传感器原理课程实践教学改革与探索

林宏+周传璘+雷丽+马洪华

摘要：目前，传感器原理课程实践教学中验证性实验的比例过高，对于学生动手能力的锻炼严重不足，不能满足当今时代的发展要求。通过提高综合设计性实验比重；压缩理论课时，增加实践课时；以及开设课程设计等对传统实验教学内容进行完善和补充，同时还需要采用开放式教学、项目式教学、借助辅助实验教学平台等新方式转变传统传感器原理课程的实验教学方法，大力提高学生的实际动手能力，满足当今高校学生实践学习的迫切需求。

关键词：教学改革 实践教学 传感器原理 学习需求

目前，传统的《传感器原理》实验课程中验证性实验的比例过高，几乎达到80%甚至更高，对于锻炼学生思维能力、创新能力和动手能力存在严重的不足，不能够满足当今高校学生实践学习的迫切需求。同时，由于很多地方性高校逐渐向工科型、应用型转变，以及当今社会对工程技术型人才的迫切需求，使得实验课程教学形式和教学内容也要相应发生很大的转变，需要大大提高实践课时比重，转变传统的实验教学方法，重视学生动手能力和创新能力的培养，因此迫切需要对传统的《传感器原理》课程实践教学进行改革和探索。

一、实践教学中出现的问题

1.验证性实验的比例过高

高校中部分专业将《传感器原理》课程列为必修课程，相应的实践教学一般开设10个左右的实验项目，而部分专业将《传感器原理》课程列为选修课程，相应只开设5个左右的实验项目。作为选修课时，《传感器原理》课程的实验项目通常为：“电阻应变式传感器实验”“差动变压器式传感器实验”“电感式传感器实验”“电容式传感器实验”“光电传感器测转速实验”。这5个实验中，除了“光电传感器测转速实验”为设计性实验外，其余4个都是验证性实验，验证性实验的比例占到80%。作为必修课时，《传感器原理》课程的实验项目除了上述5个通用实验都要做外，一般还增开：“电涡流传感器实验”“霍尔式传感器实验”“光纤位移传感器实验”“磁电式传感器实验”“压电式传感器实验”。

这5个实验中，除了“霍尔式传感器实验”为综合性实验、“光纤位移传感器实验”为设计性实验外，其余皆为验证性实验，总的验证性实验的比例也达到了70%。而《传感器原理》课程具有较强的实践性，特别注重传感器应用等方面的训练，简单的验证性实验教学方式不能很好地培养学生的实践能力，无法做到使学生真正理解与掌握全部知识点。这些都直接影响到学生的综合能力和创新能力的培养和提高，远远不能满足高校学生毕业后实际工作的需要。

2.社会的需要会引起实践教学的转变

《传感器原理》课程教学一般分为两大部分同时进行，一部分是理论教学；另一部分是实践教学。在传统的教学模式中，主要以课程讲解为主，理论教学所占学时远多于实践教学学时。但是，随着现代技术的飞速发展，这种过于侧重理论教学的模式越来越不利于培养学生的创新意识及创新能力，难以提高学生主动参与的兴趣，不利于学生基础知识及基本技能的掌握。另外，随着社会的发展，越来越需要大量的工程技术人才，同时大批地方性高校逐渐向工科型、应用型转变，需要培养更多的工程型、应用型人才，因此迫切需要当今高校转变培养人才的思路，修订人才培养方案，提高实践课程的比重，增强学生实际动手能力的培养，使得培养的人才能够满足当今社会的需求。因此，在当前的时代背景下，传统《传感器原理》课程实践教学必然不能满足现在的教学要求，需要进行大规模的转变与改革，课程教学应该实现理论教学和实践教学并重，同时提高实验课程中综合性实验和设计性实验的比重，要求达到50%以上。

