王 艷　張 晨　陳姝君

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院電光學(xué)院　江蘇南京　210046

傳感器技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

王 艷張 晨陳姝君

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院電光學(xué)院江蘇南京210046

針對(duì)目前傳感器技術(shù)教學(xué)過程中內(nèi)容枯燥乏味、深?yuàn)W難懂，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問題，提出了對(duì)該課程的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革，從而充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生變被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。實(shí)踐證明，改革后的教學(xué)極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和自主學(xué)習(xí)能力。

傳感器技術(shù)；理論教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

傳感器技術(shù)課程是電子信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)技術(shù)課程，當(dāng)下國(guó)內(nèi)高校電子信息類都普遍開設(shè)了該課程。目前，紫金學(xué)院2015新一輪人才培養(yǎng)方案中，電光系的全部專業(yè)包括電子信息工程、通信工程、電氣工程及其自動(dòng)化、電子科學(xué)與技術(shù)、光電信息科學(xué)與工程和物聯(lián)網(wǎng)工程將全面開設(shè)傳感器技術(shù)這門課程。傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)統(tǒng)稱現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。傳感器是測(cè)量與控制系統(tǒng)中獲取信息的源頭，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，其在科研與生產(chǎn)、生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。傳感器是一門工程實(shí)踐性強(qiáng)、多學(xué)科交叉的電子信息類專業(yè)課程，其專業(yè)性與實(shí)踐性較強(qiáng)，在電子信息類專業(yè)課程體系中處于承上啟下的地位。該課程有一定的難度，以數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、模擬電路、數(shù)字電路和信號(hào)與系統(tǒng)等課程為理論基礎(chǔ)，需要學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)，不斷加深自己的理解、探索和感悟。目前，紫金學(xué)院的學(xué)生普遍缺乏傳感器課程的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)力。學(xué)生缺乏課程學(xué)習(xí)的興趣與動(dòng)力，一方面是學(xué)生自身的學(xué)習(xí)態(tài)度問題，另一方面更是教師的教學(xué)問題。教師在教學(xué)過程中要充分培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)力，提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性和自學(xué)能力。根據(jù)紫金學(xué)院學(xué)生的特點(diǎn)，制訂新教學(xué)大綱，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)完傳感器技術(shù)這門課程后，能夠掌握各種傳感器的原理，并能夠正確選擇和熟練使用傳感器，真正做到理論聯(lián)系實(shí)際。為了提高傳感器課程的教學(xué)效果，真正做到學(xué)以致用，應(yīng)該對(duì)這門課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行全方位的改革。

1　理論教學(xué)改革

傳感器技術(shù)涉及多學(xué)科知識(shí)，其綜合性非常強(qiáng)，理論教學(xué)的主要內(nèi)容包括各類傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、測(cè)量與轉(zhuǎn)換電路、應(yīng)用電路與應(yīng)用領(lǐng)域。相似而又不同的各類傳感器學(xué)習(xí)讓學(xué)生覺得枯燥乏味，沒有條理性和前后連貫性。同時(shí)理論課上學(xué)生缺乏對(duì)傳感器的感性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)的積極性和興趣都不高。

1.1教學(xué)內(nèi)容改革

傳感器是將能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置。傳感器具有工程實(shí)踐性非常強(qiáng)的特點(diǎn)，隨著新技術(shù)的更新和變革，傳感器也進(jìn)行不斷的創(chuàng)新，從而提高其應(yīng)用的效果。因此對(duì)應(yīng)的傳感器技術(shù)課程也在不斷改進(jìn)和更新，即課程知識(shí)更新速度快?？陀^上必須要求教學(xué)內(nèi)容能夠與時(shí)俱進(jìn)，在以往經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)最新的前沿傳感器知識(shí)，讓學(xué)生能夠及時(shí)了解傳感器的最新動(dòng)態(tài)。例如，介紹當(dāng)下流行的智能穿戴產(chǎn)品-智能手環(huán)，智能手環(huán)內(nèi)置三軸加速傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和睡眠狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)算法計(jì)算出穿戴者當(dāng)前的狀態(tài)，通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)上。同時(shí)，在介紹傳感器知識(shí)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，讓學(xué)生了解傳感器作為前端在物聯(lián)網(wǎng)中的重要作用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)作為當(dāng)下流行的技術(shù)，是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，通過無線通信方式形成的一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器；WSN中的傳感器通過無線方式通信，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，可以隨時(shí)更改設(shè)備位置，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接[1]。例如利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)大棚內(nèi)的蔬菜生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過傳感器實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)的溫度、濕度、露點(diǎn)和光照等數(shù)據(jù),通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及時(shí)調(diào)整大棚內(nèi)的環(huán)境以達(dá)到蔬菜生長(zhǎng)的最佳條件，實(shí)現(xiàn)大棚蔬菜的智能種植。例如利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各種野生動(dòng)物棲息和分布情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)時(shí)了解最新的野生動(dòng)物野外生存情況。野生動(dòng)物包括國(guó)寶大熊貓，遷徙的鳥類等。

