黃文奇，楊　虹

(北京信息科技大學(xué)， 北京　100101)

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光敏傳感器實(shí)驗(yàn)課程改革探索

黃文奇，楊虹

(北京信息科技大學(xué)， 北京100101)

摘 要：針對(duì)目前光敏傳感器實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中存在的問(wèn)題，我們以傳感器應(yīng)用創(chuàng)新為導(dǎo)向，從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容兩個(gè)方面對(duì)此課程進(jìn)行了改革，充分的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：光敏傳感器；課程改革；創(chuàng)新能力

1光敏傳感器實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀

傳感器是人的感覺(jué)器官的延伸，在現(xiàn)代社會(huì)中起著對(duì)各種信息的定性感知和定量測(cè)量的作用。光敏傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它可用于檢測(cè)直接引起光強(qiáng)度變化的非電量如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫等，也可用于檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量如零件直徑、表面粗糙度、位移等[1]。光敏傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)控制及智能機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。在以工科為主體，以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才為主的大學(xué)，了解光敏傳感器的原理、測(cè)量其基本特性并學(xué)會(huì)使用是十分必要的[2]。

但是，許多工科大學(xué)開(kāi)設(shè)的光敏傳感器實(shí)驗(yàn)課程存在一些弊端和不足。目前由于課時(shí)有限，我們的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中《光敏傳感器的光電特性測(cè)量》的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是以特性測(cè)量為主，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。有關(guān)于光敏傳感器的應(yīng)用內(nèi)容只是在課堂上由任課老師介紹一下而已，大部分學(xué)生在了解了光敏傳感器的物理原理和特性之后卻很少有機(jī)會(huì)去使用它們，更別談創(chuàng)新性的把它們應(yīng)用到實(shí)際生活中去。這導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)常會(huì)抱怨測(cè)量這些數(shù)據(jù)有何意義，學(xué)習(xí)興趣不高。因此，我們應(yīng)充分考慮該實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，合理地對(duì)教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)形式和教學(xué)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)。以充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

2光敏傳感器實(shí)驗(yàn)課程改革

針對(duì)目前光敏傳感器實(shí)驗(yàn)課程中存在的一些不足，我們擬從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容這兩個(gè)方面對(duì)該課程進(jìn)行有針對(duì)性的改革探索。以幫助學(xué)生理解光敏傳感器的物理原理和工作特性，充分激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造性。

2.1教學(xué)方法改革

對(duì)于光敏傳感器實(shí)驗(yàn)課程，目前的教學(xué)方法主要還是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生按照要求測(cè)量出光敏傳感器的伏安特性和光照特性，并對(duì)它們的特性進(jìn)行歸納總結(jié)。由于課時(shí)有限，傳感器的應(yīng)用環(huán)節(jié)被省略，導(dǎo)致學(xué)生不能深入理解和運(yùn)用所學(xué)的光敏傳感器原理和特性知識(shí)。因此我們改變這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法，在課后以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的形式加入光敏傳感器創(chuàng)新設(shè)計(jì)和應(yīng)用環(huán)節(jié)，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生能夠在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中掌握光敏傳感器的原理和特性，為將來(lái)合理的使用光敏傳感器打下基礎(chǔ)。

在教學(xué)過(guò)程中，我們充分采用現(xiàn)代化的教學(xué)輔助手段，利用多媒體技術(shù)生動(dòng)、直觀、形象等優(yōu)點(diǎn)。在光敏傳感器的物理原理和工作特性講解部分加入大量的圖片和動(dòng)畫，用更加生動(dòng)、形象、立體的方式幫助學(xué)生理解、接受和記憶，激發(fā)學(xué)生的求知欲和主動(dòng)性，充分提高授課效率。同時(shí)考慮到不同學(xué)生的知識(shí)背景和能力水平有所差別，我們采取了個(gè)性化的教學(xué)模式，進(jìn)行分層次教學(xué)。把原來(lái)統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容改進(jìn)為不同層次的教學(xué)內(nèi)容，把原來(lái)固定的統(tǒng)一練習(xí)改進(jìn)為分層練習(xí)，同時(shí)把原來(lái)統(tǒng)一的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)榉謱釉u(píng)價(jià)，以適用于不同能力層次的學(xué)生。

