“傳感系統(tǒng)設計”課程教學體系探索與實踐

羅元政 洪渭 陳春雷

摘? 要：該論文探討了傳感系統(tǒng)設計課程的現(xiàn)狀及背景，通過結合作者的教學經驗，對該課程進行教學改革與探索。根據(jù)該專業(yè)的特點和教學目的，分析了教學中存在的問題，并將傳感系統(tǒng)設計的基本知識技能和工程應用實例有機融合。進一步分析了課程改革的有效辦法，通過課程設計和開發(fā)考核的方式，實現(xiàn)了以工程實踐和應用為推進手段的課程教學改革。

關鍵詞：傳感系統(tǒng)? 教學改革? 工程實踐? 課程設計

中圖分類號：G642 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（a）-0110-03

目前世界上大多數(shù)國家均高度重視傳感系統(tǒng)及相關網絡的發(fā)展，甚至將其納入戰(zhàn)略性產業(yè)振興計劃當中，而傳感網絡在中國得到了廣泛的應用，發(fā)展傳感網絡也被逐步納入我國“十二五”規(guī)劃綱要中。廣東省是國內傳感產業(yè)起步較晚的地區(qū)，但也已經形成以深圳為核心，廣州和東莞為支撐的傳感器產業(yè)鏈。對從事傳感系統(tǒng)和網絡相關專業(yè)的職業(yè)技能人才需求比重逐年上升，這就為電子信息、電氣工程等專業(yè)人才提供了大量新的就業(yè)崗位[1]。同時，在今天信息時代，各種控制系統(tǒng)對自動化程度、復雜性以及環(huán)境適應性（如高溫、高速、地下、海洋等）的要求越來越高， 需要獲取的信息量也越來越多，它不僅對傳感器測量精度、響應速度、可靠性提出了更高的要求，而且對傳感系統(tǒng)的總體方案設計也提出了新的要求。

為了適應社會對傳感專業(yè)人才的迫切需求，鞏固和加深學生對傳感器技術的理解，筆者所在學校開設了諸多傳感器實驗教學和專業(yè)課程。其中傳感系統(tǒng)設計作為一門多學科交叉、綜合性強、實踐性強的專業(yè)限選課程，其教學目的是通過對傳感器系統(tǒng)的設計、參數(shù)計算、實驗和調試，使學生對傳感器技術的基礎知識、傳感器器件的合理選用、小型傳感器系統(tǒng)的設計、調試等內容有一個全面的感性及理性認識，掌握傳感器技術的基本應用。但是由于傳感器方面知識零碎、元件選型等相關內容分散，學生學起來枯燥乏味，教師教起來也很艱難。為了培養(yǎng)符合傳感產業(yè)職業(yè)需要的人才，大多數(shù)院校都在進行這門課程的教學改革。盡管在該課程之前，學生已修過應用微電子材料與器件、模擬電子技術基礎、傳感原理、信號與系統(tǒng)、光電檢測與光電傳感器、單片機應用技術等與傳感器等方面的基礎知識，但缺少綜合應用多門課程知識的能力，特別在獨立工作和知識創(chuàng)新上缺少應有的經驗，難以綜合運用專業(yè)知識進行系統(tǒng)設計，解決實際工程技術問題。因此該課程應該培養(yǎng)綜合運用相關課程所學專業(yè)知識的能力，提高學生查閱元件手冊及文獻資料的能力，并學會通過實際傳感器系統(tǒng)的分析設計，建立工程設計的基本概念和方法。更為重要的是通過實際電路方案的分析比較，設計計算，元件選擇，初步掌握簡單傳感器電路的分析方法和工程設計方法，并要求編寫課程設計報告書，能正確闡述和分析設計結果，為從事儀器系統(tǒng)開發(fā)與設計打下基礎。

1? 傳感系統(tǒng)設計教學現(xiàn)狀分析

當前，傳感課程系統(tǒng)設計教學存在的問題大致可以概括為以下幾個方面。

1.1 教材內容與課程目標無法有機結合

該課程涵蓋電子學、傳感器和電路等學科的基礎知識，涉及到傳感器的理論基礎、光電特性、典型傳感技術和傳感器的應用基礎的結構及設計方法等方面，內容非常寬廣。但現(xiàn)有傳感系統(tǒng)設計教材的內容普遍過于片面，如林玉池等編著的《現(xiàn)代傳感技術與系統(tǒng)》涉及過多光學和網絡信息方向[2]，吳松林等編著的《傳感器與測試技術》偏重光電儀器的探測部分為主[3]，（日）松井邦彥編著的《傳感器應用技巧141例》側重于設計應用舉例[4]，不能對傳感系統(tǒng)設計有全面的感性及理性認識、也很難全面掌握傳感器技術的基本應用方法。要想達到對小型傳感器系統(tǒng)的設計、調試等內容有一個全面的感性及理性認識的課程目標，需要鞏固和加深對傳感器技術的理解，提高綜合運用本課程及相關課程所學專業(yè)知識的能力。因此課程的教學需要克服上述缺陷，加深學生對傳感器系統(tǒng)相關理論知識的理解，是“傳感系統(tǒng)設計”課程的首要任務。

