“传感器”精品课程的实践教学方法研究

摘要：

“传感器”精品课程建设是传感器课程教学质量与教学改革的重要平台，探索“传感器”实践教学的自身特点和规律，以现代科学技术的发展和市场经济建设的需求为视角，教学过程中注重通专结合的工程师素质训练，加强学生综合实践能力培养，通过体现课程实验和有感活动特征对传感器教学内容和实验方式进行有意义的尝试和改进，并在规范教学的基础上寻求新的突破，提出了与实际工程对象相结合的教学方法并获得效果。

关键词：精品课程；教学方法；传感器；实践能力

中图分类号： G642.0文献标志码： A 文章编号：1672-0539（2013）04-0105-04

传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，在当代科学技术中占有十分重要的地位。传感器实践课程是一门应用性极强的专业基础课，它包括信息的获取、变换、处理、显示等检测手段和测试技术。学生在学习传感器技术时已具备基本的专业知识，但如果我们采用一般专业基础课的教学方法和实验方法，其形式过于简单，难以刺激学生的学习兴趣和创造欲望，教学效果不明显。为此在规范教学的基础上，可应用“工程对象教学方法”加强实践教学。本文就此作一分析。

一、实践教学中存在的问题

《传感检测技术》是现代测控技术、机电一体化与自动化专业的技术基础课程，又是其它现代工程专业如物流、交通、通讯和生物医药工程等共同的技术基础课程。这门课程的学习将对学生专业技能的掌握、工作就业都起到非常重要的作用。

与“传感检测技术”课程配套的传感器实验是刚刚发展建立起来的工程实验课程。目前许多大专院校的物理、电子仪器、测控技术、自动化等专业的“传感器”课程主要以“传感器系统实验仪”作为实验平台，完成十多种传感器的基本实验，该实验系统主要完成验证性实验，内容单调有一定的局限性，实验的结果也比较粗糙。动态实验内容在规定的学时内学生基本不能独立完成，通常由教师进行演示。这种实验模式格式化，模型基本固定，学生完全按教师和实验讲义要求的内容、步骤进行实验，难以提供具有个性思维的训练。

另外，在数字电路、模拟电路的教学实验中都是以模拟实验箱和数字仿真实验为主，目前教学中主要采取的这些实验方式缺乏与实际工程对象相结合的系统实验理念，这种教学方式的后果导致学生在学习完相关的课程并做完相关的实验后，仍旧对检测技术、控制原理与控制工程的本质内容缺乏理解，甚至连许多基本的概念都不能很好的消化和吸收，更不用说应用手段和方法去创新性的解决工程实践问题。

随着信息与自动化技术的发展，许多创新的工程专业都有了共同的专业基础和综合课程，如电子电路、检测技术与传感器、嵌入式微控制器等。由于集成技术的发展，单元电路种类愈来愈多，集成规模和功能复杂程度日趋增高，由依附于实验对象的理论转向多学科理论的综合交叉，那么检测实验技术和方法需要不断更新和发展。有人认为：从实践的角度讲，操作性技术是在按一定的方式进行实验活动，解决要做什么的问题，而理论上看实验者仅仅对实验效果感兴趣，对实验条件如何可以不必了解。因此，在实验技术中学生往往忽视操作性技术理论，包括实验环境、仪器仪表的特性、精度、可靠性、实验材料、实验电路等等，导致学生不能对实验内容科学、全面地理解，影响实验技术方法的提高。

二、实践教学方法改革尝试

就测量与控制技术而言，各种物理量大多数是通过传感器转换为电信号而进行检测的，它不同于普通物理实验，不仅要理解其物理效应，更要注重使用方式，因此传感器实验技术会涉及大量的电子技术。在工程实践过程中，如果不了解具体检测信号的转换电路原理，就不能获得正确的结果，这就要求实验者有较强的综合素质和专业技能。为提高学生的理论联系实际、科学主导工程的创新思想，实践课程需要充分结合生产和工程实践，重视学生基本技能的培养，在“传感器原理及应用”精品课程建设中，针对实践教学存在的问题进行教学改革，在“传感器”实践教学研究中尝试引入创新性“工程对象教学方法”，开放实验室，建立测控工程创新实验环节。

（一）创新实验模型

“工程对象教学法”模式，是以一个个典型的工程对象为平台进行教学，开展的工程教学方法。它打破传统的教学思路与模式，主要对实验教学平台、教材、教学模式进行变革，重点是在实践教学方法上进行改革。实践课程将解决实际问题作为课程主线，改进理论课与实验课程严格分立的方式，按“任务驱动”内容分解知识点，打破“讲课+实验”的传统模式，努力使理论课与实验课课时没有严格的界定，可以在做中学，也可以在学中做。“传感器”实践教学中，重点加入与实际工程控制对象相结合的设计和创新实验模型。