2.2教學(xué)內(nèi)容改革

我們根據(jù)學(xué)生知識(shí)水平和動(dòng)手能力水平，設(shè)計(jì)四個(gè)層次的光敏傳感器創(chuàng)新設(shè)計(jì)內(nèi)容。供不同能力層次和不同階段的學(xué)生選擇。盡量使得所有學(xué)生都能參與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高學(xué)生對(duì)光敏傳感器的認(rèn)識(shí)和使用水平。

2.2.1初級(jí)創(chuàng)新應(yīng)用—光控節(jié)能燈

圖1所示的光控節(jié)能燈電路是由一只雙向晶閘管與光敏傳感器構(gòu)成的自動(dòng)照明燈電路，白天自動(dòng)熄滅，晚上自動(dòng)點(diǎn)亮。適用于學(xué)生宿舍樓道、校園道路等公共場(chǎng)所作為夜間或陰天照明使用。其中VD1觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約為30伏。在白天，光敏電阻RG的阻值低，其A點(diǎn)的分壓值低于30V，VD1觸發(fā)二極管截止。雙向晶閘管VS1無(wú)觸發(fā)電流，T2、T1之間呈斷開(kāi)狀態(tài)。在夜間或亮度很低的陰天，光敏電阻RG的阻值變大，A點(diǎn)分壓電壓大于30V，VD1觸發(fā)二極管導(dǎo)通。VS1導(dǎo)通，燈泡點(diǎn)亮。R1和C1為保護(hù)雙向晶閘管的吸收電路。

圖1　光控節(jié)能燈電路圖

當(dāng)前，節(jié)能減排已經(jīng)成為全社會(huì)的共識(shí)，在實(shí)驗(yàn)中有意識(shí)的加入這一理念，能夠很好的引起學(xué)生的興趣，提升學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用的積極性。光控節(jié)能燈主要是利用光敏電阻的光電導(dǎo)特性，著重強(qiáng)化學(xué)生對(duì)光敏電阻的光電特性的理解和應(yīng)用。此應(yīng)用所涉及的光敏傳感器原理和使用方法較為簡(jiǎn)單，對(duì)學(xué)生的能力和知識(shí)要求較低，適合所有的學(xué)生選擇。

2.2.2中級(jí)創(chuàng)新應(yīng)用—光強(qiáng)測(cè)量?jī)x

圖2是由光電池傳感器構(gòu)成的光強(qiáng)測(cè)量電路，以發(fā)光二極管的點(diǎn)亮個(gè)數(shù)的多少來(lái)指示光的強(qiáng)度，可用于需要對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)的場(chǎng)合。其中，光強(qiáng)度顯示電路由VT2-VT6、LED1-LED5發(fā)光二極管，VD1-VD4二極管及可調(diào)電位器RP1等組成。驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)自于VT1的集電極，經(jīng)RP1可調(diào)電位器調(diào)節(jié)以后去驅(qū)動(dòng)顯示電路。

圖2　光強(qiáng)測(cè)量?jī)x電路圖

當(dāng)光線越強(qiáng)時(shí)，VT1三極管的導(dǎo)通程度越大，電平指示器得到的輸入電平也越高，進(jìn)而使發(fā)光二極管點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)越多。

光強(qiáng)測(cè)量?jī)x主要利用的是光電池短路電流特性，在負(fù)載電阻較小時(shí)，光電池所產(chǎn)生的光電壓與光照強(qiáng)度正相關(guān)。此應(yīng)用著重強(qiáng)化學(xué)生對(duì)光生伏特效應(yīng)的理解和硅光電池短路電流特性的應(yīng)用。由于物理原理較為復(fù)雜，且電路所涉及的元器件較多，因此此應(yīng)用適合有一定電路基礎(chǔ)和傳感器知識(shí)的學(xué)生選擇。