二、实践教学内容的改革

1.增加实践教学内容，提高实践课时量

目前，很多高校的《传感器原理》课程如为选修课时，其实验部分设置为：15学时，一般每个实验项目大约3个学时左右，只能开设5个实验项目；如为必修课时，其实验部分设置为：30学时，可以开设10个实验项目。上述实验学时和能开设的实验个数相对偏少，可以考虑分别增加6个学时，这样《传感器原理》课程如为选修课学时就能达到21学时，能开设7个实验项目；如为必修课学时就能达到36学时，就能开设12个实验项目。在通常开设的传感器原理实验项目的基础之上可以考虑增开两个实验：“PN结温度传感器测温实验”，以及“光敏电阻测光强实验”。这两个实验都属于综合设计性实验，而且也和实际生活中的应用结合的比较紧密。增加实践教学的内容，提高实践教学的课时量，能够大大满足学生的日常学习需求，有利于提升学生的实际动手能力，为学生掌握一技之长提供有力的帮助。

2.将验证性实验转变成综合设计性实验

通过添加内容、变更实验目的、调整实验步骤、更改实验类型，或者重新设计实验方案等方式可以将传统的验证性实验转变成综合性或者设计性实验。例如，针对传统的验证性实验“电阻应变式传感器实验”，通过合适的操作可以将其转变成综合设计性实验。该实验主要通过在传感器实验箱上连线，分别测量和验证单臂式、半桥式、全桥式电阻应变传感器的性能，比较它们各自的输出特性，验证《传感器原理》课程理论教学第三章“应变式传感器”中的内容，属于标准的传统意义上的验证实验。要想将该实验转变为综合设计性实验，必须和该传感器的应用结合起来，让学生自己动手设计实验方案、实验步骤。老师只需要事先制定好实验目的、测量范围和测量精度等具体指标，剩下的全部由学生自由发挥。针对上述实验，可以由应变式传感器可以测量重量的应用，设计的新实验名称可以为“利用电阻应变式传感器自制电子天平实验”。实验目的：利用电阻应变式传感器设计一种简易便携式电子天平，并能够测量身边一些小物体的质量，如手机、水杯、书本等。测量范围：100克～1000克；测量精度要求达到1克。实验材料：金属箔式应变片8个；电阻、电容、电感、导线若干；砝码若干；托盘2个。这样学生在做这个实验的时候，就需要先设计实验方案，论证3种常用电阻应变式传感器测量电路中哪一种能够满足实验要求，加强对单臂式、半桥式、全桥式电阻应变传感器使用方法的认识，熟练应用书本上的理论知识。通过自己设计方案，自己设计电路，自己連接电路，自己测量结果等步骤，能够大大提高学生在实践训练的效果。

另外，可以将“差动变压器式传感器实验”转变为综合设计性实验，将该传感器和它的应用联系在一起，设计的新实验名称可以为“利用差动变压器式传感器设计一种加速度测量装置”。这样5个选修课实验项目中，就有3个实验属于综合设计性实验，综合设计性实验比例达到60%。同时，也可以将“电涡流传感器实验”转变为“利用电涡流传感器设计一种测厚装置”、将“磁电式传感器实验”转变为“利用磁电式传感器设计一种测转速装置”、将“压电式传感器实验”转变为“利用压电式传感器设计一种测力装置”。这样10个比修课实验项目中，就有8个实验属于综合设计性实验，综合设计性实验比例达到80%。

3.开设传感器原理课程设计

传统的《传感器原理》课程实验环节时间相对分散，实验内容相对浅显，对于锻炼学生的实际动手能力，提高学生的创新性思维和创造力有所不足，可以考虑开设《传感器原理》课程设计。课程设计属于集中实践环节，主要利用1～2周的集中时间，来让学生完成实践训练任务，实践训练效果相对明显。针对《传感器原理》课程设计，可以考虑设计1～2个实践训练项目，提高学生的综合实践能力。例如一个常用的训练项目名称为：“设计一种汽车自动测速及报警装置”。该训练项目综合考察学生对各种传感器的熟练掌握程度，用于测量速度、转速的常用传感器有：电涡流式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器、磁电式传感器等。另一个常用训练项目名称为：“设计一种木板或纸张厚度测量装置”。该训练项目综合考察学生对各种测厚传感器的熟练掌握程度，常用的测厚传感器有：电容式传感器、电涡流式传感器、霍尔式传感器等。在课程设计过程中，老师为学生提供各种可选的传感器、常用电子元器件、电烙铁，以及相应的测量设备，如示波器、信号源等，学生利用1～2周的集中学习时间，完成相应的训练项目，最后老师对学生的作品进行统一测试和打分。

