传感器与检测技术课程教学中的难题与对策.doc

1、1传感器与检测技术课程教学中的难题与对策长江大学 孙传友传感器与检测技术（又简称感测技术）课程是高等学校很多专业都开设的技术基础课或专业基础课。本人连续 15 年给多个本科专业主讲（兼辅导）传感器与检测技术整个课程。在长期教学实践过程中不断研究探索，破解传感器与检测技术课程教学中的一个个难题，将这门教师感到难教、学生感到难学的老大难课程，建设成学生评价“最好学、最有收获”的省级精品课程。我将自己多年的研究成果和教学经验先后编写成感测技术基础 （电子工业出版社出版） 、 感测技术与系统设计 （科学出版社出版） 、 现代检测技术及仪表（高等教育出版社出版） ，深受读者欢迎和专家好评。“理解难”的原

2、因与对策早期的传感器或检测技术教材大多偏重于传感器的理论分析和设计，这对当初推行“精英教育”的大学教学是适合的。大学扩招后， “精英教育”转向为“大众教育” 。按照新的“专业规范” ，高等学校一般分为研究型和应用型（或技术型）两大类。教育部直属的重点大学一般为研究型，其他的普通高校大多定位于应用型（或技术型） 。应用型普通高校的学生基础不同于研究型重点大学，学习传感器的理论分析和设计所需要的相关基础知识比较缺乏或薄弱，学生对传感器理论分析和设计等内容必然感到很难理解。更重要的是，应用型普通高校的培养目标不同于研究型重点大学，学生学习传感器与检测技术目的不是学会“设计”传感器，而是学会“应用”传

3、感器进行非电量的检测。学生对传感器理论分析和设计等内容感到学非所用，自然缺乏学习兴趣，教师讲课也就很费劲。这是本人刚接手传感器课程教学时，遇到的第一个难题。产生这个难题的原因就是当时没找到合适的教材。为了解决这个难题，本人在研究现有传感器与检测技术教材内容的基础上，着手编写适合于培养应用型人才的普通高校的新教材现代检测技术及仪表 。该教材采取了如下解决“理解难”的办法：1、将教学内容重点从“传感器设计”转向“传感器应用”该教材不是从传感器“设计” 的角度重点研究传感器“内部”的理论设计和制造工艺，而是从传感器的 “应用 ” 即实现非电量检测的角度，简要阐述传感器的基本原理，重点研究传感器的“外

4、部”连接：传感器与后续电路的连接（即传感器后端的测量电路和仪表电路） 、传感器与被测对象的连接（即传感器前端的敏感器） 。由于学习这些内容只需要一定的电路基础和科学常识，学生容易理解，而且学习这些内容可使学生知道怎样用传感器进行常见非电量的检测，容易激发学生的学习兴趣。由于实际工作中， “应用”传感器的人比“设计”传感器的人多得多，应用型高校学生比研究型高校学生多得多，因此，该教材将内容重点转移后，能适应更多读者的需要。2、避免深奥的理论分析和繁琐的公式推导该教材对一些涉及传感器理论的公式，只是直接引用，不进行深奥的理论分析和繁琐的公式推导；对一些涉及传感器应用电路的公式，如差动变压器输出电压

5、公式、光栅传感器公式、感应同步器公式、压电传感器接口电路公式、振动传感器输出电压公式等等，该教材不是沿用多数传感器教材的比较深奥或繁琐的推导方法，而是诱导学生应用过去已学过的知识，改用简单明了的方法进行推导。这样既降低了教材的深度和难度，使学生感到教材通俗易懂便于自学，也帮助学生复习巩固过去学过的知识，使学生尝到运用学过的知识解决实际问题的甜头，从而进一步激发了学生学习的兴趣和积极性。因此，采用该教2材教学，学生感到很容易理解而且很有收获。3、增编例题和习题的详细解答现有的很多传感器与检测技术教材，都没有例题，也没有习题解答，给教师教学和学生自学都带来一定的困难。为了解决这个问题， 现代检测技

