以應(yīng)用為“錨”的傳感器課程教學(xué)方法研究

張婧婧， 李勇偉

（1．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

以應(yīng)用為“錨”的傳感器課程教學(xué)方法研究

張婧婧1， 李勇偉2

（1．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，開(kāi)展傳感器技術(shù)課程教學(xué)方法的初探。以測(cè)速系統(tǒng)為原型，闡述六步教學(xué)法的具體內(nèi)容和實(shí)施片段，旨在總結(jié)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，進(jìn)而凝練傳感器課程教學(xué)的一般方法，指出該方法對(duì)傳感器技術(shù)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)者具有參考價(jià)值。

傳感器；六步教學(xué)法；測(cè)速系統(tǒng)；應(yīng)用

0 引 言

目前，各高校開(kāi)設(shè)的工科類課程中，傳感器技術(shù)屬于典型的多學(xué)科交叉課程。各種傳感器的學(xué)習(xí)涉及電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科知識(shí)[1]，難度較大，知識(shí)點(diǎn)相對(duì)松散，令很多學(xué)習(xí)者望而卻步。為了改善課程的教學(xué)現(xiàn)狀，激發(fā)廣大學(xué)習(xí)者的潛能，筆者及教學(xué)團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)課程的教學(xué)定位，設(shè)計(jì)基于本課程的六步教學(xué)法，旨在擺脫課堂知識(shí)抽象枯燥和學(xué)生學(xué)習(xí)無(wú)趣乏力的教學(xué)困境，引導(dǎo)傳感器技術(shù)課程進(jìn)人“教學(xué)相長(zhǎng)”的良性循環(huán)。

1 教學(xué)定位

傳感器技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合非常緊密。傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，本課程的知識(shí)目標(biāo)主要包括電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器的原理與應(yīng)用等，知識(shí)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，不宜形成理論體系，課程教學(xué)質(zhì)量難以提升。針對(duì)現(xiàn)狀，教師可適時(shí)調(diào)整教學(xué)方向，抓住以培養(yǎng)應(yīng)用型人才能力為目標(biāo)的教學(xué)定位，實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，并以此作為改善課堂教學(xué)的“突破點(diǎn)”。為此，根據(jù)本課程以往的授課經(jīng)驗(yàn)及學(xué)生的知識(shí)水平，筆者初步實(shí)施六步教學(xué)法并進(jìn)行傳感器技術(shù)課程改革[2]的有益嘗試。

2 六步教學(xué)法

在以應(yīng)用系統(tǒng)為能力目標(biāo)的學(xué)習(xí)背景下，六步教學(xué)法的主要任務(wù)是剖析傳感器自身的特點(diǎn)及變化規(guī)律，并凝練其系統(tǒng)集成過(guò)程中的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各類問(wèn)題找到一般思路，最終形成傳感器課程教學(xué)的一般方法。我們以測(cè)速系統(tǒng)在課程中的講授為例，詳述六步教學(xué)法的相關(guān)內(nèi)容及部署情況。

1） 第1步：設(shè)計(jì)情景項(xiàng)目。

六步教學(xué)法中第1步為提出問(wèn)題，將課程教學(xué)帶人情景項(xiàng)目中，引出與傳感器相關(guān)的系統(tǒng)（速度測(cè)試儀）設(shè)計(jì)。與單純地引出問(wèn)題相區(qū)別，在課程教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)人設(shè)計(jì)情景，積極分析和思考該系統(tǒng)的解決方案在此環(huán)節(jié)中至關(guān)重要，其中可供參考的技術(shù)性問(wèn)題包括：速度測(cè)試系統(tǒng)如何與傳感器關(guān)聯(lián)？哪類傳感器輸出的信號(hào)便于被測(cè)速系統(tǒng)處理？

2） 第2步：引人敏感元件。

在傳統(tǒng)課程教學(xué)過(guò)程中，選取某類傳感器講授理應(yīng)視課程的教學(xué)進(jìn)度而定;而對(duì)于六步教學(xué)法中敏感元件的引人，可選取適于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各類傳感器進(jìn)行分析和比對(duì)，這樣不僅能夠加深學(xué)習(xí)者對(duì)不同傳感器特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，還能為系統(tǒng)的宏觀設(shè)計(jì)甄選傳感器并為后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)準(zhǔn)備條件。適于測(cè)速系統(tǒng)的傳感器見(jiàn)表1。

表1 適于測(cè)速系統(tǒng)的傳感器

如表1所示，霍爾開(kāi)關(guān)屬于磁電式傳感器的一種，常用于磁性物質(zhì)的檢測(cè)，利用磁場(chǎng)還能將非電量如力、位置、速度、角度等物理量轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行檢測(cè)和控制[3]。光電開(kāi)關(guān)則能夠利用光電反射進(jìn)行目標(biāo)物體的檢測(cè)[4]，擅長(zhǎng)液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)等。由于這兩類傳感器在應(yīng)用過(guò)程中采集電路簡(jiǎn)單，輸出便于處理，因此在測(cè)速系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍。

