問題探究式教學法在電容式傳感器教學中的應用

摘 要：實時準確的飛機燃油測量對于提高飛機的有效載荷、作戰半徑和保障飛行安全具有非常重要的作用，那么飛機上是如何進行燃油油量測量的呢？由飛機可用燃油油量監測問題導入課堂，引出電容式傳感器。以電容器相關知識為基礎，構建電容式傳感器知識體系。通過回答問題，來學習電容傳感器的定義、工作原理、結構類型和工作特性。通過應用實例，加深對理論知識的理解，同時回答課堂最初提出的可用燃油油量監測問題。課堂上巧妙設計問題鏈條、點撥探究，完善探究思維，以達到良好的效果。

關鍵詞：問題探究式；教學法；傳感器

Abstract：Realtime and accurate aircraft fuel measurement plays a very important role in improving the payload，combat radius and flight safety of the aircraft，so how to measure the fuel amount on the aircraft is a key issue.The problem of aircraft available fuel quantity monitoring is introduced into the classroom，and a capacitive sensor is introduced.Based on the knowledge of capacitors，the new knowledge of capacitive sensors is constructed.Students learn the definition，working principle，structure type and working characteristics of capacitive sensors by answering questions.Through the application of examples，deepen the understanding of theoretical knowledge，while responding to the problem of available fuel quantity monitoring originally raised in class.In class，the question chain is cleverly designed，the inquiry is pointed，and the inquiry thinking is perfected to achieve good results.

Keywords：ProblemBased Inquiry；teaching method；sensor

電氣工程及其自動化專業要培養具有較強的學習能力、思維能力、實踐能力、表達能力和交往合作能力，具有運用所學知識進行學術研究、技術革新和科學研究能力的人才，要著眼于加快轉變空軍戰斗力生成模式對人才知識、能力、素質的新要求，更新教育觀念和育人理念，突破慣性思維，強化質量意識，以教學內容優化提高人才培養質量，突出培養學生的創新意識和實踐能力，實現人才全面發展。問題探究式教學法在“航空檢測技術”課程電容式傳感器教學中是一種具有實效性和先進性的教學方式。

一、問題探究式教學法

探究式教學法相關理念是由美國著名實用主義哲學家、教育學家約翰·杜威（John Dewey）率先提出的。他主張科學教育，并非單純讓學生積累大量知識，更關鍵的是讓學生掌握科學研究的流程與方法。1950—1960年，探究作為一種教學方法，其合理性愈發顯著。20世紀初，胡適將杜威的教育思想引入中國。

探究式學習（Handson Inquiry Based Learning，HIBL），也稱為探究性學習，或者研究性學習。其核心是通過創建學習場景或環境，使學生能夠在這些環境中通過研究探索自主發現問題，再通過開展調查研究、實驗設計、操作實踐、結論分析、交流匯報等活動，獲取知識，鍛煉實踐能力，端正價值取向。這種學習模式注重學生學習的主動性，是一種督促學生在學習過程中自主探索問題的積極學習模式。

問題探究式教學顧名思義就是將問題探究作為教學活動的主題，讓學生通過模擬科學研究的過程來掌握基本概念、尋找客觀規律、總結解題方法，其優勢在于變被動接受知識為主動探究知識，培養學生獨立思考和解決問題的能力［1］。目前，問題探究式教學法已在大量教學過程被應用［24］。問題探究式教學法是一種科學、系統、經典的教學方法。好的課堂提問，能夠吸引學生注意力，引導學生思考和探究，激發學生學習興趣，提高課堂學習效果［5］。問題探究式教學，也稱為發現式教學，或者研究式教學，俗稱“做中學”。其核心思想是在教學過程中由教師提出要解決的問題，并提供相關學習資源，學生在閱讀和學習這些學習資源后，經過觀察、實驗、思考、討論等方式主動探索如何解決問題，并在此過程中自行發現、理解并掌握相關原理和結論。該教學法突出以學生為主體，引導學生主動自覺地探索，并在探索的過程中掌握解決問題的方法與步驟。因此，在問題探究式教學中，學生的主體地位得以凸顯，學生的主動學習能力得到激發，進而使教學效果得到有效提升。

單純的課堂提問是碎片化的、隨意性的、機械化的“碎問”，學生掌握到的多為惰性知識。教師提出的問題是教材內容的直接或間接呈現，師生間的問答互動比較簡單，難以促進學生學習思維的發散［6］。問題探究式教學是系統性的、差異化的、遞進式的“深問”，學生掌握到的多為活性知識。教師提出的問題是經整理、序化和再加工的教材知識，目的是通過創設與教學內容有關的問題情景，提高學生的學習興趣，培養學生的發散思維。

二、問題探究式教學法在電容式傳感器課堂中的教學實踐

在探究式教學中，需全面考量探究內容應達成的預期目標及其所能發揮的功效。教學實施時，要有針對性地引導學生在實踐操作中提升動手能力與問題解決能力，使其在實踐與研究過程中領悟并掌握科學方法。從邏輯層面來講，探究式教學以問題為核心紐帶，借助設計一系列問題來實現學習目標。問題探究式教學模式要求教師將各個知識點轉化為具體任務，每個任務圍繞特定主題（知識點）創設問題情景。

