汪子君 任玉琢 梁偉

摘要：《現代傳感與探測技術》是探測制導專業(yè)的重要專業(yè)基礎課，是后續(xù)信號處理、控制類課程的基礎。文章從該課程的工程性特點以及學生的心理出發(fā)，通過開展小范圍開放性自定題目課程設計教學實踐，結合傳感器、電子電路、數字邏輯、單片機及控制理論知識，證明在教學過程中結合課程創(chuàng)新設計，可以幫助學生綜合利用理論知識，激發(fā)學生的學習熱情和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，培養(yǎng)學生電子技術的綜合素養(yǎng)。

關鍵詞：工科實驗教學；傳感器實驗教學；教學改革；探測系統(tǒng)

中圖分類號：G642.1，TP212.6 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）34-0199-02

現代工程教學的核心理念是在教學中融入人文精神、科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，其特點是知識的集成化、學科的交叉性以及工程技術和經濟活動的緊密結合。解決真實世界的工程問題并通過真實世界培養(yǎng)工程人才，使學生在工程實踐中具備獨立思考、準確表達并適應變化，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的初衷[1]。為適應教育部深入學習貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想，開展“新工科”建設的需要，在《現代傳感與探測技術》課程中對教學體系、內容和側重點進行了改革與探索，采用課堂教學與工程實驗教學相結合的模式，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力方面取得了一定的效果[2]。

一、目前課程教學現狀

傳感技術是信息技術的源頭，是信息社會的三大重要支柱之一，實現傳感與探測技術的關鍵器件是傳感器。由于傳感器具有精度高、可靠性強、微型化、智能化、集成化等特點，被廣泛應用于工業(yè)控制、交通能源、安全防衛(wèi)等領域[3，4]。目前傳感器課程實驗內容偏于對某一原理或某一定律的驗證[5]，而非對探測信息、獲取信息和處理信息的應用，不利于學生綜合電路電子課程、數字邏輯課程、單片機課程、計算機語言課程等多課程知識的融合，不利于綜合素質和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、課程工程實驗教學探索方法

目前高校工程教育以人才培養(yǎng)模式為核心，我院對教學改革進行了積極嘗試，以培養(yǎng)學生的主動性、積極性、實踐性和創(chuàng)新性?！冬F代傳感與探測技術》在傳統(tǒng)課堂教學中，調整教學內容和授課方式，增加設計時間環(huán)節(jié)，以提高學生發(fā)現問題、解決問題的能力。

1.教學探索要達到的目標。美國猶他州立大學教授M.David提出了五項“首要教學原理”：（1）當學習者介入解決實際問題時，才能夠促進學習；（2）當激活已有知識并將它作為新知識的基礎時，才能夠促進學習；（3）當新知識展示給學習者時，才能夠促進學習；（4）當學習者應用新知識時，才能夠促進學習；（5）當新知識與學習者的生活世界融于一體時，才能夠促進學習。

根據首要原理提出了《現代傳感與探測技術》實驗教學目標：（1）課程實驗教學內容要描述現實世界中的現象；（2）實驗教學過程中要貫穿先前課程的相關知識和經驗；（3）實驗教學要展示學習什么而不僅僅是陳述學習的內容；（4）學生有機會進行練習并展示學習成果；（5）學生可自由選擇將新知識和技能應用到現實世界和日常生活中。

2.教學探索采用的手段與方法。在實驗教學課程設計中，教師舉出幾個現實世界中信息探測獲取、信號處理以及執(zhí)行機構等應用實例，要求學生自己設計應用場景，選擇合適的傳感器和執(zhí)行器件，設計實驗電路，搭建實驗電路，編寫單片機程序，通過實際應用實現預定目標，并通過詳解原理、圖片和視頻進行展示。在整個過程中，教師給予一定指導，并對實驗元器件的供應提供保證，支出設計中的不足并提示改進思路。

三、課程工程實驗教學探索實施

1.實驗課程簡介。本課程的實驗教學所用系統(tǒng)為Arduino實驗套件，該套件包含多種探測器、處理電路、顯示模塊、控制模塊和執(zhí)行機構，可組成一個完整的探測、處理、實行系統(tǒng)。實驗套件可完成光、電、溫度、液位、位移等多種物理量的探測，可實現顯示和執(zhí)行等結果的輸出展示。本教學設計3人一組，在理論課堂之外3周時間內完成，課堂上進行成果展示[6]。

