《現(xiàn)代傳感與探測技術(shù)》課程工科實驗教學(xué)探索

汪子君 任玉琢 梁偉

摘要：《現(xiàn)代傳感與探測技術(shù)》是探測制導(dǎo)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)信號處理、控制類課程的基礎(chǔ)。文章從該課程的工程性特點以及學(xué)生的心理出發(fā)，通過開展小范圍開放性自定題目課程設(shè)計教學(xué)實踐，結(jié)合傳感器、電子電路、數(shù)字邏輯、單片機及控制理論知識，證明在教學(xué)過程中結(jié)合課程創(chuàng)新設(shè)計，可以幫助學(xué)生綜合利用理論知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，培養(yǎng)學(xué)生電子技術(shù)的綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：工科實驗教學(xué)；傳感器實驗教學(xué)；教學(xué)改革；探測系統(tǒng)

中圖分類號：G642.1，TP212.6 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）34-0199-02

現(xiàn)代工程教學(xué)的核心理念是在教學(xué)中融入人文精神、科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，其特點是知識的集成化、學(xué)科的交叉性以及工程技術(shù)和經(jīng)濟活動的緊密結(jié)合。解決真實世界的工程問題并通過真實世界培養(yǎng)工程人才，使學(xué)生在工程實踐中具備獨立思考、準確表達并適應(yīng)變化，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的初衷[1]。為適應(yīng)教育部深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想，開展“新工科”建設(shè)的需要，在《現(xiàn)代傳感與探測技術(shù)》課程中對教學(xué)體系、內(nèi)容和側(cè)重點進行了改革與探索，采用課堂教學(xué)與工程實驗教學(xué)相結(jié)合的模式，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力方面取得了一定的效果[2]。

一、目前課程教學(xué)現(xiàn)狀

傳感技術(shù)是信息技術(shù)的源頭，是信息社會的三大重要支柱之一，實現(xiàn)傳感與探測技術(shù)的關(guān)鍵器件是傳感器。由于傳感器具有精度高、可靠性強、微型化、智能化、集成化等特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、交通能源、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域[3，4]。目前傳感器課程實驗內(nèi)容偏于對某一原理或某一定律的驗證[5]，而非對探測信息、獲取信息和處理信息的應(yīng)用，不利于學(xué)生綜合電路電子課程、數(shù)字邏輯課程、單片機課程、計算機語言課程等多課程知識的融合，不利于綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、課程工程實驗教學(xué)探索方法

目前高校工程教育以人才培養(yǎng)模式為核心，我院對教學(xué)改革進行了積極嘗試，以培養(yǎng)學(xué)生的主動性、積極性、實踐性和創(chuàng)新性。《現(xiàn)代傳感與探測技術(shù)》在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和授課方式，增加設(shè)計時間環(huán)節(jié)，以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

1.教學(xué)探索要達到的目標。美國猶他州立大學(xué)教授M.David提出了五項“首要教學(xué)原理”：（1）當學(xué)習(xí)者介入解決實際問題時，才能夠促進學(xué)習(xí)；（2）當激活已有知識并將它作為新知識的基礎(chǔ)時，才能夠促進學(xué)習(xí)；（3）當新知識展示給學(xué)習(xí)者時，才能夠促進學(xué)習(xí)；（4）當學(xué)習(xí)者應(yīng)用新知識時，才能夠促進學(xué)習(xí)；（5）當新知識與學(xué)習(xí)者的生活世界融于一體時，才能夠促進學(xué)習(xí)。

根據(jù)首要原理提出了《現(xiàn)代傳感與探測技術(shù)》實驗教學(xué)目標：（1）課程實驗教學(xué)內(nèi)容要描述現(xiàn)實世界中的現(xiàn)象；（2）實驗教學(xué)過程中要貫穿先前課程的相關(guān)知識和經(jīng)驗；（3）實驗教學(xué)要展示學(xué)習(xí)什么而不僅僅是陳述學(xué)習(xí)的內(nèi)容；（4）學(xué)生有機會進行練習(xí)并展示學(xué)習(xí)成果；（5）學(xué)生可自由選擇將新知識和技能應(yīng)用到現(xiàn)實世界和日常生活中。

2.教學(xué)探索采用的手段與方法。在實驗教學(xué)課程設(shè)計中，教師舉出幾個現(xiàn)實世界中信息探測獲取、信號處理以及執(zhí)行機構(gòu)等應(yīng)用實例，要求學(xué)生自己設(shè)計應(yīng)用場景，選擇合適的傳感器和執(zhí)行器件，設(shè)計實驗電路，搭建實驗電路，編寫單片機程序，通過實際應(yīng)用實現(xiàn)預(yù)定目標，并通過詳解原理、圖片和視頻進行展示。在整個過程中，教師給予一定指導(dǎo)，并對實驗元器件的供應(yīng)提供保證，支出設(shè)計中的不足并提示改進思路。

