物联网工程专业传感器技术课程的教学改革

王晓晔温显斌肖迎元王法玉

（1.天津理工大学，天津 300384；2.天津市智能计算及软件新技术重点实验室，天津 300384）

物联网工程专业传感器技术课程的教学改革

王晓晔1，2温显斌1，2肖迎元1，2王法玉1，2

（1.天津理工大学，天津 300384；2.天津市智能计算及软件新技术重点实验室，天津 300384）

针对物联网工程专业课程中传感器技术难讲、难懂的问题，提出相应的教学改革方案，分别从课堂教学内容、实践教学内容和考核方式入手进行改革。在课堂教学方面调整教学重点，采用探究式的教学方式；在实践教学方面实验形式从仿真到实作以及开放的实验环境，使学生循序渐进的逐渐掌握自主制作传感器的知识和技术；考核方式较以往更加多元化和人性化。通过对两届学生的教学改革的实践结果分析，学生的实践能力和学生对课程的满意度显著提高。

物联网工程；传感器技术；探究式教学；教学改革

一、引言

物联网技术是当前国内外研究与应用的热点问题，自2009年我国制定“感知中国”的战略性产业规划以来，物联网专业被列为重点研究领域，教育部也提出物联网工程专业以应用为引导，构建物联网工程专业实践教学体系[1]。我校物联网工程专业就是在这样的应用背景下应运而生。

所谓的物联网就是物物相连的互联网[2-5]，将互联网的终端延伸到了任何物品，因此对于物联网来说，感知物品信息的传感器是最基础和最核心的技术环节。传感器技术课程在物联网工程专业是一门最为基础的专业课。要求教师针对物联网专业的人才培养目标来设计制定相应的课程教学内容和实践教学内容。传感器涉及物理学、电子电路学、机械工程、化学、生物学和材料科学等，因此，传感器技术是一门综合性、实验性课程[6-8]。虽然传感器的相关课程在测控专业、机电一体化和电子信息等专业也有开设，但是天津理工大学的物联网工程专业挂靠在计算机与通信工程学院，教学内容较为侧重于信息采集，因此，如果传感器技术单纯讲述传感器的工作原理，则显得教学知识落后于物联网感知层的技术发展。所以在简述传感器原理的同时，加强传感器检测电路设计的讲解，更加注重传感器的设计，提高学生的实践和动手能力，同时通过Proteus软件绘制传感器应用电路的原理图，结合虚拟仪器Labview软件，可以实现对所设计的传感器进行输出信号的显示和各种性能评估。在不需要投入大量硬件的条件下，先行使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，为学生提供了更多的实践机会，同时极大地提高了传感器的设计效率。

二、课堂教学内容改革

传统的传感器原理的课程讲授，主要是基于敏感元件的检测原理进行讲解，主要涉及声光电等物理知识，信息的采集和处理环节讲解较少。实验设备也是大型的实验台，学生自由设计的灵活性小，对于物联网专业的学生，学习兴趣不大，因此在教学内容上需要进行改革。

1.教学内容的重新安排

传感器是构成物联网的基础单元，根据物联网工程专业的知识结构，传感器技术课程教学内容也需要同时调整和更新。

图1 传感器组成

传感器的组成如图1所示，主要包括敏感元件、转换元件和转换电路，其中的敏感元件是直接感受被测量（温度、湿度、光照强度、流量等被测量），并输出与被测量成确定关系的物理量（如相对面积或角度的变化、电子的扩散速度等）；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量（如电阻、电容、电感、电势和振动频率等）；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。

对于敏感元件，涉及到物理学、材料学、化学、生物学等各门学科，如果想讲解清楚并非易事，而且原理性过强，会学生造成难懂、难学的困扰。限于课程的学时问题，一般情况下相关知识只要学生了解其工作原理，重点介绍敏感元件的输出与输入的关系，动态特性和静态特性便可。转换元件主要涉及机械工程学、材料学和电学，此处主要介绍电路参量和输入之间的线性或非线性关系。相较于三个核心组成部分，物联网工程专业教学中传感器技术的教学重点主要集中于转换电路部分，因此需要学生有很好的模拟和数字电路基础，在教学这一部分内容前，可以简略回顾一下典型的模拟电路，如放大器的基本特性、加法器、减法器、查分放大电路、比较器、电桥、振荡器等。

2.教学内容的重新组织

目前传感器技术的教学内容安排分别是按传感器（敏感元件）类别讲解和按被测量的类型来进行讲解。传统的传感器种类已有几十种，并且新功能传感器还在不断推出，随着物联网技术的不断发展，新知识还要及时补充到课程里。

