介紹當下流行的智能穿戴產品-智能手環，智能手環內置三軸加速傳感器，實時監測運動狀態和睡眠狀態的數據，通過相應算法計算出穿戴者當前的狀態，通過藍牙將數據傳送到手機上。同時，在介紹傳感器知識的基礎上，擴展引入無線傳感器網絡相關技術，讓學生了解傳感器作為前端在物聯網中的重要作用。

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)作為當下流行的技術，是一種分布式傳感網絡，通過無線通信方式形成的一個自組織網絡，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器；WSN中的傳感器通過無線方式通信，網絡設置靈活，可以隨時更改設備位置，還可以跟互聯網進行有線或無線方式的連接[1]。例如利用無線傳感器網絡對大棚內的蔬菜生長情況進行監測，通過傳感器實時采集大棚內的溫度、濕度、露點和光照等數據,通過無線傳感器網絡及時調整大棚內的環境以達到蔬菜生長的最佳條件，實現大棚蔬菜的智能種植。例如利用無線傳感器網絡實現各種野生動物棲息和分布情況的實時監測，從而實時了解最新的野生動物野外生存情況。野生動物包括國寶大熊貓，遷徙的鳥類等。

1.2課程形式改革

傳感器是實際測量的器件或者裝置，可以在PPT上引入傳感器照片，也可以將每種類型的傳感器實物帶入到理論課課堂上，從而加深學生對傳感器的感性認識。以往的上課都是采用教師講學生聽的形式，學生學習的積極性不高，經常出現學生上課走神的情況。借鑒翻轉課堂的形式，將學習的決定權從教師轉移給學生，學生變被動學習為主動學習。部分內容采用學習興趣小組的形式，讓學生自行搜集和學習相關資料，并讓學生到講臺上給同學們講解，在課堂上展開討論。例如，當前智能手機應用普及，智能手機的發展與傳感器是密不可分的，學生可以按小組查找手機中傳感器的相關資料，學生在講臺上打開智能手機，并分析各種智能應用中分別使用了哪種傳感器。手機中的神廟逃亡和極品飛車游戲，分析此類游戲的原理是通過手機中內置的重力感應傳感器完成的，通過左右上下搖擺手機，控制速度與方向，極大地提高了學生學習的積極性。手機的拍照和攝像功能其實也是通過圖像傳感器完成的，不過不同型號智能手機中圖像傳感器的分辨率不同，也就是俗稱攝像頭像素不同，拍照和攝像清晰度不同。

2　實驗教學改革

傳感器種類繁多，按輸入物理量可分為光電傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器、位移傳感器等。按工作原理可分為電容式、電阻式、電感式、壓電式等。由于各種類型傳感器原理差異很大，因此給學生的感覺是傳感器種類過多，原理部分復雜枯燥，測量電路晦澀難懂。通過相應的傳感器實驗，可以做到理論聯系實際，幫助學生理解理論知識。當下大部分院校(包括紫金學院)的傳感器實驗，以大型實驗臺為主，體積大、價格貴，不能實現實驗室的跨課程復用。學生通過完成基于各種原理進行分類的傳感器實驗，通過傳感器將各種被測量轉換成電壓輸出，而沒有相應的處理和顯示部分直接顯示出被測量。例如應變式傳感器，通過電阻應變片將力轉換為電阻的變化，再通過電橋電路將電阻的變化轉換成電壓輸出，學生最終是通過電壓表對輸出的電壓進行測量。但是學生沒有辦法直觀看到所測量的力的大小，只能看到力所對應的電壓的大小。實驗效果不直觀，不能直接顯示被測量的大小，不能夠真正做到理論聯系實際，亟須進行實驗教學的改革。