要实现“工程对象教学”模式，工程测试技术实验室必须具备工程化的测试对象，能够让学生利用工程实验对象设计实验，内容包括传感器的选取、安装，反馈信号的获取，计算机测试系统的搭建，控制信号和控制效果的分析和处理等等。这些测试被控对象必须是生产和实际应用中经常碰到的设备小型化、简单化和抽象化的试验模型，使之能够方便的在实验室环境中实现并展示给学生，同时具有一定的趣味性，能够将课本上抽象的概念通过物理运动或现象直观的表现出来。

倡导工程对象的课程内容尽可能面向全体学生，克服以往的实践教学中有的内容仅面向部分尖子学生。部分基于工程对象的课程教学在时机未成熟（或低年级）时可先开设实践教学的选修课，基于丰富的工程对象的实践教学的优势，可大大提高学生的学习兴趣，通过初级的工程对象可使学生了解各单元技术在系统中的作用、地位及与其他单元技术协同工作的机理，从而帮助学生尽快深入理解掌握中、高级的系统技术。而综合通用型工程对象可使学生借助基础对象将知识融会贯通。

（二）构建实验系统平台

基于工程对象的实践教学与传统的实践教学没有本质的冲突，可以以对象为主线将各项传统的以技能培训为主的实践课程融入其中，赋于系统的概念，是对传统实践课程的补充、完善与提高。将单一的实验改为综合实验，内容充实了，教师只给出要领，具体细节要学生自己思考、讨论、配合。将实验室典型工程对象分三大类：

第一，专用型。主要分别服务于某类课程的实验教学及实训，如用于传感与检测技术的工程对象有：转子实验台、位移实验台、环形输送线；用于自动控制原理的工程对象有：工业机械手、水箱自动控制；用于信号与系统的工程对象是：系统仿真设计、频谱分析；用于可编程逻辑控制器工程对象有：交通信号灯控制、水塔水位自动控制等。 第二，综合型。主要服务于所有或部分专业的专业课或综合素质训练。典型电路模块（基础类）；仿真对象（专业类）；教育机器人（通用型）；智能机器人（专业类）；可用于专业课教学与实训、科研。第三，综合大系统，模拟建立生产线管理等局部功能，用于素质综合训练。如用于测控技术与仪器、机电一体化、自动化等相关专业学生的综合专业训练或课程设计。

建设检测技术实验的运行控制平台，要求实验系统既能方便地搭建控制系统，对工程对象进行实际的检测与控制，又能采集和记录控制效果，并对控制效果进行分析和处理。为了支持多种传感器的信号检测，可采用单独的部件去实现每一项功能，然后再通过总线，把完成各项功能的部件组装起来，快速形成一个控制器系统。目前，国际上广泛采用的控制系统设计和平台是MATLAB仿真环境，该软件能够方便地对各种测量控制系统和算法进行建模和仿真，评估控制系统的控制效果。平台内置数字PID、一阶系统环节、二阶系统环节和软仪表盘、软信号发生器、软波形显示，并能与各种接口进行组合与连接。目前已完成的典型工程测试对象有十多种，如：电机运动模块、无损检测模块、秤重模块、工件计数等。

（三）开放实验室，开展课外实践

开放实验室是加强学生课外实践环节的重要保障。开放实验室激励了学生参加科研实验和设计创作，引导学生在学习期间积极参与教师的科研工作、参加工程实践、并独立承担其中一部分项目，让学生承担部分实验室主技术工作等，也作为学分制学籍管理奖励学分的依据。对毕业设计、生产实习、科技立项、电子大赛的学生必须开放实验室，提供实验设备，这样需建立实验室教师值班制度，或以学生管理方式为主，为学生创造实验条件。

教师应注意与学生交流，鼓励尽可能多的学生参加各项课外科技立项、电子竞赛等活动。目前，测控专业在大二、大三阶段就要求全部同学以小组为单位参加电子竞赛的预赛训练，选拔后可参赛。为了让学生在本科阶段就能接触到本学科的一些先进的仪器设备，了解前沿性的科研开发课题知识内容，使学生对自己所学专业方向的有一定认知度，鼓励学生参与教师科研项目。这些工程实践，可以从研究项目的立题、设计、制作、调试，以及工艺、工具、测试、维护等实践环节有系统的训练。

三、教学效果及改进建议

在“传感器”课程教学中我们不仅加强教师自身的业务素质培养，要求授课教师掌握相关学科的现代技术和综合测试技术，加强充实操作性技术的理论研究，引导学生通过实验研究应逐步转向对系统的研究。在实验技术方法上将电子技术、电子测量、检测技术和计算机技术作为技术载体具体地将各种方法运用到“传感器”教学的全部过程，即每个程序、步骤之中。将传感器实验数据和结果直接送计算机显示，并根据测试曲线分析试验结果，建立数学模型。