三、实践教学手段的丰富

1.进行开放式教学

目前，传统的《传感器原理》课程实验教学中，每一个实验项目3个学时，每个学时45分钟的课堂时间，一次实验大约135分钟时间，一般任课教师上完一次实验课后就要关闭实验室，学生如果没有做完也没有时间另外补做。如果采用实验室开放式教学就可以避免这些问题，而且可以使得教师和学生都能合理安排自己的时间，提高工作和学习效率，非常符合当今时代的教学模式。实验室随时向学生开放，学生采取提前在网上预约做实验的时间，到时候凭刷卡进入，实验室一般不安排教师值班，只用摄像头监控即可，老师只在集中指导时间、答疑时间或者考核时间才到实验室。学生可以根据自己的学习进度和时间安排，合理选择时间去实验室做实验，而且实验顺序也可以自由调换，不再拘泥于老师的固定安排，同时也为学有余力的学生提供了便利，他们可以选择做更多的实验，或者做自己喜欢的训练项目。

2.进行项目式教学

将《传感器原理》课程的实验内容和老师的科研项目或者教学项目结合起来，也可以由老师设计部分实验项目，这样就使得实验内容更加接近生产、更加接近应用，对学生的锻炼也更加具体化、实际化，同时还能够带来生产效益。例如，老师可以将自己主持研究的横向项目“为博物馆设计一种玻璃破碎报警器装置”，合理分割细化成学生的实践训练项目，通常玻璃破碎报警器可以用应变式传感器或者压电式传感器来设计。利用现有的科研项目或教研项目，让学生在老师的指导下完成某个小项目，这样就能够使得学生的日常实践训练中更有针对性、更有目标性，能够起到更大的实际锻炼作用，为学生以后找工作、考研等提供更大的帮助和指导。

3.与其它实验教学平台相结合

《传感器原理》课程的实验开设内容或者实践训练项目需要与其它课程相结合，并借助其它辅助实验教学平台，可以大大扩展实验的内容，更加接近企业的生产实训，有利于提高学生的综合素质，对于就业、考研产生很大的帮助。常用的实验教学辅助平台有：FPGA开发板、单片机开发板、虚拟仪器仿真系统等。例如，利用FPGA开发板结合超声波传感器、红外传感器、光电传感器等，可以设计开发出应用于汽车智能驾驶的“自动循迹避障防撞保护系统”。利用单片机开发板结合压力传感器、温度传感器、液位传感器等，可以设计开发出应用于家用太阳能热水器的“水温保温及进出水控制系统”。利用虚拟仪器仿真系统可以简化现实仪器的台数，或者开设由于成本较高而未采购的实验仪器相关实验课程，有效节约教学资源。利用传感器作为信号采集单元，虚拟仪器仿真系统作为数据处理和信号接收的终端，通过电脑上的虚拟仪器仿真系统就可以有效观察到传感器采集信号的波形、周期、频率等数据。虚拟仪器仿真系统能够有效代替示波器、频谱仪、光谱仪、波长计、功率计、能量计、矢量分析仪等实验检测设备。利用虚拟仪器仿真系统中的光谱仪、波长计、功率计等模块，结合光电传感器，可以设计出“激光器输出波长及功率实时检测系统”。通过将各种实验教学辅助平台与《传感器原理》课程的实践教学相结合起来，可以实现很多复杂、传统实验无法开设的、成本昂贵的实践训练项目，能够使得学生的实践训练更加接近工程化、应用化、生产化。

四、总结

对实践教学内容进行合理设计，提高综合设计性实验的比重，增加实践课时量，以及开设课程设计等方式可以对现有《传感器原理》课程的实践教学内容进行改革和完善。同时，在实践教学中采用开放式教学、项目式教学，以及借助实验教学辅助平台等方式，能够有效转变传统实验课程教学中的不足之处。通过上述改革，在一定程度上可以对锻炼高校学生的思维创新能力和实际动手能力提供有效帮助，满足学生对于提高自身综合素质的迫切需求。

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