1.2課程形式改革

傳感器是實(shí)際測(cè)量的器件或者裝置，可以在PPT上引入傳感器照片，也可以將每種類型的傳感器實(shí)物帶入到理論課課堂上，從而加深學(xué)生對(duì)傳感器的感性認(rèn)識(shí)。以往的上課都是采用教師講學(xué)生聽的形式，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生上課走神的情況。借鑒翻轉(zhuǎn)課堂的形式，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。部分內(nèi)容采用學(xué)習(xí)興趣小組的形式，讓學(xué)生自行搜集和學(xué)習(xí)相關(guān)資料，并讓學(xué)生到講臺(tái)上給同學(xué)們講解，在課堂上展開討論。例如，當(dāng)前智能手機(jī)應(yīng)用普及，智能手機(jī)的發(fā)展與傳感器是密不可分的，學(xué)生可以按小組查找手機(jī)中傳感器的相關(guān)資料，學(xué)生在講臺(tái)上打開智能手機(jī)，并分析各種智能應(yīng)用中分別使用了哪種傳感器。手機(jī)中的神廟逃亡和極品飛車游戲，分析此類游戲的原理是通過手機(jī)中內(nèi)置的重力感應(yīng)傳感器完成的，通過左右上下?lián)u擺手機(jī)，控制速度與方向，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。手機(jī)的拍照和攝像功能其實(shí)也是通過圖像傳感器完成的，不過不同型號(hào)智能手機(jī)中圖像傳感器的分辨率不同，也就是俗稱攝像頭像素不同，拍照和攝像清晰度不同。

2　實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

傳感器種類繁多，按輸入物理量可分為光電傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器、位移傳感器等。按工作原理可分為電容式、電阻式、電感式、壓電式等。由于各種類型傳感器原理差異很大，因此給學(xué)生的感覺是傳感器種類過多，原理部分復(fù)雜枯燥，測(cè)量電路晦澀難懂。通過相應(yīng)的傳感器實(shí)驗(yàn)，可以做到理論聯(lián)系實(shí)際，幫助學(xué)生理解理論知識(shí)。當(dāng)下大部分院校(包括紫金學(xué)院)的傳感器實(shí)驗(yàn)，以大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)為主，體積大、價(jià)格貴，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的跨課程復(fù)用。學(xué)生通過完成基于各種原理進(jìn)行分類的傳感器實(shí)驗(yàn)，通過傳感器將各種被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而沒有相應(yīng)的處理和顯示部分直接顯示出被測(cè)量。例如應(yīng)變式傳感器，通過電阻應(yīng)變片將力轉(zhuǎn)換為電阻的變化，再通過電橋電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出，學(xué)生最終是通過電壓表對(duì)輸出的電壓進(jìn)行測(cè)量。但是學(xué)生沒有辦法直觀看到所測(cè)量的力的大小，只能看到力所對(duì)應(yīng)的電壓的大小。實(shí)驗(yàn)效果不直觀，不能直接顯示被測(cè)量的大小，不能夠真正做到理論聯(lián)系實(shí)際，亟須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。

