詹莊春，史春笑

關(guān)于傳感器技術(shù)課程的一種遞進(jìn)式應(yīng)用型教學(xué)實(shí)踐

詹莊春，史春笑

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

針對(duì)目前一般本科高校應(yīng)用型教學(xué)改革現(xiàn)狀，提出一種傳感器技術(shù)課程的遞進(jìn)式應(yīng)用型教學(xué)方案，旨在尋找一種適合獨(dú)立院校電氣類工科學(xué)生的教學(xué)模式。融合多種教學(xué)方法展開(kāi)教學(xué)，厘清傳感器原理教學(xué)邏輯線，構(gòu)建獨(dú)立的傳感器測(cè)量電路，進(jìn)而在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，相關(guān)理論知識(shí)得到了有效應(yīng)用。

傳感器技術(shù)；教學(xué)現(xiàn)狀；遞進(jìn)式；應(yīng)用型

問(wèn)題的提出涉及三個(gè)方面：傳感器技術(shù)課程的特點(diǎn)，獨(dú)立學(xué)院工科學(xué)生的知識(shí)水平和應(yīng)用型教學(xué)改革現(xiàn)狀。首先，傳感器種類繁多，結(jié)構(gòu)原理各異，分類標(biāo)準(zhǔn)也不一，造成理論缺乏連續(xù)性和系統(tǒng)性，而且傳感器只有結(jié)合其它電路才得以廣泛應(yīng)用，即貫穿課程教學(xué)始終的一條邏輯線很難找到。并且，作為獲取信息的源頭，傳感器最貼近生活，對(duì)實(shí)踐要求最高，由此形成一個(gè)矛盾點(diǎn)，即關(guān)于傳感器技術(shù)的獨(dú)立操作系統(tǒng)很難找到。其次，就獨(dú)立院校電類工科生來(lái)講，根據(jù)筆者多年的經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)實(shí)踐比較敏感，模仿能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是邏輯思維不強(qiáng)韌，理論分析能力較弱。例如，在直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生很快完成了復(fù)雜的電接線并獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，而在課程設(shè)計(jì)中，對(duì)其電樞電流信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測(cè)不知所措，缺乏進(jìn)一步學(xué)習(xí)與思考的動(dòng)力。學(xué)生與學(xué)生之間在知識(shí)儲(chǔ)備交流方式、學(xué)習(xí)態(tài)度、自我預(yù)期等方面，存在極大的差異，使教學(xué)氣氛易受干擾。最后，在應(yīng)用型教學(xué)改革過(guò)程中，出現(xiàn)了許多有價(jià)值有意義的教學(xué)方法。例如項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法[1]和任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法[2]，其與傳統(tǒng)的“理論——習(xí)題——實(shí)驗(yàn)”相反，采用了“項(xiàng)目（任務(wù)）——模塊（問(wèn)題）——原理（方法）”的教學(xué)過(guò)程，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，不足之處是傳感器之間的關(guān)聯(lián)甚少。再如翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)法[3]，其與傳統(tǒng)的“課堂上教師的知識(shí)講授—課堂下學(xué)生的知識(shí)內(nèi)化”相反，采用了“線上網(wǎng)絡(luò)資源共享——線下課堂作業(yè)討論”的教學(xué)模式，優(yōu)點(diǎn)是知識(shí)傳遞不再受時(shí)空限制，凸顯了學(xué)生主體的角色地位，加強(qiáng)了交互學(xué)習(xí)氛圍，不足之處是起點(diǎn)要求高，即要求學(xué)生具有自我管理的學(xué)習(xí)能力。

綜上所述，現(xiàn)以傳感器技術(shù)為課程對(duì)象，以應(yīng)用為目標(biāo)，在課堂內(nèi)外分別穿插對(duì)比式教學(xué)[4]和體驗(yàn)式教學(xué)[5]，正確處理實(shí)踐與理論的關(guān)系，為教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件，故擬定一種遞進(jìn)式應(yīng)用型教學(xué)實(shí)踐方案，具體步驟如下。

一、基本理論應(yīng)用型教學(xué)

以線圈“電磁感應(yīng)”為例：關(guān)聯(lián)高中物理理論知識(shí)，動(dòng)畫(huà)展示繞組線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象，對(duì)直流線圈產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(chǎng)與交流線圈產(chǎn)計(jì)算式中的參數(shù)值，即可制作出相對(duì)不同場(chǎng)合應(yīng)用的傳感器

另一方面，變化的磁場(chǎng)即磁能一旦改變，就會(huì)有另一種形式的能量即電能出現(xiàn)，稱之為能量轉(zhuǎn)換。根據(jù)能量守恒的自然規(guī)律，可推及其他能量與電能之間的相互轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換方式有直接或間接的。由此衍生出了熱溫式，光線式，聲波式等傳感器。