1.2 教學內容與學生興趣不匹配

傳感器是物聯(lián)功能的前提，隨著物聯(lián)網技術的高速發(fā)展，當前傳感器技術已經成為科技和產業(yè)領域的熱點，各種傳感器技術發(fā)展非常迅速。目前傳感器課程的理論教學內容相對陳舊，新的傳感器技術和發(fā)展涉及較少;實踐教學內容只涉及基礎驗證性實驗，與工程應用聯(lián)系不夠，缺少綜合性的應用實例，尤其是以老式的電子產品應用為背景的實例，不能很好地為該專業(yè)崗位群服務[5]?，F(xiàn)代教學模式的發(fā)展趨勢是重視教學活動中學生的主體性，重視學生對教學的參與，根據(jù)教學的需要合理設計豐富的教學方法和手段，提高學生學習的積極性，鍛煉學生的自主學習和創(chuàng)新能力，成為當前傳感器課程教學中亟需解決的問題。

1.3 傳統(tǒng)的教學及考核與課程需求不匹配

雖然“傳感課程設計”這門課程注重綜合利用學生所學傳感器知識完成一個傳感器應用系統(tǒng)設計以及實際問題的解決，但是現(xiàn)有的教學模式以講授原理為主，學生見不到傳感元件的實物，缺乏對參量的感性認識，相似的傳感、放大和檢測電路介紹讓學生覺得枯燥乏味[6]。此外，該課程以往是以閉卷考試的方式進行考核，側重對書本原理的考察，并未鍛煉學生收集和歸納相關資料的能力，也無法培養(yǎng)其提出解決問題的能力。因此根據(jù)需求設計出一套可以為該專業(yè)崗位群服務的傳感系統(tǒng)課程目標，成為傳感器課程教學中急需解決的關鍵問題。

2? 教學改革與探索

由于本科院校在傳感網人才培養(yǎng)方面面臨新模式探索的挑戰(zhàn)，核心是通過課內和課外相結合，使學生掌握不同種類傳感器的使用方法和設計要點的基本技能，其最終目標是使學生具備從事傳感網絡產業(yè)相關職業(yè)所必須的實際能力。這就對“傳感系統(tǒng)設計”的教學提出了更高的要求。所以結合筆者所在地方一本學校的實際情況，從傳感專業(yè)的16級開始，在教材內容、教學體系模式和考核方式3個方面對該課程的教學改革方案進行了討論和分析，目的是使該課程滿足培養(yǎng)知識、能力、素質和諧發(fā)展的高素質應用型本科人才的需求。

2.1 促進教材內容與課程目標的有機融合

該課程以各類傳感器的性能測試、實際應用設計為線索，需要學生完成磁敏傳感器、溫度傳感器、光電傳感器、應變傳感器、電感傳感器、電容傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器、溫濕度傳感器、智能傳感器等基本型傳感系統(tǒng)的設計內容。由于該課程具有系統(tǒng)性、綜合性的特點，所以筆者在教學中觀察到學生容易限制在某一種獨立功能的傳感器知識中，而且現(xiàn)有教材內容也是側重點不同[2-4]。

在教材與教學內容方面，以傳感器系統(tǒng)設計環(huán)節(jié)之間的相互聯(lián)系為出發(fā)點，科學組織教學內容。該課程主要以《傳感器應用技巧141例》[4]為教材。學習的范圍涉及了從前端芯片到后端系統(tǒng)的整個過程：（1）從芯片和材料：如硅基的傳感器，涉及半導體物理和材料特性。同時半導體封裝很關鍵。（2）傳感器元件：選型后可以制作傳感器的模塊，根據(jù)傳感器的不同類型，設計合理的信號處理電路，包括信號的采集、放大、濾波、溫度補償、零點校準等。在教學過程中提供盡可能多的芯片供學生選擇，需要的知識就是電路分析，模擬電路等，需要提醒學生多看芯片手冊。（3）傳感器模塊：目前很多開發(fā)板都可以配備傳感器模塊，包括各種處理電路，推薦學生使用Arduino模塊。（4）傳感器系統(tǒng)：由于單個傳感器沒法稱為傳感器系統(tǒng)，既然叫系統(tǒng)了就需要多個傳感器配合采集各種信號，通過計算程序把信號進行綜合，這部分軟件的成份比較大，包括一些傳感器數(shù)據(jù)融合算法等。通過自頂向下、從后端到前端的設計流程分析，最終讓學生的學習達到融會貫通的效果。

