《现代传感与探测技术》课程工科实验教学探索

汪子君 任玉琢 梁伟

摘要：《现代传感与探测技术》是探测制导专业的重要专业基础课，是后续信号处理、控制类课程的基础。文章从该课程的工程性特点以及学生的心理出发，通过开展小范围开放性自定题目课程设计教学实践，结合传感器、电子电路、数字逻辑、单片机及控制理论知识，证明在教学过程中结合课程创新设计，可以帮助学生综合利用理论知识，激发学生的学习热情和创新创造能力，培养学生电子技术的综合素养。

关键词：工科实验教学；传感器实验教学；教学改革；探测系统

中图分类号：G642.1，TP212.6 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）34-0199-02

现代工程教学的核心理念是在教学中融入人文精神、科学素养和创新能力，其特点是知识的集成化、学科的交叉性以及工程技术和经济活动的紧密结合。解决真实世界的工程问题并通过真实世界培养工程人才，使学生在工程实践中具备独立思考、准确表达并适应变化，是创新人才培养的初衷[1]。为适应教育部深入学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想，开展“新工科”建设的需要，在《现代传感与探测技术》课程中对教学体系、内容和侧重点进行了改革与探索，采用课堂教学与工程实验教学相结合的模式，在培养学生创新精神和实践能力方面取得了一定的效果[2]。

一、目前课程教学现状

传感技术是信息技术的源头，是信息社会的三大重要支柱之一，实现传感与探测技术的关键器件是传感器。由于传感器具有精度高、可靠性强、微型化、智能化、集成化等特点，被广泛应用于工业控制、交通能源、安全防卫等领域[3，4]。目前传感器课程实验内容偏于对某一原理或某一定律的验证[5]，而非对探测信息、获取信息和处理信息的应用，不利于学生综合电路电子课程、数字逻辑课程、单片机课程、计算机语言课程等多课程知识的融合，不利于综合素质和创新能力的培养。

二、课程工程实验教学探索方法

目前高校工程教育以人才培养模式为核心，我院对教学改革进行了积极尝试，以培养学生的主动性、积极性、实践性和创新性。《现代传感与探测技术》在传统课堂教学中，调整教学内容和授课方式，增加设计时间环节，以提高学生发现问题、解决问题的能力。

1.教学探索要达到的目标。美国犹他州立大学教授M.David提出了五项“首要教学原理”：（1）当学习者介入解决实际问题时，才能够促进学习；（2）当激活已有知识并将它作为新知識的基础时，才能够促进学习；（3）当新知识展示给学习者时，才能够促进学习；（4）当学习者应用新知识时，才能够促进学习；（5）当新知识与学习者的生活世界融于一体时，才能够促进学习。

根据首要原理提出了《现代传感与探测技术》实验教学目标：（1）课程实验教学内容要描述现实世界中的现象；（2）实验教学过程中要贯穿先前课程的相关知识和经验；（3）实验教学要展示学习什么而不仅仅是陈述学习的内容；（4）学生有机会进行练习并展示学习成果；（5）学生可自由选择将新知识和技能应用到现实世界和日常生活中。

2.教学探索采用的手段与方法。在实验教学课程设计中，教师举出几个现实世界中信息探测获取、信号处理以及执行机构等应用实例，要求学生自己设计应用场景，选择合适的传感器和执行器件，设计实验电路，搭建实验电路，编写单片机程序，通过实际应用实现预定目标，并通过详解原理、图片和视频进行展示。在整个过程中，教师给予一定指导，并对实验元器件的供应提供保证，支出设计中的不足并提示改进思路。

三、课程工程实验教学探索实施

1.实验课程简介。本课程的实验教学所用系统为Arduino实验套件，该套件包含多种探测器、处理电路、显示模块、控制模块和执行机构，可组成一个完整的探测、处理、实行系统。实验套件可完成光、电、温度、液位、位移等多种物理量的探测，可实现显示和执行等结果的输出展示。本教学设计3人一组，在理论课堂之外3周时间内完成，课堂上进行成果展示[6]。

2.实验课程实施方案。实验教学中主要采取项目教学法，以学生为主体，锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，提高学生的实践能力，培养学生的探究和创新精神。教师举例描述五个现实问题，提出设计的基本要求和发挥要求，下面介绍其中两个。（1）智能交通控制系统。基本要求：实现一个十字路口使用的智能交通控制系统的基本功能，在一个方向的车道上根据区域车流量进行十字路口交通信号灯的持续时间控制；在紧急情况下，使用紧急按键使两路口都为红灯，并发出警报禁止普通车辆通行，让紧急车辆通过后再恢复正常通行。发挥要求：在实现基本要求的基础上考虑实现十字路口双向的车流控制，以及采用更实用的车流量探测手段，实现真正可用于实际的交通控制系统。（2）自动温度测控系统。基本要求：实现温度测量、显示、超温报警等功能。发挥要求：在实现基本要求的基础上考虑使用继电器作为加热或制冷设备的电源开关，实现真正的温度自动调节。其他题目，如选用红外探测器的“人体脉搏测量仪”，需要考虑应用场景的“地下水自动监测系统”等。

3.实验课程实施效果。实验课程设计收到10组课程设计，每组实验中使用到2种或2种以上传感器，设计均包括显示模块或执行机构。（1）用于铁路路口的交通信号灯。选择超声传感器测距，三色发光二极管和数码管显示，蜂鸣器提示，步进电机带动起落杆作为执行机构。（2）密封环境温度湿度调节。选择温度、湿度传感器，发光二极管和数码显示，蜂鸣器报警，步进电机带动风扇作为执行结构，实现闭环控制。（3）超声光控系统。选择光敏电阻、超声传感器、发光二极管显示、蜂鸣器报警。学生结合电子电路、数字电路、单片机、自动控制等课程知识，发挥自主学习能力，较好地完成了课程设计。

四、工程创新中的应用

本次实验教学在大三上半学期开展，一些学生通过对传感器的应用，对建立测控系统所需要的信息获取、信息处理和执行控制都有了体会。本院在大三下半学期开展了工程创新与设计课程，学生通过本次实验教学的课程设计，对工程创新有了较大的帮助，在工程创新中使用该传感器套件进行了设计，取得了较好的成绩。

五、结语

通过对《现代传感与探测技术》课程实验教学的改革，加强学生发现问题、解决问题的能力，增强学生学习的自主能动性与兴趣，综合运用多门课程知识，学以致用，为学生今后的创新能力打下了基础。

参考文献：

[1]王孟禄，张大蔚.传感器技术在创新实验教学中的应用[J].科技创新导报，2014，（35）：170-171.

[2]李秀红，李文辉，任家骏，庞荫铭.新工科背景下“机械设计课程设计”教学改革[J].实验科学与技术，2018，16（3）：132-134.

[3]郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用[M].第四版.西安电子科技大学出版社，2014：1-5.

[4]刘莹，祝学云，范文.检测技术课程设计型实验系统研制[J].实验技术与管理，2015，32（6）：137-145.

[5]吴琼水，张铮.《传感器与控制》实验教学改革探讨[J].长江大学学报（自然科学版），2011，8（7）：125-126.

[6]王孟禄，任凤竹.传感器多层次实验教学与创新人才培养的探索[J].实验室科学，2013，16（2）：79-81.