以应用为“锚”的传感器课程教学方法研究

张婧婧， 李勇伟

（1．新疆农业大学 计算机与信息工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2．新疆农业大学 机械交通学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

以应用为“锚”的传感器课程教学方法研究

张婧婧1， 李勇伟2

（1．新疆农业大学 计算机与信息工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2．新疆农业大学 机械交通学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

以应用型人才培养为目标，开展传感器技术课程教学方法的初探。以测速系统为原型，阐述六步教学法的具体内容和实施片段，旨在总结传感器系统设计的一般规律，进而凝练传感器课程教学的一般方法，指出该方法对传感器技术课程的教学设计者具有参考价值。

传感器；六步教学法；测速系统；应用

0 引 言

目前，各高校开设的工科类课程中，传感器技术属于典型的多学科交叉课程。各种传感器的学习涉及电学、光学、磁学、力学、热学、声学、生物学等多学科知识[1]，难度较大，知识点相对松散，令很多学习者望而却步。为了改善课程的教学现状，激发广大学习者的潜能，笔者及教学团队瞄准课程的教学定位，设计基于本课程的六步教学法，旨在摆脱课堂知识抽象枯燥和学生学习无趣乏力的教学困境，引导传感器技术课程进人“教学相长”的良性循环。

1 教学定位

传感器技术与实际应用结合非常紧密。传统教学过程中，本课程的知识目标主要包括电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器、磁电式传感器、压电式传感器的原理与应用等，知识点相对独立，不宜形成理论体系，课程教学质量难以提升。针对现状，教师可适时调整教学方向，抓住以培养应用型人才能力为目标的教学定位，实现在应用系统设计中培养学生解决问题的能力，并以此作为改善课堂教学的“突破点”。为此，根据本课程以往的授课经验及学生的知识水平，笔者初步实施六步教学法并进行传感器技术课程改革[2]的有益尝试。

2 六步教学法

在以应用系统为能力目标的学习背景下，六步教学法的主要任务是剖析传感器自身的特点及变化规律，并凝练其系统集成过程中的内在关联，为解决系统设计的各类问题找到一般思路，最终形成传感器课程教学的一般方法。我们以测速系统在课程中的讲授为例，详述六步教学法的相关内容及部署情况。

1） 第1步：设计情景项目。

六步教学法中第1步为提出问题，将课程教学带人情景项目中，引出与传感器相关的系统（速度测试仪）设计。与单纯地引出问题相区别，在课程教学中如何引导学生进人设计情景，积极分析和思考该系统的解决方案在此环节中至关重要，其中可供参考的技术性问题包括：速度测试系统如何与传感器关联？哪类传感器输出的信号便于被测速系统处理？

2） 第2步：引人敏感元件。

在传统课程教学过程中，选取某类传感器讲授理应视课程的教学进度而定;而对于六步教学法中敏感元件的引人，可选取适于项目设计的各类传感器进行分析和比对，这样不仅能够加深学习者对不同传感器特点的认识，还能为系统的宏观设计甄选传感器并为后续教学环节准备条件。适于测速系统的传感器见表1。

表1 适于测速系统的传感器

如表1所示，霍尔开关属于磁电式传感器的一种，常用于磁性物质的检测，利用磁场还能将非电量如力、位置、速度、角度等物理量转换为电量进行检测和控制[3]。光电开关则能够利用光电反射进行目标物体的检测[4]，擅长液位控制、产品计数等。由于这两类传感器在应用过程中采集电路简单，输出便于处理，因此在测速系统中应用最为普遍。

3） 第3步：分析工作原理。

在六步教学法中，涉及传感器原理的讲授无疑是教学内容的重中之重。在原理分析过程中，课堂教学需要帮助学习者厘清各类传感器的工作参数、敏感特性、变化规律、应用电路等，而此环节也是授课过程中难度最大且最为枯燥的部分。教学设计者应配备相应的图文动画、仿真测试、实物模型等教具辅助课堂授课，旨在平复该环节中学习者知难而退的抵触情绪。就霍尔开关的测速原理而言，教学的辅助资源可包括磁感应动画、霍尔开关仿真电路（如图1所示）、霍尔元件的实物展示等。