2.2 創(chuàng)新教學方法及考核方式

通過優(yōu)化教學方法，調動學生的積極性，讓學生主動參與課堂的教學，提高學生的學習興趣同時活躍課堂氣氛。在調動積極性方面，要求學生收集和歸納相關資料提出解決問題的具體方法，獨立完成設計任務，樹立嚴謹?shù)淖黠L，獨立思考，勇于創(chuàng)新，按時完成設計任務，并按課程設計撰寫規(guī)范要求撰寫設計報告。而在優(yōu)化教學方法方面不能采用傳統(tǒng)的自底向上式的教學方法，以往的課程教學通常都是采用先講傳感器“原理”，其次傳感器“結構”，最后傳感器“應用”的平鋪直敘的模式。傳感器型號繁多，要達到應用的水平需要在教學中應該從生活中實際應用出發(fā)，然后通過提出問題的方式，來激發(fā)學生興趣。使學生帶著疑問學習傳感器的測量電路、結構和原理，如在設計傳感系統(tǒng)之前要提出類似問題：“理清整個系統(tǒng)要測什么參數(shù)？”“搞清傳感器要在什么范圍內測量？”“需要傳感器輸出什么類型的信號？”“需要傳感器信號，達到怎樣的分辨力和多高的準確度？”“在課程中考核傳感器材料和被測物是不是兼容”等。通過這些問題的提出和解決最終讓學生的學習達到水到渠成的效果。

2.3 傳統(tǒng)的教學及考核與課程需求不匹配

以往考核通常采用閉卷考試的方式，這對單純的理論知識的考查非常有效。但由于這種傳統(tǒng)的教學及考核與本課程需求不匹配，需創(chuàng)新考核方式，以提高應用型課程的成效性。從信息技術的角度來看，傳感器是獲取和轉換信息的一種工具，這些信息包括電、磁、光、聲、熱、力、位移、振動、流量、濕度、濃度、成分等。傳感器的核心部件是敏感元件，它是傳感器中用來感知外界信息和轉換成有用信息的元件。所以有關上述信息都可以作為選題來開展以小論文為形式的課程考核。選題要求方面基于元件、成本、可操作性考慮，選擇在實驗室現(xiàn)有的開發(fā)裝置上操作，選取磁、光、溫度、電容、電阻方面的傳感器的應用。設計電路，正確地進行連線，并進行安裝調試，實現(xiàn)參考選題中要求及技術指標。要求按設計要求制訂方案，直至正確地實現(xiàn)系統(tǒng)功能;最后寫出課程設計報告。因此，筆者對該課程的考核方式進行改革與探索，以開卷考試+課程設計報告的形式檢驗教學效果。在課程設計的內容方面主要考查學生的工程應用和動手能力，需要學生理解設計方案后再動手正確聯(lián)線、構成硬件電路，通過獨立調試實現(xiàn)設計方案，如溫度監(jiān)控裝置、光電越限報警器、產品計數(shù)器、自動供水裝置、布料厚度測量裝置、路燈控制器和熱敏電阻制作電子溫控器。

3? 結語

在“傳感系統(tǒng)設計”課程的改革中，針對目前存在的問題，從有促進教材內容與課程目標的有機融合、創(chuàng)新教學方法及考核方式、傳統(tǒng)的教學及考核與課程需求不匹配等方面進行了探索。通過設計環(huán)節(jié)之間的相互聯(lián)系為出發(fā)點，科學組織教學內容、優(yōu)化教學方法、調動學生的積極性和創(chuàng)新考核等多種方式切實的改善了教學效果，達到了教學目的，為學生從事儀器系統(tǒng)開發(fā)與設計打下基礎。希望我們的教學改革經驗對傳感器相關課程的教師與學生有所裨益。

參考文獻

[1] 佚名.校企協(xié)同培養(yǎng)電氣類創(chuàng)新型工程人才模式探索[J].大學教育，2019（5）：35-38.

[2] 林玉池，曾周末.現(xiàn)代傳感技術與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 吳松林.傳感器與測試技術[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

[4] 松井邦彥.傳感器應用技巧141例[M].北京：科學出版社，2006.

[5] 曹原，曹婷.傳感與檢測技術課程教學改革探索[J].教育教學論壇，2018（5）：117-118.

[6] 王超.“傳感網絡原理及應用”課程教學改革研究與探索[J].黑龍江科學，2018（7）：6-7.