以應用為“錨”的傳感器課程教學方法研究

張婧婧， 李勇偉

（1．新疆農業大學 計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2．新疆農業大學 機械交通學院，新疆 烏魯木齊 830052）

以應用為“錨”的傳感器課程教學方法研究

張婧婧1， 李勇偉2

（1．新疆農業大學 計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2．新疆農業大學 機械交通學院，新疆 烏魯木齊 830052）

以應用型人才培養為目標，開展傳感器技術課程教學方法的初探。以測速系統為原型，闡述六步教學法的具體內容和實施片段，旨在總結傳感器系統設計的一般規律，進而凝練傳感器課程教學的一般方法，指出該方法對傳感器技術課程的教學設計者具有參考價值。

傳感器；六步教學法；測速系統；應用

0 引 言

目前，各高校開設的工科類課程中，傳感器技術屬于典型的多學科交叉課程。各種傳感器的學習涉及電學、光學、磁學、力學、熱學、聲學、生物學等多學科知識[1]，難度較大，知識點相對松散，令很多學習者望而卻步。為了改善課程的教學現狀，激發廣大學習者的潛能，筆者及教學團隊瞄準課程的教學定位，設計基于本課程的六步教學法，旨在擺脫課堂知識抽象枯燥和學生學習無趣乏力的教學困境，引導傳感器技術課程進人“教學相長”的良性循環。

1 教學定位

傳感器技術與實際應用結合非常緊密。傳統教學過程中，本課程的知識目標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用等，知識點相對獨立，不宜形成理論體系，課程教學質量難以提升。針對現狀，教師可適時調整教學方向，抓住以培養應用型人才能力為目標的教學定位，實現在應用系統設計中培養學生解決問題的能力，并以此作為改善課堂教學的“突破點”。為此，根據本課程以往的授課經驗及學生的知識水平，筆者初步實施六步教學法并進行傳感器技術課程改革[2]的有益嘗試。

2 六步教學法

在以應用系統為能力目標的學習背景下，六步教學法的主要任務是剖析傳感器自身的特點及變化規律，并凝練其系統集成過程中的內在關聯，為解決系統設計的各類問題找到一般思路，最終形成傳感器課程教學的一般方法。我們以測速系統在課程中的講授為例，詳述六步教學法的相關內容及部署情況。

1） 第1步：設計情景項目。

六步教學法中第1步為提出問題，將課程教學帶人情景項目中，引出與傳感器相關的系統（速度測試儀）設計。與單純地引出問題相區別，在課程教學中如何引導學生進人設計情景，積極分析和思考該系統的解決方案在此環節中至關重要，其中可供參考的技術性問題包括：速度測試系統如何與傳感器關聯？哪類傳感器輸出的信號便于被測速系統處理？

2） 第2步：引人敏感元件。

在傳統課程教學過程中，選取某類傳感器講授理應視課程的教學進度而定;而對于六步教學法中敏感元件的引人，可選取適于項目設計的各類傳感器進行分析和比對，這樣不僅能夠加深學習者對不同傳感器特點的認識，還能為系統的宏觀設計甄選傳感器并為后續教學環節準備條件。適于測速系統的傳感器見表1。

表1 適于測速系統的傳感器

如表1所示，霍爾開關屬于磁電式傳感器的一種，常用于磁性物質的檢測，利用磁場還能將非電量如力、位置、速度、角度等物理量轉換為電量進行檢測和控制[3]。光電開關則能夠利用光電反射進行目標物體的檢測[4]，擅長液位控制、產品計數等。由于這兩類傳感器在應用過程中采集電路簡單，輸出便于處理，因此在測速系統中應用最為普遍。