綜合兩方面內(nèi)容，厘清傳感器基本工作思路，即輸入被測(cè)量——電磁參量——能量轉(zhuǎn)換——輸出量，稱之為傳感器原理教學(xué)邏輯線。

為了輔助學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)行為慣性，有必要進(jìn)一步小結(jié)各個(gè)傳感器的工作原理。例如生變化磁場(chǎng)進(jìn)行比較，然后提問(wèn)什么磁場(chǎng)才能感應(yīng)出電勢(shì)，再問(wèn)為什么不提直導(dǎo)線通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，容許同學(xué)們討論之后，教師答疑——均勻散布在直導(dǎo)線上的電子等效磁疇所產(chǎn)生的磁場(chǎng)可忽略不計(jì)，并且電磁相輔相成，兩者近似成正比關(guān)系，從而解釋“電生磁與磁生電”現(xiàn)象的本質(zhì)，稱之為電磁感應(yīng)。緊接著，電磁特性即總磁通與電流之比采用電感系數(shù)表示，簡(jiǎn)稱電感L，假設(shè)線圈匝數(shù)為n，其中通以交流電I，根據(jù)磁路歐姆定律，經(jīng)簡(jiǎn)單代入計(jì)算得出電感值，磁電特性即感應(yīng)電勢(shì)與變化的磁場(chǎng)之比，根據(jù)作用與反作用的自然規(guī)律，可知感應(yīng)電勢(shì)與輸入電流方向相反，故磁電特性系數(shù)等于-1。最后，劃出兩個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，一是電磁效應(yīng)，二是磁電效應(yīng)。

一方面，聯(lián)系電阻和電容等知識(shí)點(diǎn)，將電磁參量計(jì)算式一并列表1，參數(shù)均采用標(biāo)準(zhǔn)單位。

注：ρ——電導(dǎo)率，μ——磁導(dǎo)率，ε——介電常數(shù)，l——長(zhǎng)度或間距，s——截面積或覆蓋面積。

由表1可知，電磁參量只與材質(zhì)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而與外部輸入輸出信號(hào)無(wú)關(guān)。通過(guò)改變霍爾傳感器，其工作原理可小結(jié)為霍爾效應(yīng)，見(jiàn)表即某結(jié)構(gòu)尺寸的半導(dǎo)體薄片通以工作電流，并置于磁場(chǎng)中，若電流方向不與磁場(chǎng)方向重合，則運(yùn)動(dòng)電荷受到磁場(chǎng)洛侖茲力的作用發(fā)生遷移，從而在垂直于電流和磁場(chǎng)的正交方向上形成霍爾電勢(shì)。再例如電位器式傳感器，其工作原理可小結(jié)為表2，即通過(guò)移動(dòng)電位器滑動(dòng)端而改變接入輸出電路部分的電阻值。前述三種情況，一并歸納如表2～4所示。

為了檢驗(yàn)教學(xué)效果，同時(shí)為了更好的記憶，在此舉幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子，來(lái)促進(jìn)學(xué)生思考。例如：選用何種傳感器可發(fā)送并接收超聲波信號(hào)？經(jīng)過(guò)比較，一般有兩種選擇，以此深化理解正逆壓電效應(yīng)和壓磁效應(yīng)以及磁致伸縮效應(yīng)。又例如：何種傳感器能測(cè)轉(zhuǎn)速？除了霍爾傳感器和光電傳感器以及磁電傳感器，還可提前引介增量編碼器。諸如此類，可引領(lǐng)學(xué)生對(duì)以前所學(xué)拾遺補(bǔ)缺，還可讓學(xué)生對(duì)后續(xù)內(nèi)容感覺(jué)理所當(dāng)然。

電阻 磁 電感Rsρ=le e e Rsμ=lm m m Cl=εsc c 2 LR=∑n mi i=1

表2 改變電阻參量的傳感器工作原理小結(jié)

表3 改變電容或電荷參量的傳感器工作原理小結(jié)

表4 改變磁阻或電感參量的傳感器工作原理小結(jié)

二、測(cè)量電路應(yīng)用型教學(xué)

傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為另外一種物理量，一般得出的信號(hào)比較粗糙，例如信號(hào)很微弱或含有干擾信號(hào)等等，對(duì)此還需進(jìn)行調(diào)理。將帶有信號(hào)調(diào)理電路的傳感器稱為廣義傳感器，或稱為傳感器獨(dú)立測(cè)量電路，簡(jiǎn)稱測(cè)量電路。在測(cè)量電路中，傳感器作為一個(gè)元件，我們關(guān)注更多的不再是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理，而是其輸出量與被測(cè)量之間的關(guān)系，即外特性。