2.1課內(nèi)實(shí)驗(yàn)改革

傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)都是通過傳感器和相應(yīng)的測(cè)量電路將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成電壓輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過電壓表將該被測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓測(cè)量出來，并不能直觀顯示被測(cè)量的大小和單位。本傳感器實(shí)驗(yàn)將拋棄大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過傳感器探頭采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備NI MyDAQ處理數(shù)據(jù)、最終在虛擬儀器Labview中顯示被測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器與虛擬儀器這門課程的有機(jī)融合。通過加入myDAQ和Labview，將傳感器輸出的電量輸通過myDAQ傳輸?shù)絃abview中進(jìn)行相應(yīng)的軟件處理，在Labview中直觀顯示被測(cè)量的大小和單位，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示。以傳感器壓力感應(yīng)實(shí)驗(yàn)為例，圖1給出了壓力感應(yīng)硬件電路，其中(a)為壓力傳感器的雙輸出重量變送器，(b)為壓力傳感器，(c)為數(shù)據(jù)采集硬件myDAQ；圖2給出了壓力感應(yīng)實(shí)驗(yàn)的Labview仿真界面。通過按壓壓力傳感器，傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為模擬的電壓輸出到myDAQ中，myDAQ通過自身的AD電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過USB接口送到Labview仿真中，在Labview中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和顯示。目前市場(chǎng)上沒有傳感器結(jié)合myDAQ和Labview的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教材，現(xiàn)已編寫校內(nèi)實(shí)驗(yàn)教材一本，已在本校應(yīng)用，學(xué)生一致反映良好。

圖1　壓力感應(yīng)硬件電路

圖2　壓力感應(yīng)Labview仿真

2.2課外實(shí)驗(yàn)改革

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)都是基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力完成相應(yīng)的開放型實(shí)驗(yàn)(采用平時(shí)成績(jī)加分的形式)，達(dá)到開放實(shí)驗(yàn)室的目的。由于myDAQ和傳感器探頭體積小、方便攜帶，學(xué)生可以將其帶回宿舍，通過在筆記本電腦上安裝Labview軟件可以完成實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理和顯示除了通過myDAQ 和Labview實(shí)現(xiàn)，學(xué)生也可以通過單片機(jī)、DSP等其他課程實(shí)現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)了多課程的融合、實(shí)驗(yàn)室的復(fù)用。各種開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括溫度、濕度、轉(zhuǎn)速、酒精濃度、一氧化碳濃度、重量等，學(xué)生課余時(shí)間可以自行選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并完成。例如，有學(xué)生通過PCB設(shè)計(jì)和雕刻機(jī)(電子實(shí)習(xí)中已進(jìn)行相關(guān)學(xué)習(xí))完成硬件電路板的設(shè)計(jì)與制作，完成一個(gè)溫度測(cè)試儀，數(shù)據(jù)處理和顯示部分采用單片機(jī)完成，這樣實(shí)現(xiàn)了傳感器與電子實(shí)習(xí)、單片機(jī)的跨課程融合，達(dá)到將傳感器課程的學(xué)習(xí)與應(yīng)用型人才培養(yǎng)相結(jié)合的目的。

3　結(jié)束語

本文介紹了傳感器技術(shù)課程中的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革。理論課的創(chuàng)新點(diǎn)在于引入了前沿傳感器，并通過興趣小組和學(xué)生演講的形式，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和演講的能力；實(shí)踐課的創(chuàng)新點(diǎn)在于將體積很小的myDAQ以及軟件Labview引入到傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)中，從而達(dá)到了口袋實(shí)驗(yàn)室的效果，實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的處理與顯示。實(shí)踐證明，在實(shí)際的傳感器教學(xué)中引入以上變革，能夠有效增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)傳感器的興趣，引入了硬件myDAQ和軟件Labview，極大地豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，取得了較好的教學(xué)效果，受到學(xué)生的一致歡迎與好評(píng)。

[1] 張淋江,孔素真,劉志龍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療生理數(shù)據(jù)采集研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2015(8):132-135.

The Theoretical and Experimental Teaching Reform of Sensor Technology

Wang Yan, Zhang Chen, Chen Shujun
Zijin College of Nanjing University of Science and Technology,Nanjing, 210046, China

At present in the teaching of sensor ,content is boring and esoteric,and students' learning enthusiasm is not high. This paper puts forward the teaching reform of classroom teaching and experimental teaching to fully mobilize the enthusiasm of students' learning and change passive learning to active learning. The practice has showed that the reform of teaching has greatly improved the effect of learning and the ability of autonomous learning.

sensor technology; theoretical teaching reform; experimental teaching reform

2016-03-29

王艷，碩士，講師。張晨，碩士，講師。陳姝君，碩士，講師。

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目(編號(hào)：20140102006)；江蘇省省級(jí)教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目(編號(hào)：2015JSJG519)。