應用型本科建設下《傳感器技術》的教學改革*

福建江夏學院電子信息科學學院 黃敏 黃淑燕 黃幼萍

《傳感器技術》是電子信息類的綜合性專業課，傳統的傳感器技術在教學過程中存在理論性太強，教學實例抽象以及實踐以驗證性實驗為主等不足之處。為了提高學生工程實踐能力，現以應用型本科專業建設思想為基礎，在理論教學方案實施過程中精簡理論環節，加強學生在工程實例中傳感器的選取與使用的實踐能力培養；將傳感器實驗由原來的驗證性實驗進行擴展，具體包括對數據進行處理分析的能力訓練、引入虛擬仿真實驗、加入綜合設計類實踐項目。這些教改舉措都將對學生在參加專業競賽以及未來參加工作后的工程應用都起到一個不可忽視的作用。

應用型本科教育作為一個教育概念在我國提出的時間不長。進入20世紀80年代以后，國際高教界逐漸形成了一股新的潮流，那就是普遍重視實踐教學、強化應用型人才培養。國內的諸多高校近年也紛紛在教育教學改革的探索中注重實踐環境的強化[1]，因為人們已越來越清醒的認識到，實踐教學是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節，也是提高學生社會職業素養和就業競爭力的重要途徑。

傳感器技術，通信技術與計算機技術構成現代信息技術的三大支柱，在利用信息的過程中首先要解決獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段，其重要性不言而喻[2]。在培養應用型人才的背景下，《傳感器技術》作為電子信息工程，光電信息工程，物聯網工程等專業的一門專業必修課，培養目標側重點應該放在提高實踐動手能力、分析問題以及解決問題的能力、創新能力以及綜合素質等方面，使學生在掌握各類傳感器的原理基礎上會合理地選擇與使用傳感器，由此能夠設計一個傳感器系統來解決生活生產中實際問題，為就業做好知識儲備和實踐能力的培養。

1 現有教學方法的不足

目前《傳感器技術》課程教學過程中主要存在以下問題：

(1)現主流傳感器教材以及慕課平臺上的傳感器相關課程比較重視傳感器基礎理論的講解，與應用型本科建設指導思想并不完全吻合。在側重理論的傳感器技術教材引導下，學生的實踐能力得不到很好的鍛煉[3]。《傳感器技術》屬于一門綜合性較強的課程，涉及光學、材料、電子、生物、半導體、信息處理等眾多領域，如果要在有限的課時內面面俱到，難免學生聽了覺得空泛，導致一個“老師難教，學生難學”的尷尬局面。

(2)現存網絡上的《傳感器技術》電子課件以及教材配套的電子課件在傳感器舉例與應該這一塊，多數還是以比較簡化的原理框圖為主，學生在學習的過程中覺得抽象，難以對其有一個直觀的認識。

(3)《傳感器技術》這門課實驗以傳感器實驗箱[4]為平臺，多數為驗證性實驗：針對某個傳感器測量參數由此得出此傳感器的靈敏度、線性度等指標。學生在實驗的過程中看到的是一個封裝好的傳感器，無法了解內部結構，電路的連接也只是簡單的插線，并沒有涉及到轉換電路的設計。

2 教學改革方案探討

教學方案中應該減少理論推導在課程中教學占比。在側重理論的傳感器技術教材引導下，學生的實踐能力得不到很好的鍛煉。《傳感器技術》屬于一門綜合性較強的課程，涉及眾多領域，課程特性使得本課程在講授過程中無法面面俱到。若是每一方面都進行梳理，難以避免“蜻蜓點水，浮于表面”。本教改執行過程中，首先對原課堂教學內容進行梳理，將理論基礎作為先知知識進行簡單概括性介紹即可，理論性太強的推導過程進行省略。

教學課件中配套形象演示動畫與工程應用實例。目前網絡上的《傳感器技術》電子課件以及教材配套的電子課件在傳感器舉例與應用這一塊，多數還是以比較簡化的原理框圖為主，學生在學習的過程中覺得抽象，難以對其有一個直觀的認識。應用型本科教育宗旨是培養具有實踐動手能力的青年一代，學生在脫離工程實踐的場合無法對抽象框圖和文字進行消化和想象，更別提轉化成自身知識來指導工程實踐。但是實際教學過程中，也無法進行實際場景教學，如何解決這一矛盾，在課堂教學中若融入形象生動的工程動畫以及視頻演示可以達到一個較好的效果。

實驗教學方案旨在提升學生動手能力、工程應用能力培養。《傳感器技術》這門課實驗以傳感器實驗箱為平臺，這些實驗在進行的過程中學生接觸到的是一個封裝好的傳感器，無法了解內部結構，傳感器的外圍電路設計也已經做好封裝在實驗箱面板下方，并沒有讓學生真正涉及到轉換電路的設計。原本驗證性實驗可以進一步加強理論課上相應類型傳感器的性能指標的理解，但是無法涉及到將傳感器放在某個工程實踐中該如何使用。本著應用型本科注重動手能力的宗旨，需要加入綜合性工程設計類的傳感器實驗，包括傳感器系統的編程實踐與傳感器系統電路設計實踐以及對傳感器系統的現場調試[5]。