首先，采用案例教學(xué)法，分別給出幾個(gè)典型的實(shí)際案例如下：①電阻液位計(jì)測(cè)量電路，②交流應(yīng)變電橋振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量電路，③磁電轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量電路，④差動(dòng)變壓器式加速度測(cè)量電路。再結(jié)合實(shí)際，對(duì)傳感器初始信號(hào)應(yīng)作如何調(diào)理的問(wèn)題展開(kāi)討論，分析比較其中的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。最后在宏觀上把握幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：被測(cè)對(duì)象——傳感器——電橋電路——補(bǔ)償電路——放大電路——相敏整流或解調(diào)電路——低通濾波電路——指示單元，稱之為傳感器測(cè)量電路教學(xué)邏輯線。

同理，為了輔助學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)行為慣性，有必要對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的典型電路進(jìn)行小結(jié)。實(shí)際應(yīng)用的電橋電路應(yīng)具有調(diào)零和調(diào)滿量程的功能，有條件的傳感器一般做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可對(duì)零點(diǎn)或溫度干擾起到補(bǔ)償作用，電橋輸出信號(hào)為電流或電壓。放大電路采用兩級(jí)差分結(jié)構(gòu)，可提高輸入阻抗，增強(qiáng)共模抑制能力，且增益可調(diào)。相敏檢波采用相加式全波電路，由四個(gè)特性相同的二極管沿同一方向串聯(lián)成一個(gè)橋式回路，橋臂上附加電阻，用于橋路平衡，要求載波二次輸出幅值大于調(diào)制波二次輸出幅值。低通濾波可由簡(jiǎn)單的阻容電路構(gòu)成，幾個(gè)典型電路如圖1所示。

在把握了幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的典型電路之后，為提高教學(xué)效果，以教學(xué)中的幾個(gè)案例作為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，例如案例①的測(cè)量電路可參考圖1中(a)(b)(d)三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際操作可參考浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司THSRZ-2傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)，等。實(shí)驗(yàn)或仿真均可視為自我體驗(yàn)式教學(xué)，有了大致的設(shè)計(jì)框架，學(xué)生有自信，會(huì)感興趣，因此可充分利用實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備資源，或借助電路仿真軟件搭建相關(guān)電路模型。

三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)用型教學(xué)

傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理還不一定就能直接可用，“信號(hào)直接可用”什么意思？就此問(wèn)題引發(fā)討論，例如速度只有顯示出來(lái)才可直接作為司機(jī)行車(chē)控制的依據(jù)，由濕度信號(hào)引起的繼電器開(kāi)關(guān)才可直接控制汽車(chē)擋風(fēng)玻璃自動(dòng)去濕系統(tǒng)加熱絲是否加熱，等等。經(jīng)歸納可知，傳感器主要應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)中，由此上升到了課程設(shè)計(jì)應(yīng)用型教學(xué)。

首先，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)為1～5V，電流信號(hào)為4～20mA，為此傳感器測(cè)量信號(hào)有時(shí)需要轉(zhuǎn)換，例如電阻/電壓轉(zhuǎn)換、電容/電壓轉(zhuǎn)換、電流/電壓轉(zhuǎn)換、電壓/電流轉(zhuǎn)換。

其次，對(duì)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的知識(shí)進(jìn)行匯總。一方面是與數(shù)字顯示相關(guān)的數(shù)字電路，例如施密特觸發(fā)器將各種模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的矩形脈沖，觸發(fā)器對(duì)脈沖輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)碼管及其驅(qū)動(dòng)和計(jì)數(shù)器一起完成脈沖個(gè)數(shù)顯示功能，等等。另一方面是與驅(qū)動(dòng)控制相關(guān)的模擬電路，例如功率放大器、雙限比較器、繼電器、伺服電機(jī)、交直流電機(jī)等，與數(shù)字信號(hào)不同，電氣電路之間的模擬信號(hào)特別需要注意參數(shù)匹配的問(wèn)題。

然后，選題?，F(xiàn)學(xué)習(xí)階段處于第四學(xué)期，電氣類工科學(xué)生學(xué)過(guò)的相關(guān)課程有數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)以及電機(jī)學(xué)等，而單片機(jī)和自動(dòng)控制原理以及電力電子技術(shù)等還沒(méi)學(xué)。為體現(xiàn)出實(shí)訓(xùn)效果，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求易于實(shí)現(xiàn)且成本低。采取傳統(tǒng)式傳感器，系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。依據(jù)上述，選題如表5所示[6]。

