劉新福 劉金河 范明天 鄒紅麗 （河北工業(yè)大學(xué) 天津300130）

傳統(tǒng)的傳感器教學(xué)是依據(jù)粉筆和黑板來(lái)完成的，[1]當(dāng)遇到展示一個(gè)大型復(fù)雜的圖形時(shí)就會(huì)耗費(fèi)許多寶貴的課堂教學(xué)時(shí)間。在黑板上畫(huà)出的圖形，不僅不能運(yùn)動(dòng)還耽誤較多的教學(xué)時(shí)間，同時(shí)教學(xué)中需要?jiǎng)討B(tài)化展示的許多傳感器案例，僅僅靠平面圖形解釋起來(lái)既困難，又繁瑣，而且還很難透徹地解釋清楚，直接影響教學(xué)效果。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，人們利用多媒體課件代替了原始的教學(xué)方式，但同時(shí)又發(fā)現(xiàn)，多媒體課件有很大的弊端：[2-6]即動(dòng)態(tài)的內(nèi)容較少，并且真正運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或器件不太容易制作，所以影響到教學(xué)水平的進(jìn)一步提高。

為此，我們提出采用軟件技術(shù)來(lái)制作動(dòng)態(tài)效果的富有演示功能的教學(xué)素材，以改進(jìn)教學(xué)模式，豐富課堂教學(xué)素材，達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生熱愛(ài)學(xué)習(xí)和主動(dòng)學(xué)習(xí)的目的。

1 引入用應(yīng)變片測(cè)量橋梁斷裂過(guò)程實(shí)際試驗(yàn)的視頻，提高教學(xué)效果

在電阻式傳感器教學(xué)中，引入用應(yīng)變片測(cè)量橋梁斷裂整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的視頻材料，從應(yīng)變片的分揀、粘貼、測(cè)量位置的選取，以及力的加載，到發(fā)生初步的梁的裂縫的出現(xiàn)，直至梁的斷裂過(guò)程，整個(gè)測(cè)量過(guò)程都利用應(yīng)變片有效的監(jiān)測(cè)完成。學(xué)生通過(guò)觀看完整的工程測(cè)試過(guò)程，再經(jīng)課堂的總結(jié)分析，將會(huì)得出工程實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)變片傳感器測(cè)量具有非常重要的價(jià)值的結(jié)論。

2 傳感器動(dòng)態(tài)教學(xué)方案設(shè)計(jì)在課堂中的應(yīng)用

傳感器課程中涉及很多傳感器原理與概念介紹，由于原理較復(fù)雜，解釋起來(lái)就需要圖形的輔助和動(dòng)作的演示等等，非常繁瑣而且也不直觀。為此，在借鑒他人的成果及改進(jìn)了局部構(gòu)思后，嘗試了下述的動(dòng)態(tài)化教學(xué)方案。

2.1 電感式傳感器工作原理動(dòng)態(tài)演示教學(xué)方案

電感式傳感器即差動(dòng)變壓器，由銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈骨架等組成。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)，相當(dāng)于變壓器的原邊，次級(jí)線圈由兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。差動(dòng)變壓器是開(kāi)磁路，工作建立在互感基礎(chǔ)上。為此，我們先進(jìn)行圖片的展示：將一只交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)器用的控制變壓器的交流電壓源上，先用圖進(jìn)行展示。這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心（稱(chēng)為銜鐵）往下按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。然后，再利用動(dòng)態(tài)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成電感傳感器原理的展示工作。

2.2 電阻式傳感器——將應(yīng)變式傳感器在電子衡中的應(yīng)用進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示

電阻式傳感器就是利用非電學(xué)量（如力、位移、加速度、角速度、溫度、光照強(qiáng)度等）的變化，引起電路中電阻的變化，從而把不易測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，便于測(cè)量，并且可以輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，這就是電阻式傳感器的原理。例如，利用金屬的電阻率隨溫度變化而制作的電阻溫度計(jì)，就是一個(gè)電阻式傳感器的應(yīng)用實(shí)例。

制作應(yīng)變式傳感器并將其在電子衡中的應(yīng)用進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，達(dá)到的效果如下：從動(dòng)態(tài)圖形中可以演示應(yīng)變片變長(zhǎng)及壓縮的情況，然后可以從接成的橋路中對(duì)應(yīng)設(shè)置應(yīng)變片的位置，對(duì)應(yīng)測(cè)量的結(jié)果全部進(jìn)行動(dòng)態(tài)的顯示，加深學(xué)生對(duì)概念的理解，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

2.3 光電傳感器——光敏電阻演示

在光線作用下，電子吸收光子的能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。

受到光照射時(shí)光電導(dǎo)變大。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。該原理進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)非常容易，在動(dòng)態(tài)的圖畫(huà)中可以清楚地看出有光照與無(wú)光照的對(duì)比效果，達(dá)到了模擬真實(shí)原理的視覺(jué)效果。

2.4 霍爾傳感器——霍爾效應(yīng)演示

霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體中自由電荷受磁場(chǎng)中洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。

