传感器与检测技术课程教学及考核方式改革

胡伟伟

（南京邮电大学自动化学院、人工智能学院 江苏·南京 210023）

0 引言

“传感器与检测技术”课程是我校弱电控制类专业的专业必修课，目前教学方式较为传统，注重学生对传感器原理、技术指标、测量电路、误差及补偿等要点在理论上的学习及分析，考核也以闭卷考试为主，教学及考核方式无法满足工科人才培养的要求，因此对本门课程的教学及考核方式的改革十分必要。[1]

目前本门课程的设置参照已在我校测控技术与仪器专业开设多年的“传感器与检测技术”课程，共32学时，理论24学时，实验教学8学时。采用的教材为贾伯，年俞朴，宋爱国主编，东南大学出版社出版的《传感器技术（第三版）》。[2]

作为授课教师，笔者设计、开发及使用各类传感器及研究相关检测技术已有十年以上经验，对Windows平台和嵌入式平台上使用多传感器实现精密测量和智能控制有深入的研究，见证了智能传感技术不断走向成熟强大的过程。结合多年来使用各类传感及相关检测技术完成工程项目的体会和当前工程教育改革背景下对本科生工程素质培养的要求，充分认识到依托传感器技术，对于提升现代工程教育的重要性。

1 目前存在的问题

作为面向工科学生的专业必修课程，课程设置的出发点应该在于培养工科学生的工程应用能力以及解决实际问题的动手操作能力，而在本门课的授课过程中，笔者发现以下几个问题：

（1）当前的教学以课堂理论授课为主，主要针对传感器工作原理、分类及基本结构、测量电路、误差补偿等方面进行教学，而实践、设计及应用环节偏少，学生们往往提不起学习兴趣；

（2）部分学生的电学及信号处理等相关基础知识掌握不牢，造成在理论课的教授过程中，某些问题授课教师觉得学生“应该懂”，但是学生们却“很茫然”的情况，即学教脱节；

（3）考核以闭卷考试成绩为主，造成许多学生考前通过强化记忆，对各知识点死记硬背，不能真正理解和掌握各传感器的相关知识，致使考完就忘，用而不会等问题。

2 改革的具体措施

2.1 课堂教学方面

2.1.1 课堂教学学教脱节的处理

传感器及检测技术课程以电路学、数模电以及信号处理等课程为基础，但是部分学生在学习上述课程时没有深化理解相关知识点，并多采用死记硬背等方式通过考试，之后大部分的知识点都忘记。在学习传感器工作原理、测量电路以及误差补偿部分时，需要大量的电路知识以及信号处理相关知识，而这些知识点因为当初学习时未能深化理解并且间隔时间较长而忘记，从而难以基于此进一步理解传感器及检测技术中的相关知识。例如，在讲授变磁阻式传感器的测量电路时，其中一种电路为谐振电路。此概念以及相关知识在电路分析课程已经讲过，但是在授课过程的互动中发现大部分学生都不能理解谐振的基本概念，更谈不上谐振电路的原理以及基于此的电感测量及计算方法。

因此，针对此问题，应该对课程的教学内容及进度安排作适当调整。在开课的前两次课程教授中，应当对电路、数模电以及信号处理的相关知识作简单复习。主要包括：电路分析中的RLC电路时频域分析方法，三极管电路分析，集成运放电路分析、相敏检波电路分析，脉宽调制电路分析，信号处理相关课程的傅里叶变换的物理及数学意义，频率域的物理意义，信号的时频域转换方法以及在电路分析中的应用，信号采样定理及数字信号的频率域分析方法等等。这些知识作为弱电控制类专业的基础及核心，通过回顾将这些基础知识点融会贯通，不仅仅方便传感器与检测技术课程的教授，也有利于学生对本专业及本学科的知识点及知识架构的建立。

2.1.2 课堂教学的实践环节不足

目前本门课程的理论及实践课程的安排为：理论课24学时，实验课8学时。作为一门工科专业的基础课程，其开设主要目的是基于传感器及检测技术原理上的开发及应用。而目前实践环节的不足不仅仅表现在学时数量（8学时），而且表现为实践教学方法及条件的制约。目前实践教学主要利用传感器试验台SET-2000型，其主要包括多个传感模块，学生主要利用接线方式以及根据试验台所提供的实验指导书对各模块进行调节，其好处在于学生能快速完成实验，但是授课过程中发现大部分学生只是按操作步骤应付实验，其中深层次的传感器及测量电路的工作原理在实践过程中并未得到体现，并且大部分学生亦在实验过程中不去思考与尝试，从而实践环节的效果收效甚微。此外，目前的试验台所提供的试验功能与传感器的设计开发的主流方向并不一致：目前针对传感器的开发基本都以MCU为开发核心，不仅仅包括传感及测量电路部分，试验环节还应包含信号处理电路、采集电路、电源设计电路以及MCU中程序开发等一系列环节，应当做到从系统开发的角度去培养学生对传感器与检测技术的应用能力的培养。