2.1課內實驗改革

傳統傳感器實驗都是通過傳感器和相應的測量電路將被測量轉化成電壓輸出，實驗結果通過電壓表將該被測量對應的電壓測量出來，并不能直觀顯示被測量的大小和單位。本傳感器實驗將拋棄大型實驗臺，通過傳感器探頭采集數據、數據采集設備NI MyDAQ處理數據、最終在虛擬儀器Labview中顯示被測量，從而實現了傳感器與虛擬儀器這門課程的有機融合。通過加入myDAQ和Labview，將傳感器輸出的電量輸通過myDAQ傳輸到Labview中進行相應的軟件處理，在Labview中直觀顯示被測量的大小和單位，實現了數據的采集、處理和顯示。以傳感器壓力感應實驗為例，圖1給出了壓力感應硬件電路，其中(a)為壓力傳感器的雙輸出重量變送器，(b)為壓力傳感器，(c)為數據采集硬件myDAQ；圖2給出了壓力感應實驗的Labview仿真界面。通過按壓壓力傳感器，傳感器將壓力轉換為模擬的電壓輸出到myDAQ中，myDAQ通過自身的AD電路將模擬量轉換成數字量，通過USB接口送到Labview仿真中，在Labview中實現數據的處理和顯示。目前市場上沒有傳感器結合myDAQ和Labview的相關實驗教材，現已編寫校內實驗教材一本，已在本校應用，學生一致反映良好。

圖1　壓力感應硬件電路

圖2　壓力感應Labview仿真

2.2課外實驗改革

課內實驗都是基礎的實驗，學生可以根據自己的能力完成相應的開放型實驗(采用平時成績加分的形式)，達到開放實驗室的目的。由于myDAQ和傳感器探頭體積小、方便攜帶，學生可以將其帶回宿舍，通過在筆記本電腦上安裝Labview軟件可以完成實驗。數據處理和顯示除了通過myDAQ 和Labview實現，學生也可以通過單片機、DSP等其他課程實現，真正實現了多課程的融合、實驗室的復用。各種開放性實驗項目包括溫度、濕度、轉速、酒精濃度、一氧化碳濃度、重量等，學生課余時間可以自行選擇實驗項目并完成。例如，有學生通過PCB設計和雕刻機(電子實習中已進行相關學習)完成硬件電路板的設計與制作，完成一個溫度測試儀，數據處理和顯示部分采用單片機完成，這樣實現了傳感器與電子實習、單片機的跨課程融合，達到將傳感器課程的學習與應用型人才培養相結合的目的。

3　結束語

本文介紹了傳感器技術課程中的理論教學和實驗教學內容的改革。理論課的創新點在于引入了前沿傳感器，并通過興趣小組和學生演講的形式，增加了學生學習的興趣，培養了學生的團隊合作能力和演講的能力；實踐課的創新點在于將體積很小的myDAQ以及軟件Labview引入到傳統的傳感器實驗中，從而達到了口袋實驗室的效果，實現了傳感器數據的處理與顯示。實踐證明，在實際的傳感器教學中引入以上變革，能夠有效增強學生學習的積極性，激發了學生學習傳感器的興趣，引入了硬件myDAQ和軟件Labview，極大地豐富了實驗內容，取得了較好的教學效果，受到學生的一致歡迎與好評。

[1] 張淋江,孔素真,劉志龍.基于無線傳感器網絡的遠程醫療生理數據采集研究[J].數字技術與應用,2015(8):132-135.

The Theoretical and Experimental Teaching Reform of Sensor Technology

Wang Yan, Zhang Chen, Chen Shujun
Zijin College of Nanjing University of Science and Technology,Nanjing, 210046, China

At present in the teaching of sensor ,content is boring and esoteric,and students' learning enthusiasm is not high. This paper puts forward the teaching reform of classroom teaching and experimental teaching to fully mobilize the enthusiasm of students' learning and change passive learning to active learning. The practice has showed that the reform of teaching has greatly improved the effect of learning and the ability of autonomous learning.

sensor technology; theoretical teaching reform; experimental teaching reform

2016-03-29

王艷，碩士，講師。張晨，碩士，講師。陳姝君，碩士，講師。

南京理工大學紫金學院教學改革立項項目(編號：20140102006)；江蘇省省級教學改革立項項目(編號：2015JSJG519)。