三、課程工程實驗教學(xué)探索實施

1.實驗課程簡介。本課程的實驗教學(xué)所用系統(tǒng)為Arduino實驗套件，該套件包含多種探測器、處理電路、顯示模塊、控制模塊和執(zhí)行機構(gòu)，可組成一個完整的探測、處理、實行系統(tǒng)。實驗套件可完成光、電、溫度、液位、位移等多種物理量的探測，可實現(xiàn)顯示和執(zhí)行等結(jié)果的輸出展示。本教學(xué)設(shè)計3人一組，在理論課堂之外3周時間內(nèi)完成，課堂上進行成果展示[6]。

2.實驗課程實施方案。實驗教學(xué)中主要采取項目教學(xué)法，以學(xué)生為主體，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，提高學(xué)生的實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的探究和創(chuàng)新精神。教師舉例描述五個現(xiàn)實問題，提出設(shè)計的基本要求和發(fā)揮要求，下面介紹其中兩個。（1）智能交通控制系統(tǒng)。基本要求：實現(xiàn)一個十字路口使用的智能交通控制系統(tǒng)的基本功能，在一個方向的車道上根據(jù)區(qū)域車流量進行十字路口交通信號燈的持續(xù)時間控制；在緊急情況下，使用緊急按鍵使兩路口都為紅燈，并發(fā)出警報禁止普通車輛通行，讓緊急車輛通過后再恢復(fù)正常通行。發(fā)揮要求：在實現(xiàn)基本要求的基礎(chǔ)上考慮實現(xiàn)十字路口雙向的車流控制，以及采用更實用的車流量探測手段，實現(xiàn)真正可用于實際的交通控制系統(tǒng)。（2）自動溫度測控系統(tǒng)。基本要求：實現(xiàn)溫度測量、顯示、超溫報警等功能。發(fā)揮要求：在實現(xiàn)基本要求的基礎(chǔ)上考慮使用繼電器作為加熱或制冷設(shè)備的電源開關(guān)，實現(xiàn)真正的溫度自動調(diào)節(jié)。其他題目，如選用紅外探測器的“人體脈搏測量儀”，需要考慮應(yīng)用場景的“地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)”等。

3.實驗課程實施效果。實驗課程設(shè)計收到10組課程設(shè)計，每組實驗中使用到2種或2種以上傳感器，設(shè)計均包括顯示模塊或執(zhí)行機構(gòu)。（1）用于鐵路路口的交通信號燈。選擇超聲傳感器測距，三色發(fā)光二極管和數(shù)碼管顯示，蜂鳴器提示，步進電機帶動起落桿作為執(zhí)行機構(gòu)。（2）密封環(huán)境溫度濕度調(diào)節(jié)。選擇溫度、濕度傳感器，發(fā)光二極管和數(shù)碼顯示，蜂鳴器報警，步進電機帶動風(fēng)扇作為執(zhí)行結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)閉環(huán)控制。（3）超聲光控系統(tǒng)。選擇光敏電阻、超聲傳感器、發(fā)光二極管顯示、蜂鳴器報警。學(xué)生結(jié)合電子電路、數(shù)字電路、單片機、自動控制等課程知識，發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力，較好地完成了課程設(shè)計。

四、工程創(chuàng)新中的應(yīng)用

本次實驗教學(xué)在大三上半學(xué)期開展，一些學(xué)生通過對傳感器的應(yīng)用，對建立測控系統(tǒng)所需要的信息獲取、信息處理和執(zhí)行控制都有了體會。本院在大三下半學(xué)期開展了工程創(chuàng)新與設(shè)計課程，學(xué)生通過本次實驗教學(xué)的課程設(shè)計，對工程創(chuàng)新有了較大的幫助，在工程創(chuàng)新中使用該傳感器套件進行了設(shè)計，取得了較好的成績。

五、結(jié)語

通過對《現(xiàn)代傳感與探測技術(shù)》課程實驗教學(xué)的改革，加強學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的自主能動性與興趣，綜合運用多門課程知識，學(xué)以致用，為學(xué)生今后的創(chuàng)新能力打下了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]王孟祿，張大蔚.傳感器技術(shù)在創(chuàng)新實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2014，（35）：170-171.

[2]李秀紅，李文輝，任家駿，龐蔭銘.新工科背景下“機械設(shè)計課程設(shè)計”教學(xué)改革[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2018，16（3）：132-134.

[3]郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用[M].第四版.西安電子科技大學(xué)出版社，2014：1-5.

[4]劉瑩，祝學(xué)云，范文.檢測技術(shù)課程設(shè)計型實驗系統(tǒng)研制[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（6）：137-145.

[5]吳瓊水，張錚.《傳感器與控制》實驗教學(xué)改革探討[J].長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，8（7）：125-126.

[6]王孟祿，任鳳竹.傳感器多層次實驗教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索[J].實驗室科學(xué)，2013，16（2）：79-81.