6、术及仪表第 2 版增编了相应的例题，而且将全部习题的详细解答发布到“百度” 、 “新浪” 、 “豆丁”等门户网站上。这样，既不增加学生购买教材的经济负担，也极大地方便了老师教学和学生自学。“记忆难”的原因与对策传统的“传感器”或“传感器技术”教材一般是按传感器的原理分类进行讲解，而“检测技术”或“自动检测技术”教材则一般是按被测非电量分类进行讲解。由于非电量的种类很多，传感器的种类也很多，而且各自独立互不关联；又由于每种传感器可测量多种非电量，而每种非电量又可用多种传感器进行测量，纵横交错互相组合，使每一种传感器又派生出好多种传感器。例如电容式位移传感器、电容式厚度传感器、电容式液位传感器、电

7、容式压力传感器、电容式加速度传感器、电容式荷重传感器等等，因此，常常使学生感到传感器或检测技术教材内容太多太杂，没有联系没有头绪没有规律，很难记忆和掌握。这是本人刚接手传感器课程教学时，遇到的第二个难题。产生这个难题的原因也是当时没找到合适的教材。为了解决这个难题，本人在新教材现代检测技术及仪表中，采取如下办法：1、只介绍物理型传感器，不介绍生物型传感器和化学型传感器。传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。传感器与检测技术教材不同于“大而全”的传感器技术手册 ，教材受一定的专业适应面和学时数的限制，不必要也不可能对这三大类传

8、感器全都加以详细介绍。新教材现代检测技术及仪表只介绍工农业生产、国防建设、日常生活及现代测控领域最常用的物理型传感器，不介绍化工、医药、环境保护等专业所需要的生物型传感器和化学型传感器。、归纳共性和总结规律，化“多而繁”为“少而简” 。该教材第 37 章，把输出量或原理有共性的传感器归并成一类，把几十种常见物理型传感器归并成阻抗型传感器、电压型传感器、半导体传感器、数字式传感器、新型传感器五类。这样编排，既便于学生理解传感器的原理，又便于学生掌握同一类传感器可共用的接口电路。该教材第 811 章，把十几种常见非电量归并成几何量、机械量、热工量、成分与含量四类。该教材不像传统的传感器教材那样，在

9、讲完每一种传感器后就列举该传感器的应用，而是把传感器的应用实例按被测量分类，集中放到非电量电测法的相应章节。例如传统的传感器教材在介绍磁电式传感器、电容式传感器、电涡流式传感器、霍尔传感器、光电传感器等等传感器时，都列举了它们测量机械转速方面的应用实例，但都只是定性地简单介绍，没有计算公式，也没有必需的测量电路。该教材则是把这些应用实例集中起来放在 9.1.2 节，从中归纳总结出各种转速传感器共同的计算公式，并给出了各种转速传感器共用的两种测量电路方案及其计算公式。这样把同一种非电量的多种测量方法归并在一起，既便于学生掌握同一非电量多种测量方法的共同点和规律，又便于理解它们的不同点，以开拓学生

10、的思维。非电量的种类很多，每种非电量又都有多种不同型号的检测仪表，因此检测仪表产品的种类型号是很多很多的。从“硬件”方面来看，如果把常见的各类仪器仪表产品“化整为零”地解剖开来，我们会发现它们内部组成框图和功能模块大多是相同的。从“软件”方面来看，如果把各个模块“化零为整”地组装起来，我们会发现它们的整机原理、总体3设计思想、主要的软件算法也是大体相近的。这就是说，常见的各类仪器仪表产品尽管用途、名称型号、性能各不相同，但它们有很多的共性，而且共性和个性相比，共性是主要的。各种检测仪表产品的差别仅在于仪表的前端所使用的传感器和测量方法不同、各功能模块实现的具体电路不同。传感器以后的仪器部分却是