工程对象教学方法与学生课外科技活动相结合，使学生自觉学习成为风气，可将学生的兴趣和注意力转移到工程实验上，这一教学方式对目前大学生沉迷电脑游戏有消弱作用，并对学生的管理工作也有一定借鉴。

对毕业设计、生产实习、科技立项、电子大赛的学生必须开放实验室，提供实验设备，这样需建立实验室教师值班制度，或以学生管理方式为主，为学生创造实验条件。

教师应注意与学生交流，鼓励尽可能多的学生参加各项课外科技立项、电子竞赛等活动。目前，测控专业在大二、大三阶段就要求全部同学以小组为单位参加电子竞赛的预赛训练，选拔后可参赛。为了让学生在本科阶段就能接触到本学科的一些先进的仪器设备，了解前沿性的科研开发课题知识内容，使学生对自己所学专业方向的有一定认知度，鼓励学生参与教师科研项目。这些工程实践，可以从研究项目的立题、设计、制作、调试，以及工艺、工具、测试、维护等实践环节有系统的训练。

在近年的大学生科技竞赛活动中，教研组教师一直不遗余力的全力支持学生的课外科技活动，取得了长足的进步，2009-2012年相关专业的学生获奖部省级、国家级奖30多项，这也是教学改革和专业建设的一个特色。毕业生优秀论文数量逐年增加，大学生工程训练综合能力得到明显提高。本专业培养的毕业生理论基础扎实，专业知识面宽广，适应性强，除继续深造者外，大部分被电子信息、通讯、航空航天、仪器仪表等行业的研究院所、三资企业、公司和大型国有企业录用，毕业生深受广大用人单位欢迎，许多人已经成为单位的技术、管理骨干。

通过实践教学研究认识到，大学生的认知实践应该分系列、分层次，并贯穿大学学习整个周期。从更广义的角度看，认知实践的内容具有巨大的拓展空间；工程技术认知、基础认知实践包括工艺知识、常用工具、基本的调试方法等。所有认知实践均可在实验中心开设选修课，创新实践活动也应该是系列化、分层次。实践能力与创新能力的形成并不能仅靠工程训练或实践训练形成，还与课程教学、课外科技活动紧密关联。目前，传感器实践教学还需要做以下完善与改进：

第一，实验教学管理不科学，本课程还没有实现全方位的网上教学管理，如网上答疑、网上提交作业报告、预约实验等，实验室动态管理还得不到基本保障；第二，实验室技术人员不足，应对教学和实验在岗人员进行公开筛选，择优聘任。建议理论课教师兼职，外聘优秀技术人员担当实验指导教师，聘用优秀研究生或本科生帮助助课、指导实验、管理实验室，提倡教授充实实验教学，进一步提高实践教学水平；第三，实验内容更新慢，除保留传统实验技术外，应该尽可能的引入新型传感器和新的实验装置，开设新的课程内容。虽然自行研制实验平台，建设实验设备，但是远远不能满足“传感器”课程要求。另外，实验经费不足，实验室实验设备陈旧，不能保证实验教学效果。

四、结语

实验教学是学生学习知识、提高能力的平台、实验室是培养学生创新思维的基地。“测控”专业的大学生进校后，让学生在不同的学习阶段学习新的基础知识和专业知识的同时，应逐渐安排由简到难的实践内容，这个过程别要求掌握经典的实践环节和现代检测技术的基本概念，以及分析方法和设计方法。进入大四的毕业生、研究生学习阶段，还可以进行控制工程、智能系统的学习，解决各种非线性复杂系统对象，进行建模、以及控制理论的研究。

为了促进高等教育教学改革，提高教学质量，“传感器”精品课程的建设以“质量工程”为契机，以创新作为突破点，突出实践课程亮点和优势，有的放矢的改进教学方式，努力发挥示范作用，使“精品课程”建设获得实实在在的成效。

参考文献：

[1]李鸿江，尹军.从国家级精品课程到国家级优秀教学团队的建设经验与启示[J].首都体育学院学报，2009，21（4）：385-387.

[2]柴欣，于明，武优西.在精品课建设中提升教师的教学科研素质与水平[J].计算机教育，2009，（12）：142-143.

[3]吴建平，成毅.“工程对象教学法”模式应用研究[J].成都理工大学学报（社会科学版），2009，（4）：85-88.

[4]刘军良，刘冬明.高职院校创新实践平台的建设浅谈[J].实验科学与技术，2008，（5）：132-133.

[5]蒋葛夫，张文桂.以科学理念为先导，培养创新型人才[J].实验技术与管理，2008，（6）：25-29.

[6]吴建平，周四春，等.全学分制下的传感器实验教学研究[J].成都理工大学学报（社会科学版），2007，（3）：73-76.

[7]周带娣.文献检索课国家级精品教材的建设构想[J].湖南农业大学学报（社会科学版），2007，8（5）：81-83.

[8]秦允豪.以教材、教学内容建设为核心创建国家级精品课程“热学”[J].物理教育，2006，35（7）：613-615.