（一）巧妙創設情景，激發探索欲望

“良好的開端是成功的一半。”如果教師一走上講臺，就能以新穎別致的情景、富有情趣的語言開講，必然會“先聲奪人”，牢牢地吸引住學生。導入新課時，教師可以利用直觀的教具或現代化的多媒體等教學手段，來吸引學生的目光。事實上，更為重要的是，在學生思維還沒有啟動時，教師要根據教材特點和學生學情，巧妙地創設情景并建模，把學生引入與問題有關的情景，通過設置問題懸念，產生認知沖突，引起學生共鳴，激發探究欲望，對新課程中貼近生活的問題開展積極思考，使學生探究思維迅速集中到需要研究的問題上。例如，講電容式傳感器時，設置的情景是：首先，讓學生回顧飛機飛行的過程，讓學生估計飛機續航時間，保障飛行安全的重要參數是飛機的剩余油量，所以在飛機飛行過程中，要隨時知道飛機的剩余油量。由此引出可用燃油油量是飛行員在飛行過程中非常關注的物理量。其次，設疑：“飛機油箱的剩余油量是用什么來測量的呢？”進而激發學生的探索欲望，引導其主動思考。這樣就由飛機可用燃油油量監測問題導入課堂，引出電容式傳感器。

（二）點撥探究思維，發揮“引”的作用

問題探究式教學的本質是讓學生主動參與到學習活動中，充分發揮主觀能動性，積極思考問題，主動探究問題答案，從而充分調動學生學習的積極性和強烈的求知欲。電容式傳感器為什么可以用于燃油液位測量？

在講電容式傳感器的課堂上，通過飛機利用電容式傳感器測量燃油液位的案例引入電容式傳感器。在講電容式傳感器之前，先讓學生回顧電容器和電容量的相關知識，以電容器相關知識為基礎，構建電容式傳感器相關知識的體系。電容器作為控制元件和儲能元件使用。作為控制元件，它在隔直流通交流、濾波、旁路、微積分等方面發揮重要作用；作為儲能元件，航母電磁彈射器的能量儲存模塊就是一個巨型電容器。這些都是學生已有的知識，那么電容器能否作傳感器用呢？在這里點一下，發揮教師“引”的作用。接著來看傳感器的定義，根據國家標準《傳感器通用術語》（GB/T 7665—2005 ），傳感器的定義為：能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成［7］。由于電量具有便于轉換、處理、傳輸、顯示和應用等特點，通常需要把傳感器的輸出轉換成一個電量輸出［8］。那么電容式傳感器又是如何定義的呢？電容式傳感器，顧名思義，它能將被測物理量的變化轉換為電容值的變化。有些知識是不需要死記硬背的，因為某些新的知識，可以通過對已有知識進行歸納、總結和聯想得到。所以說對于基礎理論的記憶是必要的，若在學習中若能做到舉一反三，則可以達到事半功倍的效果。

由傳感器的定義可推出，電容式傳感器就是以電容器為敏感元件，將被測量轉換為電容量變化的傳感器，即：Δx→ΔC，Δx可以是位移、壓力、加速度等物理量。從而提出電容器可以用作傳感器的結論。問題探究式教學法迎合了現代教學的需求，培養了學生解決問題的能力、創新能力以及獲得知識的能力。

電容式傳感器可以根據工作原理分為三種，分別為變極距型、變面積型和變介質型。那么測量飛機油箱的剩余油量用哪一種類型的電容式傳感器？引導學生思考這三類傳感器的特點和應用范圍，為如何選擇傳感器的類型做好鋪墊。

1.變極距型

極板面積和介電常數為常數，而平板電容器的極板間距為變量的傳感器稱為變極距型電容式傳感器。這種傳感器的電容量與極板距離不是線性關系，而是雙曲線關系，可以用來測量微小位移［7］。

2.變面積型

變面積型傳感器的電容量與位移呈線性關系，適用于測量線位移和角位移。

3.變介質型

因為各種介質的介電常數不同，當極板面積和極板間距為常數，而平板電容器的介電常數為變量的傳感器稱為變介電常數式電容式傳感器［7］。

通過學習分析可知，變介質型電容式傳感器可以用來測量飛機油箱的剩余油量。變介質型電容式傳感器是怎樣測量飛機油箱的剩余油量的？

（三）設計問題鏈條，發揮“導”的作用

在傳統教學活動中，教師往往把自己作為教學的中心，學生是被動接受知識的對象，而問題探究式教學法確立了學生的主體地位，強調了教師的主導作用。在實際教學中，教師通過“導”充分發揮學生的聰明才智，激發學生的學習潛能，使學生在獨立自主的學習思考中，不斷獲取教師所傳授的知識并創造出新的知識。