4） 第4步：划分电路模块。

在六步教学的设计中，情景项目的选取往往关注其趣味性和完整性。就一般的传感器应用设计而言，系统的构成至少包括敏感信号的采集、数据的转换和控制以及系统的显示电路，测速系统也不例外，如图2所示。

在系统整体方案出炉之前，构建系统功能模块是学习者的必经之路。就课程本身而言，为强化传感器的学习目标，授课时更应关注敏感信号的采集和转换、数字信号输出时与控制、显示电路的接口设计及工作原理。

图1 霍尔开关仿真电路

图2 测速系统的模块划分

5）第5步：运行仿真测试。

系统模块间建立关联之后，项目的教学设计也趋于完整，此时验证设计方案和编写并运行测试程序将成为六步教学法中不可忽视的内容。从教学效果上讲，仿真环节将验证前4步教学过程中涉及的所有理论分析和设计方案正确与否，成功的测试结果将极大地激发学习者的兴趣和热情。值得一提的是，学习者的编程能力并非传感器课程的考查重点，然而就传感器应用系统的智能化[5]发展趋势而言，软件的编程及移植能力必将迅速提上传感器技术课程能力培养的议事日程。图3所示的仿真测速电路中，霍尔元件产生的脉冲信号由脉冲源替代，测速系统的中的键盘、单片机、液晶屏和扬声器分别实现调速控制、速度计算、显示输出和阈值报警功能。

6） 第6步：梳理应用系统。

以项目式教学为[6]驱动的六步教学法中，应用系统的梳理环节意味着展开一个项目所涉及传感器知识点的整理，旨在引导学习者进行传感器应用过程中的规律总结和知识积累，最终实现课程体系的理论升华。

图3 测速系统的仿真测试

3 结 语

以测速系统为例，六步教学法为传感器课程的教学设计提供了一般思路，即以剖析传感器应用系统的设计规律为主线，以传感器应用过程中的参数变化、敏感特性、工作原理为基础，通过对比敏感元件、构思设计方案、连接系统模块和编写测试程序，为学习者展示一个全景的传感器应用与实践平台，在此基础上配备相应的教学资源，开展相关的课程实践，很大程度上提高了学习者的设计能力，增强了其应用系统开发的信心与勇气。目前，笔者与教学团队已经开展的教学项目见表2，鉴于以往传感器课程的教学经验和学习者的掌握程度，项目的选取更加突出趣味性和实用性，在此供传感器技术课程的教学设计者参考。

表2 传感器课程参考项目列表

[1] 吴建平. 传感器原理及应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009: 154-180.

[2] 李姿景, 张具琴, 陈嘉义.“传感器原理及应用”课程教学改革与实践[J]. 中国电力教育, 2010(21): 110-111.

[3] 丁芝琴. 基于霍尔传感器的电机测速装置设计[J]. 农机化研究, 2010(5): 81-83.

[4] 左兆陆, 郑宾,丁高林, 等. 基于红外线光电开关的测速系统设计与应用[J]. 自动化与仪表, 2011(8): 82-84.

[5] 谷有臣, 孔英, 陈若辉. 传感器技术的发展和趋势综述[J]. 物理实验, 2002, 22(12): 40-42.

[6] 吕振华, 殷香麒, 荣长军. 论项目教学法在“电工电子技术”课程教学中的应用[J].中国电力教育, 2010(32): 62-63.

（编辑：宋文婷）

1672-5913(2017)01-0152-03

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张婧婧，女，讲师，研究方向为复杂系统、嵌入式理论与应用, zjj@xjau．edu．cn。