11、基本上相同的。该教材第 1214 章，按终端部分的不同，把几百种常规检测仪表产品归纳为模拟式仪表、数字式仪表、微机化仪表三类，并依次介绍三类仪表的总体设计和共性技术（仪表显示技术、调零技术、调满度技术、量程切换技术、标度变换技术、非线性校正技术、环境及温度误差校正技术等等） 。教材中给出了很多具体的应用实例，尤其对最常见的模拟式万用表、数字式万用表、智能万用表进行了较为详尽的剖析。三类仪表这样前后联系对比地介绍，既便于学生掌握各类常规检测仪表的总体设计和共性技术，又便于学生理解检测仪表的发展方向和规律。“应用难”的原因与对策应用型普通高校的学生学习传感器与检测技术的目的不是“设计”传感器，而是

12、学会“应用”传感器即进行非电量的检测。然而实际情况是，很多学生学完这门课程后，仅仅知道“可以用”传感器来进行非电量的检测，但并不知道“怎样用”传感器来进行非电量的检测。这是本人刚接手传感器课程教学时，遇到的第三个难题。产生这个难题的原因仍然还是当时没找到合适的教材。因为国内出版传感器与检测技术的教材很多，出版检测技术及仪表的教材很少。前者基本上都是介绍传感器的原理和非电量的电测方法，后者虽然也分类介绍各种温度计、压力计、流量计、液位计等等，但也是只介绍这些仪表的电测方法和使用的传感器，二者都不介绍传感器后面的仪器电路及其共性技术。实际上，要学会“应用”传感器进行非电量的检测，光学习传感器的知识

13、是不够的，还需要学会解决两个问题：一是传感器前端如何与被测对象连接，即如何将被测非电量转换成传感器所能转换的非电量；二是传感器后端如何与显示仪表连接，即如何将传感器转换成的电量用仪表显示出来，从而得到非电量的测量值。这两个问题归结成一个问题，就是如何以传感器为核心构成一个完整的检测仪表。显而易见，检测仪表才是人们从事检测工作的手段和工具，传感器只不过是检测仪表的一个组成部分而已。为了解决上述两个问题，新教材现代检测技术及仪表在第 37 章介绍传感器原理后，第 811 章常见非电量电测法就介绍如何将被测非电量转换成传感器所能转换的非电量，第 1214 章就分别介绍三种常规检测仪表（模拟式仪表、数

14、字式仪表、微机化仪表）的总体设计和共性技术。该教材的教学目标就是要教学生如何以传感器为核心构成一个完整的检测仪表，也就是让学生真正学会“怎样用” 传感器来进行非电量的检测。该教材把“将非电量转换成电量的器件或装置”称为“传感器” ，独创地把“将被测非电量转换成可用非电量的器件或装置”称为“敏感器” 。第 811 章反复举例说明，当被测非电量不是传感器所能转换的非电量（称“可用非电量” ）时，可选用或设计一个或多个“敏感器”将被测非电量转换成传感器所能转换的非电量。采用适当的敏感器配接适当的传感器，就可将被测非电量转换成电量。例如在 9.3 节，先介绍把力转换成位移或应变的弹性元件即“力敏感器”

15、 ，然后举出多个实例，说明怎样用这些敏感器配接学过的位移传感器或应变传感器实现力与荷重的电测量。又例如在 9.2 节，先导出由质量块 M、弹性体K、阻尼器 C 构成的绝对振动敏感器的输入输出特性，然后介绍以它作为将绝对振动转换成相对振动的敏感器，配接位移传感器、磁电传感器、涡流传感器等实现振动测量的多种方法。并推导出相应的计算公式，还编写了相应的例题解答和习题解答。学生全面深入的理解和掌握测量振动的各种方法的共性和规律后，触类旁通举一反三，很容易思考、联想出书上没有介绍过的其他用传感器测量振动的方法。4检测仪表产品很多很多，但基本上都由敏感器、传感器和仪表电路等“模块”构成。按照数学上排列组合

16、的理论，M 种敏感器、N 种传感器和种仪表电路的排列组合最多可产生出 MN种非电量检测仪表产品。但是， （M+N+3）却远远小于 MN。因此该教材不是逐个介绍一个个具体的检测仪表产品，而是介绍组成仪表产品常见的敏感器、传感器和仪表电路。我们相信，学生只要学习和掌握了这（M+N+3）种“模块” ，今后根据特定的检测任务要求，将这些“模块”恰当的组合一起，再引入一些新器件和新技术，就能创新设计出自己的检测方案或仪表产品。现代检测技术及仪表将传感器原理、非电量电测法和常用仪表电路的主要内容有机地整合为一门课程。近几年，很多学生在学完这门课后，创新思维大受启发，纷纷在大学生科技文化节上发表检测方面的小