實時準確的飛機燃油測量對于提高飛機的有效載荷、作戰半徑和保障飛行安全具有非常重要的作用，那么飛機是如何進行燃油油量測量的呢？

面對長篇的理論和概念，怎么才能讓學生的注意力繼續集中、興趣保持濃厚呢？設置情景，緊貼裝備，讓學生思考，以變介質型電容式傳感器為例來講。各種介質的介電常數不同，如空氣和燃油。對于變介質型電容器傳感器而言，當油箱的油量逐漸增加時，介電常數隨之改變，電容也相應變化。假定飛機停在地面上，飛機油箱里沒有油，現在給油箱加油，那么，隨著油箱油量的增加，油面不斷升高，電容器的電容量將會發生怎樣的變化呢？由已有知識可知原始電容的值，通過分析可知：當被測液體的液面高度x升高時，電容增大；當被測液體的液面高度x降低時，電容減小。所以，電容的變化量為

ΔC=C-C0=Kx

由此可見傳感器電容量C與液面高度x成線性。如果材料的介電常數已知，則可制成測厚儀；如果材料的厚度已知，則可制成介電常數的測量儀［7］。應用此原理即可測量飛機油箱的油量。這樣，我們就可以把電容的變化量通過測量電路輸出，來反映被測液體的液面高度x，從而實現對飛機油箱剩余油量的檢測。

電容式傳感器課堂上的問題鏈是：飛機燃油液位測量通常用電容式傳感器，電容式傳感器為什么可以用于燃油液位測量；電容式傳感器有哪些類型；各種類型的電容式傳感器在工作時有何特性等一系列問題。學生通過回答這些問題，來學習電容傳感器的定義、工作原理、類型和工作特性。最后，通過應用實例，加深學生對理論知識的理解，同時回應課堂最初提出的可用燃油油量監測問題。

課堂上較好地體現了學生的主體地位，既充分發揮了學生在教學過程中的能動作用，又強調了教師的主導作用，較好地體現了教與學的統一；既讓學生學到了電容式傳感器的相關知識，又培養了學生對傳感器工作性能分析能力、應用的理解能力以及多類傳感器選擇的能力。

結語

因課制宜選擇課堂教學方法，因材施教設計課堂教學環節，因人而異引導學生自主學習，是高等教育課堂教學的主要改革方向。從傳統式教學到問題探究式教學，由以“教”和“練”為中心向以“問”和“答”為中心轉變，由“教師主講”向“教師主導”轉變，由“學生被動學習”向“學生主動思考”轉變，由“講授知識”向“傳授方法”轉變。教師按照一定的課堂問題探究式教學范式，通過分析學情、課情，做好課前教學準備，對學生進行全覆蓋、高頻率、分層次、個性化的提問，由簡到繁，層層遞進，不僅可以集中學生的聽課注意力，激發學生的學習積極性，顯著提高學生的課堂參與度，更有利于拉近師生之間的距離，培養師生之間的感情，顯著增強師生課堂互動性，使教師寓教于樂、教學相長［9］。

“航空檢測技術”是電氣工程及其自動化專業的一門學科基礎課。本課程具有強實踐性，其任務是使電氣工程及其自動化專業的學生在傳感器技術方面具有較廣的知識，培養學生分析和解決實際工程問題的能力。電容式傳感器課堂采用問題探究式教學法，注重培養學生創新意識與創新能力，使學生學習過程成為在教師引導下的知識創新過程，有利于學生達到打牢專業基礎、掌握專業技能、培養較高科學素養和創新精神的目的，為培養滿足新時期軍事戰略需求的復合型專業技術人才奠定了堅實基礎。

參考文獻：

［1］薛佳楣，蘇曉光，馬丹丹，等.基于計算思維的問題探究式教學模式研究［J］.電腦知識與技術，2020，16（18）：9596.

［2］彭靖波，王志多，曾昊，等.以案例探究式教學法為中心的航空發動機控制課程教學改革［J］.高教學刊，2023，9（27）：134137，143.

［3］黎萍，潘奇明.問題探究式教學法在“自動控制原理”中的應用［J］.電氣電子教學學報，2023，45（4）：199201.

［4］劉瑞清.“探究式”教學法的探索與實踐：以“旅游文化概論”課程為例［J］.教育教學論壇，2021（22）：105108.

［5］黃靈.學生提問式教學對促進EFL學生的深度閱讀理解的有效性研究［D］.南京：東南大學，2021.

［6］王美慶.淺析正確把握提問式教學對提高數學課堂效率的作用［J］.數學教學通訊，2016（14）：3536.

［7］余成波，陶紅艷.傳感器與現代檢測技術［M］.2版.北京：清華大學出版社，2014.

［8］宋德杰.傳感器及工程應用［M］.北京：電子工業出版社，2016.

［9］陳本鋒.提問式教學法在高職“高等數學”課堂中的實效研究［J］.教育科學論壇，2024（21）：5359.

基金項目：2023年空軍工程大學校級重點建設課程立項項目“航空檢測技術”（編號：202317）

作者簡介：臧潔（1980— ），女，漢族，安徽阜陽人，碩士研究生，講師，主要研究方向為航空檢測技術、航空儀表。