3） 第3步：分析工作原理。

在六步教學法中，涉及傳感器原理的講授無疑是教學內容的重中之重。在原理分析過程中，課堂教學需要幫助學習者厘清各類傳感器的工作參數、敏感特性、變化規律、應用電路等，而此環節也是授課過程中難度最大且最為枯燥的部分。教學設計者應配備相應的圖文動畫、仿真測試、實物模型等教具輔助課堂授課，旨在平復該環節中學習者知難而退的抵觸情緒。就霍爾開關的測速原理而言，教學的輔助資源可包括磁感應動畫、霍爾開關仿真電路（如圖1所示）、霍爾元件的實物展示等。

4） 第4步：劃分電路模塊。

在六步教學的設計中，情景項目的選取往往關注其趣味性和完整性。就一般的傳感器應用設計而言，系統的構成至少包括敏感信號的采集、數據的轉換和控制以及系統的顯示電路，測速系統也不例外，如圖2所示。

在系統整體方案出爐之前，構建系統功能模塊是學習者的必經之路。就課程本身而言，為強化傳感器的學習目標，授課時更應關注敏感信號的采集和轉換、數字信號輸出時與控制、顯示電路的接口設計及工作原理。

圖1 霍爾開關仿真電路

圖2 測速系統的模塊劃分

5）第5步：運行仿真測試。

系統模塊間建立關聯之后，項目的教學設計也趨于完整，此時驗證設計方案和編寫并運行測試程序將成為六步教學法中不可忽視的內容。從教學效果上講，仿真環節將驗證前4步教學過程中涉及的所有理論分析和設計方案正確與否，成功的測試結果將極大地激發學習者的興趣和熱情。值得一提的是，學習者的編程能力并非傳感器課程的考查重點，然而就傳感器應用系統的智能化[5]發展趨勢而言，軟件的編程及移植能力必將迅速提上傳感器技術課程能力培養的議事日程。圖3所示的仿真測速電路中，霍爾元件產生的脈沖信號由脈沖源替代，測速系統的中的鍵盤、單片機、液晶屏和揚聲器分別實現調速控制、速度計算、顯示輸出和閾值報警功能。

6） 第6步：梳理應用系統。

以項目式教學為[6]驅動的六步教學法中，應用系統的梳理環節意味著展開一個項目所涉及傳感器知識點的整理，旨在引導學習者進行傳感器應用過程中的規律總結和知識積累，最終實現課程體系的理論升華。

圖3 測速系統的仿真測試

3 結 語

以測速系統為例，六步教學法為傳感器課程的教學設計提供了一般思路，即以剖析傳感器應用系統的設計規律為主線，以傳感器應用過程中的參數變化、敏感特性、工作原理為基礎，通過對比敏感元件、構思設計方案、連接系統模塊和編寫測試程序，為學習者展示一個全景的傳感器應用與實踐平臺，在此基礎上配備相應的教學資源，開展相關的課程實踐，很大程度上提高了學習者的設計能力，增強了其應用系統開發的信心與勇氣。目前，筆者與教學團隊已經開展的教學項目見表2，鑒于以往傳感器課程的教學經驗和學習者的掌握程度，項目的選取更加突出趣味性和實用性，在此供傳感器技術課程的教學設計者參考。

表2 傳感器課程參考項目列表

[1] 吳建平. 傳感器原理及應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2009: 154-180.

[2] 李姿景, 張具琴, 陳嘉義.“傳感器原理及應用”課程教學改革與實踐[J]. 中國電力教育, 2010(21): 110-111.

[3] 丁芝琴. 基于霍爾傳感器的電機測速裝置設計[J]. 農機化研究, 2010(5): 81-83.

[4] 左兆陸, 鄭賓,丁高林, 等. 基于紅外線光電開關的測速系統設計與應用[J]. 自動化與儀表, 2011(8): 82-84.

[5] 谷有臣, 孔英, 陳若輝. 傳感器技術的發展和趨勢綜述[J]. 物理實驗, 2002, 22(12): 40-42.

[6] 呂振華, 殷香麒, 榮長軍. 論項目教學法在“電工電子技術”課程教學中的應用[J].中國電力教育, 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，研究方向為復雜系統、嵌入式理論與應用, zjj@xjau．edu．cn。