针对以上不足，考虑对实践环节进行改革：（1）将授课学时进行适当调整，理论课部分压缩至17学时(包含2学时的电路及信号处理基础知识的回顾)，实践环节增加至15学时；（2）将SET-2000型接线式实验环节的4个课内基础实验压缩至3个学时；（3）增加以传感器设计、开发、应用以及基于MCU为核心的检测系统的开发的试验环节。此过程中，教师提供设计的应用场景及相关技术指标要求，让学生在12个学时内完成相应系统的开发，其中MCU模块可以借助单片机实验室相关仪器设备实现。学生可在课外时间实现调研、原理框架构建以及其他一些可在课外进行的任务。这样，让学生们着眼于解决实际工程问题，从应用场景及相关技术要求入手进行调研，发现待解决的科学问题，在此基础上对传感器选型、安装、后续电路设计以及单片机相关程序的设计等一系列实际工程能力的培养。

2.2 考核方式

目前，本课程的考核方式为“7+2+1”，即卷面分70%，实验环节20%，平时签到10%。这种考核方式过于强调闭卷考试成绩，而学生们为了应付考试多采用强记的方式，忽视知识点的理解和吸收。因此，针对此问题，可以对考核方式进行如下改动：（1）将闭卷改为开卷，考试内容将目前的填空、选择、问答、计算等题型改为四个系统开发大题，根据题目要求对传感器的技术指标进行计算、测量电路各参数的计算、存在误差补偿及校正问题的针对此应用场景提供合适的补偿方法以及后端与信号处理电路、采样电路、放大电路等一系列工程应用的常见电路的计算及接口的设计等，从而让学生对知识点的掌握不局限于书本，更注重实践，让学生学会合理地应用目前手里掌握的资料对系统进行开发和设计；（2）实践环节的考核比重增加至30%，取消平时签到10%的平时分。在面临多个行政班的授课时，签到太占用时间，并且学生代签到的现象无法制止，从而使得平时分并不公正。根据3.1.2节增加实践环节的课时，在此基础上以12学时的系统开发实践作为实践环节的主要考核依据，在实物验收的基础上增加现场答辩环节，针对所开发的基于传感器的检测系统进行现场提问，根据回答结果评分并作为实验分记录至考核成绩。此方法可避免实验代做等现象，督促学生自己动手去做，自己动脑去思考，加强对传感器及检测系统原理及执行细节等各方面的理解，增加传感器应用环节的经验，让学生明白基本的工作系统的设计及实现过程。

3 执行效果

根据此课程及考核方式进行试探性改革，相对往届学生，本届学生加强电路及信号处理基础知识的回顾，在此基础上理解传感器及检测电路各工作原理较为轻松，课堂互动也较为积极，并且理论课进度明显加快，有效压缩理论课教学时长。基于工作台的实验部分学生完成较快，12课时的开放性实验环节学生投入比较积极，关于MCU开发部分的软硬件相关知识学生能够课后积极学习，并且此开放实验可作为毕设课题的部分工作。考核的最终结果整体较为理想，相比往年通过率提升了10个百分点，并且从考核结果来看部分学生的思维比较活跃，能用多种方法和传感原理处理某一应用场景的待测参量，大部分学生能够较好掌握基本系统的搭建及实现方法。通过对学生的后期问卷调查，发现大部分学生对此次改革方式比较认可，认为不仅对传感器原理有大致了解，而且可以做到学以致用，真正将所学用于工程实践，能获得较高的成就感。

4 结论

针对目前传感器与检测技术课程教授及考核存在的问题，对授课内容做一定调整，理论课内容进行压缩，增加实验环节及开放实验环节，改变考核方式，对闭卷考试内容进行调整，增加开放实验验收及答辩在考核的比重。经过尝试及最终教学结果反馈，确定该改革的有效性。