《传感器原理及微操作系统》课程教学改革与实践

李发英，于芳

(湘南学院，软件与通信工程学院，郴州 423000)

0 引言

在我们学校，对于传感器技术类课程，我们同时兼顾了与课程群中《无线传感器网络技术》课程的紧密结合。《传感器原理及微操作系统》与《单片机与接口技术》、《无线传感器网络技术》构成物联网智能应用系统构建技术类课程群，讲解内容在一定程度上融合了单片机以及无线传感器网络技术相关知识，综合性强，学习难度大，课程名《传感器原理及微操作系统》也正体现了这一特点，微操作系统部分的课程占总课时的1/8，目的是在传感器技术授课的过程中提前对后续课程提前导入。

物联网工程专业的课程授课重点与其他专业应有区别，主要体现在：

一是讲解内容的侧重点不同。如对于电气专业学生，讲解电阻式传感器时，主要介绍传感器的结构、特性及电路组成，适应毕业生的就业需求，主要掌握传感器的设计；而物联网工程专业学生的课程教育应侧重于具体应用，由于物联网工程专业是应用性、综合性极强的专业，学生主要关注传感器的工作原理、特性、选型以及在智能系统中的性能需求。

二是讲解方式不同。如对于电气专业学生，侧重于讲解传感器的内部结构、电路设计，对于仪表与检测专业学生，则重在关注传感器的特性分析和误差分析。对物联网工程专业学生来说，授课方式则以应用背景为中心，向边缘逐步讲解传感器的类型、结构、工作原理、特性、特点和误差分析，基于此，这种教学方式可以用图1来描述。

图1 以应用背景为中心的教学方式

1 目前课程教学现状

《传感器原理及微操作系统》课程与《单片机与接口技术》、《无线传感器网络》构成物联网工程专业的核心专业课群，学生在掌握了《单片机与接口技术》课程的相关知识点后，再学习《传感器原理及微操作系统》，目前对于课程的教学方式，采用传统的按课程教材结构和内容顺序讲解，分别介绍电阻式传感器、光电式传感器、压电式传感器、化学传感器、生物传感器等，对于某一类传感器，涉及到传感器的概念、传感器的结构、传感器的工作原理和特性，最后讲解传感器的选型，这种教学方式容易造成学生头脑僵化，没有任何应用背景，影响学生创造性思维的发挥，而且由于传感器涉及到的内容概念多、抽象，很难理解，或者学生在感性认识的层次学习，限制了应用能力的提升，使得整个教学停留在填鸭式教学水平，教学效果不佳，在一定程度上降低了学生对课程学习的兴趣，不能有效发挥学生的主动性和积极性。

2 基于应用背景的教学改革

综上所述，《传感器原理及微操作系统》的教学方式改革势在必行，如何进行改革，怎样围绕课程知识点以及学生的专业特点进行改革是关键，以下结合电阻式传感器知识点的讲解详细描述。

以电阻式传感器在农业灌溉系统中的应用为具体应用背景，以此为中心展开来讲解传感器的相应知识点：

2.1 基于应用背景教学的基本思想

传统的传感器原理及应用类技术课程大多数遵循先讲解传感器的结构、工作原理、特性、类型等基本理论知识，然后举例说明某一类传感器的应用场景，这种教学方式主要围绕理论部分展开，教师概念讲解枯燥、学生概念理解困难的特点，造成学生学习积极性不高，导致学生学习效率低下，影响学生应用能力的发挥。基于应用背景为中心的教学，则是将传感器应用作为首要讲解内容，以此为中心逐步引入传感器的自身特性，并结合应用场景中的需求，分析传感器的工作原理、特点、结构以及选型，使学生思维方式发生质的变化，由主要关注传感器本身的原理知识转变为关注传感器的实际应用，这是一种应用驱动的教学方式，对于培养学生的工程应用思维，提高学生的学习主动性，发挥学生的创造性有着极为重要的作用。

表1

2.2 应用背景驱动式教学的教学设计步骤

2.3 实例分析

本文以“汽车后窗玻璃自动去湿系统”为应用背景讲解传感器相关知识点。

第一步：系统功能讲解。汽车后窗玻璃自动去湿系统主要有湿度传感器完成对当前汽车内湿度检测并驱动加热电阻加热，在常温常湿情况下，调节好电路电阻值，加热电阻无电流流过而不具备加热功能。当汽车内外温差较大，且湿度过大时，加热电阻有电流流过，加热电阻丝开始加热，驱散后窗玻璃上的湿气，同时加热指示灯亮。实现自动去湿功能。

第二步：介绍传感器的结构 去湿传感器由三个部分组成，即敏感元件，转换元件和转换电路。敏感元件是去湿传感器的核心部分，主要实现对当前湿度的检测，转换元件实现将非电信号转换成电信号，由于在大多数场合电子设备和系统处理的都是电信号，需要转换成电压、电流或电荷输出，转换电路包括了信号滤波、信号去噪等部分。

第三步：讲解传感器的类型和工作原理。湿度传感器类型很多，上述系统中用的是电阻式湿敏传感器，它是利用器件电阻值随湿度变化的基本原理来进行工作的，其感湿特征量为电阻值。根据使用感湿材料的不同，电阻式湿敏传感器可分为电解质式、陶瓷式和高分子式三类。除电阻式传感器之外，还有电容式湿度传感器，电容式湿敏传感器是有效利用湿敏元件电容量随湿度变化的特性来进行测量的，属于变介电常数型电容式传感器，通过检测其电容量的变化值，从而间接获得被测湿度的大小。电容式湿敏传感器按照极间介质分为高分子和陶瓷材料两大类。

第四步：讲解传感器的特性和误差。在大多数情况下，湿度传感器难以得到相对于湿度变化而线性变化的输出电压，这给湿度的测量、控制和补偿带来了困难。因此，在需要精确测量湿度的场合，必须加入线性化电路，使传感器测量电路的输出信号转换成正比于湿度变化的电压；湿度传感器在低湿、中湿或高湿状态下的线性关系一般会有所不同，因此，可采用放大倍数随输入值变化的放大电路，使其输出与输入呈折线近似线性关系(即分段近似关系)，常用运算放大器。

3 结语

《传感器原理及微操作系统》是物联网工程专业的核心专业课，物联网工程专业要培养应用型复合型人才，提高学生的实践能力和创新意识是必要的。物联网工程专业是实践性、工程性很强的一个专业，为了提高物联网工程专业人才培养质量，在新工科背景下，切实开展“新方法，新思维”教学改革，同时，以习近平总书记在全国高校教育大会上提出的“课程思政”理念，将“思政元素”融合到工科专业建设和课程改革中，通过课堂教学和实践教学环节，培养高素养和高专业质量人才。专业课程教学改革是一个永恒的话题，随着教学对象的变化，教学资源的升级更新，我们一直在探索课程教学方式的改革。下一步应用线上线下混合式教学、项目驱动教学、文献引导式教学等，进一步提高应用型工程人才的培养质量。