圖1 在傳感器信號(hào)調(diào)理電路中幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的典型電路

表5 傳感器技術(shù)課程設(shè)計(jì)選題

最后，設(shè)計(jì)與指導(dǎo)。提出要求：1）確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；2）畫(huà)出硬件結(jié)構(gòu)圖；3）繪制系統(tǒng)電路原理圖；4）電路試驗(yàn)與仿真；5）電路參數(shù)計(jì)算及元器件選擇；6）搭建硬件結(jié)構(gòu)，焊接電子元器件；7）電路測(cè)試，系統(tǒng)調(diào)試；8）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，答辯。給出必要的提示：1）滯回比較器可實(shí)現(xiàn)三種大小球的分揀；2）利用晶振自制秒信號(hào)發(fā)生器。

四、結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用型教學(xué)主要是指教學(xué)始終以應(yīng)用為導(dǎo)向，單純的認(rèn)為“理論夠用就行了”是不對(duì)的，理論不是靜態(tài)的，它應(yīng)隨應(yīng)用的廣泛深入而不斷延伸。本著“理論夠用”的原則，許多教學(xué)改革裁掉了關(guān)聯(lián)性較弱的理論。理論雖然變少了，而且還有變少的趨勢(shì)，可是理論的學(xué)習(xí)效果就一直不怎么好，以至于談及理論就畏懼。原因主要就是學(xué)生思維一直處于自由散漫的狀態(tài)。對(duì)此，筆者作為一線工作者，特別有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。經(jīng)過(guò)一學(xué)期的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，學(xué)生對(duì)各種傳感器原理表示能夠理解，對(duì)傳感器測(cè)量電路能夠作出合理的選擇，對(duì)傳感器技術(shù)課程的學(xué)習(xí)有較強(qiáng)響應(yīng)。

教學(xué)內(nèi)容方面的改革：教材好并不意味著教材內(nèi)容的編排就一定符合教學(xué)內(nèi)容的安排，在素材選取和教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，教師無(wú)疑是一位學(xué)習(xí)者。平常儲(chǔ)備的例題和案例，在課堂教學(xué)中得到了穿插使用，增強(qiáng)了教學(xué)的靈活性和課堂的相對(duì)完整性。

教學(xué)主體地位的轉(zhuǎn)換：特別在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師應(yīng)起到一個(gè)管理和輔助的作用，提出問(wèn)題之后引導(dǎo)大家相互討論，始終保持實(shí)訓(xùn)室具有一種輕松活潑的學(xué)習(xí)氣氛。

[1]袁向榮.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育,2011,(26):92-93.

[2]周梅梅.任務(wù)教學(xué)法在傳感器技術(shù)課程中的應(yīng)用[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào),2017,19(1):85-88.

[3]林紅,曲波,黎穗瓊.基于翻轉(zhuǎn)課堂的傳感器原理教學(xué)探討[J].教育教學(xué)論壇,2017,1(2):166-167.

[4]徐科軍.注重比較方法講授“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程[J].教育教學(xué)論壇,2016,3(10):170-171.

[5]沈志輝.高中物理課堂“體驗(yàn)式”教學(xué)的實(shí)踐與優(yōu)化[D].上海:上海師范大學(xué),2016.

[6]劉利秋.傳感器原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015：96.

On a Progressive Applied Teaching Practice of Sensor Technology Course

ZHAN Zhuang-chun, SHI Chun-xiao
(Zhujiang College, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong510900)

A progressive type applied teaching scheme based on the sensor technology is proposed in view of the present practical teaching reform situations in general undergraduate colleges and universities. The purpose is to find a kind of teaching mode which conforms to the independent college electrical engineering students. Teaching is carried out by a variety of teaching methods. Teaching logic line on sensor principle is clarified. A separate sensor measurement circuit is built. And the logical thinking ability of students gets especially consciously trained through the curriculum design.

sensor technology; teaching current situations; progressive type; applied type

TP212.9

A

1671-9654(2017)04-0052-04

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.04.013

2017-09-21

詹莊春（1978- ），男，江西鄱陽(yáng)人，講師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。

史春笑（1970- ），女，河北棗強(qiáng)人，副教授，研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>

本文為2017年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院第五期教育科學(xué)研究項(xiàng)目“利用Multisim搭建電氣類多門(mén)課程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”（編號(hào)：20170508002）和2015年廣東省本科高校人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目“建立‘333’交叉融合培養(yǎng)模式，切實(shí)提高電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量”（編號(hào)：1318）階段性研究成果。

［編校：張芙蓉］