按照被测量的类别来划分教学内容更易于拓展学生的思维。提出一个被测物理量后，教师可以提供几种典型的传感器，简要分析它们的测量原理，然后引导学生根据不同类别的传感器来思考相应的测量方案，分析几种方案的优缺点，考察传感器的工作特性。这样的教学内容安排更灵活，使学生明白传感器提供的是检测手段和方法。

3.教学形式的重新规划

传感器技术课程涉及知识面广，要求学生动手能力强，对学生的学习形成一定的挑战。因此拟在教学形式上进行改革，采取探究性的教学方式，小班化教学，以小组为单位，以科研项目为目标，以学生为项目研究的主体，教师在小组内主要起辅助作用。

探究性学习是国内基础教育改革的一项重大举措，但在需要投入大量的人力、物力、财力，推广起来较为困难。但是物联网技术具有全面感知、可靠传递、智能处理等特征，可以模拟真实场景，为探究性学习提供有利的技术支持。可以以现阶段比较成熟的智能家居、智慧农业等物联网系统作为模拟场景，拆解系统中的各个感知模块，作为教学小组的研究目标，在课程结束时，以可以投入实验室应用的传感器作为考核重点。这种教学形式能够很好的提高学生的学习兴趣和动手实践能力。

三、实践教学改革

1.传感器实践教学现状

目前，传感器教学仪器的生产厂家很多，而且产品都比较成熟，但他们所设计、生产的传感器教学仪器多为传感器原理性验证的实验台，主要验证传感器的工作原理和物理效应，分析传感器的动静态特性。学生通过实验了解的是传感器的物理原理，比如电阻式压力传感器，当应变片所受压力变化，电阻值也会随之发生变化，通过测量电路，可测量输出电压，读出对应的压力值。所有的应变片和转换电路都封装在实验台里，做完实验学生只是记录实验数据，分析灵敏度绘制迟滞曲线等被动的工作，无法对传感器有一个完整的认识。

对于当前的实践教学，在实践课上，教师在讲台上讲解实验步骤和注意事项及实验要求，然后学生两至三人一组，按照教师和实验指导书上的步骤依序做实验，学生对于实验的目标是什么往往并不清楚。这样的实验，与实际工程传感器的具体应用相差甚远，学生无法掌握温度传感器的使用方法和制作过程，不了解在实际工程中怎样利用传感器进行测量与控制，不适用于目前追求的探究式的教学方式。

2.传感器实践教学改革

为了使学生更好的理解传感器的工作原理和设计过程，让学生更加深刻的认识传感器在物联网工程专业中的重要地位，在该课程的教学过程中，以构建智能家居为例，设计相关的温湿度、光照、二氧化碳、红外线、压力、流量、电流等传感器，将学生进行分组选择相关传感器的设计。

在学习之初，由于学生对转换电路的设计并不熟悉，为了降低电路设计错误造成的PCB板损坏的经济损失，我们开设了基于 protues的电路设计实验，由于protues可以实现数字/模拟电路的混合仿真，可以将线路上变化的电压和电流信号，以图形的方式实时地显示出来，支持通用外设模型，因此学生完全可以通过protues设计好相关转换电路，调试正确后，一键便可进入PCB的设计环境，实现从概念到产品的完整设计，大大减少了设计时间、降低了经济损耗。在教改过程中设计了基于labivew的虚拟实验室平台，通过labview即可方便灵活地完成对被测试量的动静态分析、判断、显示。当设计的仿真电路通过虚拟仪器分析正确后，实现真实的传感器。通过模拟工程实际应用背景，让学生自己动手搭建各种测量系统，在完成测量任务的同时，学生也掌握了传感器的设计方法和使用技术，对提高学生专业技能起了重要作用[9-12]。

在我校的物联网工程创新实验室中，通过实验室老师的共同努力，设计了开放的Zigbee数据采集实验模块，该模块留标准的传感器接口，学生按照接口标准设计的传感器可以直接插在Zigbee模块上实现数据采集，构建无线传感器网络，为后续的其他课程打下基础。

四、考核方式改革

由于调整了课堂教学方式和实践教学方式，因此在学生的课程考核方式上也进行了改革。由于采用了探究式的教学方式，更注重学生在学习过程中的知识获取，因此摈弃传统的一卷定成绩的考核方式，课程的最后成绩除了有期末考试以外，还包括平时的学习笔记的考查，作业完成情况的考查，实验课的成绩考查，小组最后设计完成的传感器作品成绩有老师和其他小组共同打分，小组内部成员协调和配合情况由老师和小组成员互相打分，具体组成如图2所示。虽然这样的期末考核给授课教师带来了较大的工作量，但是，所得成绩更能体现学生的真实学习水平，很受学生的欢迎。