3） 第3步：分析工作原理。

在六步教學(xué)法中，涉及傳感器原理的講授無(wú)疑是教學(xué)內(nèi)容的重中之重。在原理分析過(guò)程中，課堂教學(xué)需要幫助學(xué)習(xí)者厘清各類傳感器的工作參數(shù)、敏感特性、變化規(guī)律、應(yīng)用電路等，而此環(huán)節(jié)也是授課過(guò)程中難度最大且最為枯燥的部分。教學(xué)設(shè)計(jì)者應(yīng)配備相應(yīng)的圖文動(dòng)畫(huà)、仿真測(cè)試、實(shí)物模型等教具輔助課堂授課，旨在平復(fù)該環(huán)節(jié)中學(xué)習(xí)者知難而退的抵觸情緒。就霍爾開(kāi)關(guān)的測(cè)速原理而言，教學(xué)的輔助資源可包括磁感應(yīng)動(dòng)畫(huà)、霍爾開(kāi)關(guān)仿真電路（如圖1所示）、霍爾元件的實(shí)物展示等。

4） 第4步：劃分電路模塊。

在六步教學(xué)的設(shè)計(jì)中，情景項(xiàng)目的選取往往關(guān)注其趣味性和完整性。就一般的傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)而言，系統(tǒng)的構(gòu)成至少包括敏感信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和控制以及系統(tǒng)的顯示電路，測(cè)速系統(tǒng)也不例外，如圖2所示。

在系統(tǒng)整體方案出爐之前，構(gòu)建系統(tǒng)功能模塊是學(xué)習(xí)者的必經(jīng)之路。就課程本身而言，為強(qiáng)化傳感器的學(xué)習(xí)目標(biāo)，授課時(shí)更應(yīng)關(guān)注敏感信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)輸出時(shí)與控制、顯示電路的接口設(shè)計(jì)及工作原理。

圖1 霍爾開(kāi)關(guān)仿真電路

圖2 測(cè)速系統(tǒng)的模塊劃分

5）第5步：運(yùn)行仿真測(cè)試。

系統(tǒng)模塊間建立關(guān)聯(lián)之后，項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)也趨于完整，此時(shí)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案和編寫(xiě)并運(yùn)行測(cè)試程序?qū)⒊蔀榱浇虒W(xué)法中不可忽視的內(nèi)容。從教學(xué)效果上講，仿真環(huán)節(jié)將驗(yàn)證前4步教學(xué)過(guò)程中涉及的所有理論分析和設(shè)計(jì)方案正確與否，成功的測(cè)試結(jié)果將極大地激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣和熱情。值得一提的是，學(xué)習(xí)者的編程能力并非傳感器課程的考查重點(diǎn)，然而就傳感器應(yīng)用系統(tǒng)的智能化[5]發(fā)展趨勢(shì)而言，軟件的編程及移植能力必將迅速提上傳感器技術(shù)課程能力培養(yǎng)的議事日程。圖3所示的仿真測(cè)速電路中，霍爾元件產(chǎn)生的脈沖信號(hào)由脈沖源替代，測(cè)速系統(tǒng)的中的鍵盤、單片機(jī)、液晶屏和揚(yáng)聲器分別實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制、速度計(jì)算、顯示輸出和閾值報(bào)警功能。

6） 第6步：梳理應(yīng)用系統(tǒng)。

以項(xiàng)目式教學(xué)為[6]驅(qū)動(dòng)的六步教學(xué)法中，應(yīng)用系統(tǒng)的梳理環(huán)節(jié)意味著展開(kāi)一個(gè)項(xiàng)目所涉及傳感器知識(shí)點(diǎn)的整理，旨在引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行傳感器應(yīng)用過(guò)程中的規(guī)律總結(jié)和知識(shí)積累，最終實(shí)現(xiàn)課程體系的理論升華。

圖3 測(cè)速系統(tǒng)的仿真測(cè)試

3 結(jié) 語(yǔ)

以測(cè)速系統(tǒng)為例，六步教學(xué)法為傳感器課程的教學(xué)設(shè)計(jì)提供了一般思路，即以剖析傳感器應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)律為主線，以傳感器應(yīng)用過(guò)程中的參數(shù)變化、敏感特性、工作原理為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)比敏感元件、構(gòu)思設(shè)計(jì)方案、連接系統(tǒng)模塊和編寫(xiě)測(cè)試程序，為學(xué)習(xí)者展示一個(gè)全景的傳感器應(yīng)用與實(shí)踐平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上配備相應(yīng)的教學(xué)資源，開(kāi)展相關(guān)的課程實(shí)踐，很大程度上提高了學(xué)習(xí)者的設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)了其應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的信心與勇氣。目前，筆者與教學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)展的教學(xué)項(xiàng)目見(jiàn)表2，鑒于以往傳感器課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)者的掌握程度，項(xiàng)目的選取更加突出趣味性和實(shí)用性，在此供傳感器技術(shù)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)者參考。

表2 傳感器課程參考項(xiàng)目列表

[1] 吳建平. 傳感器原理及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009: 154-180.

[2] 李姿景, 張具琴, 陳嘉義.“傳感器原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 中國(guó)電力教育, 2010(21): 110-111.

[3] 丁芝琴. 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2010(5): 81-83.

[4] 左兆陸, 鄭賓,丁高林, 等. 基于紅外線光電開(kāi)關(guān)的測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化與儀表, 2011(8): 82-84.

[5] 谷有臣, 孔英, 陳若輝. 傳感器技術(shù)的發(fā)展和趨勢(shì)綜述[J]. 物理實(shí)驗(yàn), 2002, 22(12): 40-42.

[6] 呂振華, 殷香麒, 榮長(zhǎng)軍. 論項(xiàng)目教學(xué)法在“電工電子技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育, 2010(32): 62-63.

（編輯：宋文婷）

1672-5913(2017)01-0152-03

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張婧婧，女，講師，研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)、嵌入式理論與應(yīng)用, zjj@xjau．edu．cn。