2.2.3高級(jí)創(chuàng)新應(yīng)用—激光通信儀

激光通信是一種利用激光傳輸信息的通信方式，具有通信容量大、結(jié)構(gòu)輕便等優(yōu)點(diǎn)。其主要過(guò)程是將音頻或視頻信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)制電路加載到激光發(fā)射器上，由激光無(wú)線傳輸至可見(jiàn)光接收器上，再通過(guò)信號(hào)解調(diào)實(shí)現(xiàn)音頻或視頻信號(hào)的還原。此應(yīng)用要求學(xué)生手動(dòng)制作完成信號(hào)調(diào)制電路、接收電路、信號(hào)解調(diào)電路三個(gè)主要電路，并能夠與輸入設(shè)備和輸出設(shè)備相匹配。此外還需要學(xué)生自行搭建激光發(fā)射架、激光接收架，以實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)能夠方便快捷的發(fā)射和接收。

圖3　激光通信儀系統(tǒng)流程圖

激光通信儀中所設(shè)計(jì)的光敏傳感器是光敏二極管，因此著重強(qiáng)化學(xué)生對(duì)光敏二極管特性的理解，要求學(xué)生掌握光敏二極管線性響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。此應(yīng)用是光敏傳感器的綜合應(yīng)用，難度較大，適合于基礎(chǔ)較好，且能夠順利完成前兩個(gè)創(chuàng)新應(yīng)用的同學(xué)選擇。

2.2.4自主創(chuàng)新應(yīng)用

除以上選擇之外，學(xué)生還可以根據(jù)自己的生活經(jīng)歷，自己提出實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

利用所學(xué)的光敏傳感器的知識(shí)，自行提出設(shè)計(jì)方案。學(xué)生可以自行組隊(duì)，以團(tuán)隊(duì)合作的方式進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。此部分對(duì)學(xué)生的能力和知識(shí)面要求較高，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的獨(dú)立思考，查閱文獻(xiàn)和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。

3結(jié)論

針對(duì)目前光敏傳感器實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中存在的諸如學(xué)生興趣不高、物理原理晦澀難懂和創(chuàng)新應(yīng)用不夠等問(wèn)題，我們從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容這兩個(gè)方面對(duì)此課程進(jìn)行改革。改革了目前以教為先，學(xué)生按部就班測(cè)量的傳統(tǒng)教學(xué)方法，在課后加入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。改革后的教學(xué)方法將以學(xué)生的學(xué)為主，著重幫助學(xué)生能夠在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中理解和掌握傳感器的原理和特性。改革了目前的講授型的教學(xué)模式，設(shè)計(jì)了分層次的教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和評(píng)價(jià)體系，以適應(yīng)不同學(xué)生的能力和知識(shí)層次。改革了目前的教學(xué)手段，大量的采用多媒體技術(shù)，使物理原理的講解和實(shí)際應(yīng)用的舉例更加生動(dòng)和豐富。設(shè)計(jì)了四個(gè)層次的光敏傳感器應(yīng)用示例，讓學(xué)生根據(jù)自身的能力和知識(shí)層次，選擇合適的創(chuàng)新實(shí)踐內(nèi)容，為更加深入的掌握光敏傳感器的原理和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪文明.綜合傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)探討[J].物理與工程,2008,18(6):30-33.

[2]程昱中.大學(xué)物理和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與課程體系的改革與實(shí)踐[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，26(5)：124-126.

[3]丁琪，史德俐.智能傳感器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012,25(3)：75-79.

The Reform Exploration of Experimental Teaching of Photoelectric Sensor

HUANG Wen-qi,YANG Hong

(Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100101)

Abstract：Aiming at the problem of photoelectric sensor experimental teaching,the reforms of teaching method and contents are performed based on the application of photoelectric sensors.All of these arouse the students’ learning motivation and improve their comprehensive ability and creative ability.

Key words：photoelectric sensor；course reforming；creative ability

中圖分類號(hào)：G 420

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.031

文章編號(hào)：1007-2934(2016)01-0119-03

基金項(xiàng)目：北京信息科技大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目

收稿日期：2015-09-15