2.實驗課程實施方案。實驗教學中主要采取項目教學法，以學生為主體，鍛煉學生發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力，提高學生的實踐能力，培養(yǎng)學生的探究和創(chuàng)新精神。教師舉例描述五個現實問題，提出設計的基本要求和發(fā)揮要求，下面介紹其中兩個。（1）智能交通控制系統(tǒng)?；疽螅簩崿F一個十字路口使用的智能交通控制系統(tǒng)的基本功能，在一個方向的車道上根據區(qū)域車流量進行十字路口交通信號燈的持續(xù)時間控制；在緊急情況下，使用緊急按鍵使兩路口都為紅燈，并發(fā)出警報禁止普通車輛通行，讓緊急車輛通過后再恢復正常通行。發(fā)揮要求：在實現基本要求的基礎上考慮實現十字路口雙向的車流控制，以及采用更實用的車流量探測手段，實現真正可用于實際的交通控制系統(tǒng)。（2）自動溫度測控系統(tǒng)。基本要求：實現溫度測量、顯示、超溫報警等功能。發(fā)揮要求：在實現基本要求的基礎上考慮使用繼電器作為加熱或制冷設備的電源開關，實現真正的溫度自動調節(jié)。其他題目，如選用紅外探測器的“人體脈搏測量儀”，需要考慮應用場景的“地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)”等。

3.實驗課程實施效果。實驗課程設計收到10組課程設計，每組實驗中使用到2種或2種以上傳感器，設計均包括顯示模塊或執(zhí)行機構。（1）用于鐵路路口的交通信號燈。選擇超聲傳感器測距，三色發(fā)光二極管和數碼管顯示，蜂鳴器提示，步進電機帶動起落桿作為執(zhí)行機構。（2）密封環(huán)境溫度濕度調節(jié)。選擇溫度、濕度傳感器，發(fā)光二極管和數碼顯示，蜂鳴器報警，步進電機帶動風扇作為執(zhí)行結構，實現閉環(huán)控制。（3）超聲光控系統(tǒng)。選擇光敏電阻、超聲傳感器、發(fā)光二極管顯示、蜂鳴器報警。學生結合電子電路、數字電路、單片機、自動控制等課程知識，發(fā)揮自主學習能力，較好地完成了課程設計。

四、工程創(chuàng)新中的應用

本次實驗教學在大三上半學期開展，一些學生通過對傳感器的應用，對建立測控系統(tǒng)所需要的信息獲取、信息處理和執(zhí)行控制都有了體會。本院在大三下半學期開展了工程創(chuàng)新與設計課程，學生通過本次實驗教學的課程設計，對工程創(chuàng)新有了較大的幫助，在工程創(chuàng)新中使用該傳感器套件進行了設計，取得了較好的成績。

五、結語

通過對《現代傳感與探測技術》課程實驗教學的改革，加強學生發(fā)現問題、解決問題的能力，增強學生學習的自主能動性與興趣，綜合運用多門課程知識，學以致用，為學生今后的創(chuàng)新能力打下了基礎。

參考文獻：

[1]王孟祿，張大蔚.傳感器技術在創(chuàng)新實驗教學中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2014，（35）：170-171.

[2]李秀紅，李文輝，任家駿，龐蔭銘.新工科背景下“機械設計課程設計”教學改革[J].實驗科學與技術，2018，16（3）：132-134.

[3]郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應用[M].第四版.西安電子科技大學出版社，2014：1-5.

[4]劉瑩，祝學云，范文.檢測技術課程設計型實驗系統(tǒng)研制[J].實驗技術與管理，2015，32（6）：137-145.

[5]吳瓊水，張錚.《傳感器與控制》實驗教學改革探討[J].長江大學學報（自然科學版），2011，8（7）：125-126.

[6]王孟祿，任鳳竹.傳感器多層次實驗教學與創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索[J].實驗室科學，2013，16（2）：79-81.