图2 课程期末成绩组成

五、教学结果分析

1.学习效果分析

为了验证课程改革的效果，我院在物联网工程2012届和2013届两届学生的传感器技术课程上进行了改革，并对学生进行问卷调查，调查内容如表1所示。对学生的问卷调查结果统计如表2所示，由表可知，学生对课程改革中的探究性的分组学习、实验内容安排、考核方式都是比较满意的，但是学生需要自学的知识量偏多，这应该和需要学生自学Protues和Labview软件有关，而且需要学生自行设计传感器的转换电路，对学生的模拟电路和数字电路的基础要求较高，因此造成一部分学生的学习困难。在后期学生的培养计划中，建议增加模拟电路的数字电路的学时数，并且授课教师应该强调这两门课在后续课程中的重要性，因为在我院的教学传统中，学生普遍对模拟电路的重视不够。

表1 调查问卷内容

表2 问卷调查统计结果

2.考试成绩分析

对两届学生传感器原理课程的考试平均成绩统计结果如表3所示，进行分析发现，学生普遍成绩较高，尤其是设计类题目和项目成绩普遍偏高，反映了学生对传感器技术这门课程有了更高的学习兴趣，学生的动手能力大大提高。后续课程的授课教师也普遍反映学生的基础更加扎实，知识面宽了，自学能力更强。但是计算题目的成绩偏弱，反映了工科学生不愿意进行理论推导工作，这是需要老师在课堂教学工作中，需要向学生强调的。

表3 平均成绩统计

综合上述的分析，总体而言，教师和学生对这门课程的教学改革比较满意。

六、结语

本文分析了传感器技术在物联网工程专业教学中存在的问题，总结了从课堂教学内容、实践教学和考核方式三方面的改革和教学心得。在今后的教学过程中，要相信学生的能力，给学生提供宽松的学习氛围，尽可能营造接近工程实践的环境，提高学生的综合应用及动手能力，调整课程考核方式，才能提高教学质量。

[1]教育部，高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会.高等学校物联网工程专业实践教学体系与规范（试行）[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]范建林.互联网+高校创新型实验室建设的研究与探索[J].科教导报，2016（1）：184-185.

[3]许勤.基于工程创新的物联网技术人才培养实践[J].时代农机，2015，42（11）：110-111.

[4]龙浩，李媛.应用型本科物联网技术实践教学体系构建[J].实验室研究与探索，2014，33（5）：160-162.

[5]王晓晔，温显斌，肖迎元.物联网专业感知层课程群的建设[J].中国轻工教育，2015（3）：90-92.

[6]王婕婷.传感器实验教学改革探讨[J].中国西部科技，2010，9（32）：67-69.

[7]戴蓉，赵燕，谭跃刚，等.传感器精品课程实践教学创新体系的研究与实践[J].实验室研究与探索，2012，31（6）：137-139.

[8]安健，桂小林，杨麦顺.物联网工程专业实验教学初探[J].实验室研究与探索，2014，33（10）：151-155.

[9]黄峥，古鹏.物联网实验室建设研究与探讨[J].实验技术与管理，2012，29（2）：191-195.

[10]孔锐，张冰.物联网工程专业实验课程设置探索[J].实验技术与管理，2014，31（9）：179-182.

[11]周建国，黄云，孟繁星.运用物联网技术构建现代大型仪器共享平台[J].实验室研究与探索，2013，32（4）：206-209.

[12]卢亚平，宋天麟.传感器与虚拟仪器实验室建设与教学[J].实验室研究与探索，2015，34（8）：101-104.

（责任编辑：张华凡）

Teaching Reform in Sensor Technology Course

WANG Xiaoye1,2,WEN Xianbin1,2,XIAO Yingyuan1,2,WANG Fayu1,2
（1.Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China;2.Tianjin Key Laboratory of Intelligence Computer and Novel Software Technology,Tianjin 300384,China）

In view of the difficulties in teaching sensor technology,a teaching reform was carried out in classroom teaching,practice teaching and evaluation as well.The teaching focus was adjusted and eliciting teaching is now used.Teaching practice includes simulation,implementation and open experimental environment,which can help students,step by step,master the technology of sensor making.The evaluation methods are more diversified and humanized.The results of the teaching reform in the past two years show that the students’practice ability and their satisfaction with the curriculum have both improved significantly.

internet of things;sensor technology;inquiry teaching;teaching reform

G642.0

王晓晔（1972—），女，教授，研究方向：物联网工程计算机硬件结构。

天津市教委重点项目（C03-0809）；天津理工大学校级教改项目（YB15-20）。