3 改革實施方案

3.1 理論教學實施

在應用型本科建設的指導思想下，針對目前上述《傳感器技術》課程教學過程中主要存在的問題，教改實施的過程修改與完善了《傳感器技術》教案。

結合教材保留理論部分，但是精簡這部分內容，例如在傳感器的一般特性這一章中省略最小二乘法推導過程，直接給出結論公式并配套計算實例，讓學生快速上手接入工程應用。在電阻式傳感器章節中省略引起溫度誤差因素的公式推導，重點說明和講解在工程應用中使用的補償方式-電路補償。類似上述處理在每一章中都進行了梳理。

注重從實際工程項目的導入。根據具體工程中所需實現的功能選取傳感器類型，再結合具體的環境指標和參數比較選定傳感器型號。工程項目可以來自于公司的實際產品，也可來自于學生專業競賽例如“電子設計大賽”“單片機設計競賽”“智能車大賽”等。每一章最后一部分內容都有大量的工程應用實例來豐富和擴展學生對于傳感器在實踐中的應用[6]。

結合視頻可以讓理論知識點深入淺出，從一個宏觀的角度讓學生認識到傳感器看似高深的文字描述原理，動圖描繪的工程實例讓學生體會到傳感器系統是切實的身邊存在的。目前傳統教材和主流課程所羅列的傳感器很大一部分都比較“高大上”，學生平時就沒遇到過，再加上課本里的圖片和原理都很抽象和簡略，學生在學習過程中找不到“共鳴”，難免覺得枯燥。故視頻與動畫大多從網絡資源中收集，同時在科研進行中對實驗過程進行拍攝、并進行后期剪輯處理。視頻演示以及動圖的展示方式則幾乎在每一章都有體現。

3.2 實驗教學實施

將原有的只基于CSY教學儀器的驗證性實驗這一部分擴展成三部分，分別如下：

(1)基于CSY教學儀器的傳感器技術實驗。此部分實驗以驗證性為主，主要是學生測量傳感器輸出的一系列數據。此前教學多數以學生測完數據用筆計算和畫出相關特性曲線。在本次教改實施過程中這部分教學加入關于數據處理部分的計算機處理方法，例如用Excel擬合特性曲線，并直接由軟件算出特性參數。此部分具體實施如表1實驗1-實驗5所示。

(2)基于虛擬仿真儀器的傳感器技術實驗。傳統的實驗教學設備CSY系列傳感器實驗系統重在使學生對傳感器工作原理及測量電路方面得到更多的直觀認識和理解，內容單一枯燥、硬件設備容易損壞。而虛擬儀器則不存在傳統儀器設備的缺點，它將顯示內容與數據處理的過程都在計算機上完成。本項內容實施主要使用的Protues。實驗“超聲波傳感器的使用與測距仿真”是基于虛擬仿真儀器的傳感器技術實驗的具體實施。此部分具體實施如表1實驗6所示。

(3)傳感器實踐項目。以興趣為引導學生自主選擇做出能夠解決實際問題的含有傳感器的系統。教改實施過程中選取了一個具有代表性的實踐項目：激光測距系統的設計與實現。這個綜合性實驗利用4個學時引導學生完成系統中主要傳感器TOF傳感器的使用，并利用模塊電路與主控單片機進行連接調試和編程，最終實現具體的測距系統。此部分具體實施如表1實驗7所示。

表1 《傳感器技術》實驗實施方案簡表Tab.1 Brief list of the experimental implementation scheme of"Sensor Technology"

4 結語

本次教改的成果特色主要是將《傳感器技術》課程的教學側重點由理論講授轉為注重培養應用型人才的實踐能力。主要體現在精簡理論環節，加強學生在工程實例中傳感器的選取與使用的實踐能力培養；將傳感器實驗由原來的驗證性實驗進行擴展，培養學生運用軟件如Excel等對數據進行分析的能力，并引入虛擬仿真軟件Protues讓學生能夠對傳感器電路和編程有更清晰的理解。加入綜合設計類實踐項目，培養學生實際工程應用能力，在傳感器的系統設計與調試過程中深入回顧與應用到一些前導課程理論如模擬電子線路、數字電子線路、單片機等課程所學過的知識，從而達到一個綜合性專業素養的提升。本門課所涉及到的實際工程范例將對學生在參加專業競賽以及未來參加工作后的工程應用都起到一個不可忽視的作用。

引用

[1] 李晉,陸勇.論新工科理念下地方應用型本科高校的特色發展[J].揚州大學學報(高教研究版),2020,24(6):9-14.

[2] 沈敏,余聯慶.基于多學科融合的傳感器與檢測技術課程教學改革與實踐[J].中國現代教育裝備,2021,4(7):107-109.

[3] 潘敏.能力本位教育視閾下新建本科院校實踐教學探討[J].廣西教育,2020,4(31):56-57+70.

[4] 王俊波.傳感器綜合實訓系統的設計與實現[J].物聯網技術,2020,10(8):114-115+118.

[5] 付克蘭,張玲.創新型人才培養的傳感器實驗實訓室建設研究[J].福建電腦,2019,35(4):65-66.

[6] 黃敏,張榮輝.專業競賽驅動下單片機課程改革:以“合泰杯”為例[J].科技資訊,2018,16(28):162-164.