設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，置于磁場(chǎng)B中，當(dāng)它通以電流I時(shí)，半導(dǎo)體中的自由電荷即載流子（電子）受到磁場(chǎng)中洛侖茲力FL的作用，向垂直于磁場(chǎng)B和電流I方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即電子有向某一端積聚的現(xiàn)象，使半導(dǎo)體一端面產(chǎn)生負(fù)電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產(chǎn)生靜電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)對(duì)電子的作用力FE與洛侖茲力FL方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)FE與FL相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)的靜電場(chǎng)即為霍爾電場(chǎng)，在電荷積聚的兩個(gè)面上產(chǎn)生的電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)。設(shè)置動(dòng)態(tài)方案，完成這樣的演示效果，增強(qiáng)觀賞性，最后將公式動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)以加深理解。

2.5 電容傳感器應(yīng)用實(shí)例演示

我們采用的是電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的應(yīng)用演示。這屬于變極距型電容式傳感器。即利用了極板之間距離的改變使得傳感器的輸出電容改變的例子。實(shí)際采用動(dòng)態(tài)方式，動(dòng)態(tài)演示在一個(gè)糧倉(cāng)管理中的應(yīng)用的動(dòng)畫(huà)效果，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真的目的。

3 引入自主創(chuàng)新性項(xiàng)目設(shè)計(jì)，讓學(xué)生主動(dòng)參與課堂教學(xué)

在教學(xué)中，嘗試采用自主項(xiàng)目創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，主要是鍛煉學(xué)生運(yùn)用傳感器基本知識(shí)的能力和口頭表達(dá)的能力。具體方法是：采用以班級(jí)為單位，自由選擇分為數(shù)個(gè)小組，每組成員用異想天開(kāi)的方法，利用所學(xué)知識(shí)構(gòu)想一個(gè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的項(xiàng)目，稱(chēng)為奇思妙想方案。然后，小組成員再積極圍繞此方案開(kāi)展研究，達(dá)到將構(gòu)想的項(xiàng)目用所學(xué)的傳感器及測(cè)控電路知識(shí)實(shí)際設(shè)計(jì)出來(lái)的目標(biāo)，最后通過(guò)課堂答辯的形式將各小組的方案進(jìn)行展示，并分別給予不同的分?jǐn)?shù)進(jìn)行激勵(lì)。這個(gè)活動(dòng)經(jīng)過(guò)學(xué)生的積極配合取得了較好的課堂教學(xué)效果。例如，有的小組設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)課題：汽車(chē)通過(guò)橋梁的時(shí)候，能夠提醒司機(jī)限制汽車(chē)的高度裝置，就是充分利用所學(xué)的光學(xué)傳感器知識(shí)進(jìn)行的應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有一定的新穎性和使用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳感器動(dòng)態(tài)課件設(shè)計(jì)是傳感器現(xiàn)代化教學(xué)的一個(gè)重要技術(shù)方法。以上教學(xué)演示內(nèi)容是傳感器教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)效果演示課件是非常必要和有意義的，可調(diào)動(dòng)學(xué)生積極參與課堂教學(xué)。限于時(shí)間和精力，我們僅僅開(kāi)展了較少的動(dòng)態(tài)課件的課堂應(yīng)用以及較少的自制應(yīng)用型的傳感器工程分析視頻素材的教學(xué)工作，該項(xiàng)課題還有待繼續(xù)完善和加強(qiáng)。動(dòng)態(tài)教學(xué)課件對(duì)促進(jìn)傳感器教學(xué)方式的改革具有很好的應(yīng)用價(jià)值，[7-9]該課程中許多重要原理用動(dòng)態(tài)演示的形式完成是非常有必要的，如果能夠全部實(shí)現(xiàn)的話，將會(huì)極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一定會(huì)提高課堂的活躍度，使學(xué)生的學(xué)習(xí)效果更好?！?/p>

[1]鐘曼莉，劉志文.課件的精心準(zhǔn)備和合理運(yùn)用是關(guān)鍵[N].中國(guó)教育報(bào)，2005-4-25（5）.

[2]王建軍.《傳感器技術(shù)》課程教學(xué)方法探討[J].裝備制造技術(shù)，2007（4）：105-106.

[3]盧莉蓉，周晉陽(yáng)，牛曉東.MATLAB在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8（6）：36-38.

[4]潘雪濤，張美鳳，張亞鋒，等.“傳感器原理及應(yīng)用”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，24（1）：72-76.

[5]楊鵬，史旺旺.基于虛擬儀器技術(shù)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（6）：71-73.

[6]張進(jìn)峰.基于LabVIEW傳感器的實(shí)訓(xùn)方法及實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的探討[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，21（4）：20-21，78.

[7]王建玲.在傳感器技術(shù)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生興趣[J].河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2010，18（4）：85-87.

[8]周昱英，顧余慶.虛擬儀器在傳感器實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，7（4）：6-8.

[9]趙玲，孫仁云.虛擬儀器技術(shù)在汽車(chē)測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2006（2）：20-21，51.

[10]宋述燕，陳家鳳.傳感器技術(shù)與應(yīng)用教學(xué)方法探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)技術(shù)，2008（3）：104-105，146.