17、论文并获得学校奖励，有的还在全国大学生电子大赛中获奖，有的学生论文还在国家刊物上发表。这是过去采用其他传感器与检测技术教材未曾达到过的教学效果。“逃课”的原因与对策目前大学课堂教学中， “逃课”的现象比较普遍，几乎是困扰每门课程任课教师的“老大难”问题。本人刚接手传感器与检测技术课程教学时，也同样遇到过这个难题。一般来说，学生“逃课”有以下几种原因：1、自律能力差，晚上迷恋于上网和电脑游戏，白天上课起不来；2、对课程不感兴趣或感到听不懂不如不听；3、课堂管理不严，逃课不易发现，而且课堂秩序也比较乱。为了解决这个“老大难”问题，我多年来摸索出两个有效的办法。1、 强化课堂管理，深化师生之情我每学

18、期刚开始给新班级上课时，都先让学生自己选定座位，然后把学生选好的座位排成座位表，要求学生今后每次上课都固定地坐先前自己选定的座位，不要坐别人的座位。明确宣布：每次课老师都按这个座位表严格考勤和考查，而且课堂出勤和表现情况都将计入平时成绩；因故不能上课者要在上课前交请假条，无故旷课者，第一次老师约谈，第 2次开始扣分；上课说话老师点名制止，上课打瞌睡老师及时叫醒。这样强化课堂管理后，基本上消灭了逃课的现象。加上我讲课又特别吸引学生，课堂上几乎没有人睡觉、说话，大家都专心听讲，学习氛围十分好。因此，绝大多数同学都主张其他课也推广我的做法。很多老师上课，一般都叫不出学生的名字。老师不认识自己的学生，

19、这不仅使学生感到大学师生关系很淡漠，而且也使一些不好好学习的同学得不到及时的发现和帮助，以致在考场作弊。每学期刚开始给新班级上课时，上课前我总是拿着学生座位表背记每个学生的相貌和名字，不用几周就把所教学生的相貌和名字全都记住了。我认识学生后，不仅加深了师生感情，使课堂秩序根本好转，而且使我能及时地全面地了解每个学生平时的学习情况，真正做到心中有数因材施教。对一些平时不好好学习的同学，我及时找去谈心和答疑，对成绩好的同学鼓励指导他们开展研究性学习。考试时学生的座位也是根据学生平时学习情况精心安排。这样，就有效地避免了学生逃课和考试作弊的现象。学生中独生子女多，自律能力差，加上学校周边的网吧特别多

20、，学生周围的各种诱惑很多，任课教师如果不加强课堂管理，就会使很多学生的学业被荒废。课堂“讲课”是“教育” ，课堂“管理”也是“教育” 。我常常想，学生父母把他们的孩子送到学校，把他们的血汗钱交到学校，学校的老师如果不能把学生管好教好，致使他们毕业后找不到工作，那就是“误人子弟” ，我们就对不起学生家长，对不起人民。因此，我总是要求自己，对学生要像父母对孩子一样高度负责任，像朋友对朋友一样真诚和热情。要以师生真情感化学生不辜负父母荒废青春，有效地激励和督促学生刻苦学习奋进成才。52、采用“共鸣式”教学法，恰当运用现代教学手段最简单的讲课方式就是老师“一言堂” 。老师从上课一直讲到下课，学生只是被

21、动地听和抄黑板，这种满堂灌的方式常常使学生“囫囵吞枣”不能消化。我上课时则采用“激发兴趣诱导思维师生共鸣”三步曲教学法，课堂上不断地提出一些学生经过思考能很快回答的新问题，由浅入深、循序渐进地诱导学生的思维，让学生跟着老师指引的思路，自己探索出解决问题的途径，自己说出老师想说出的结论，从而达到学生与老师“共鸣”的境界。因此，我把这种教学法称为“共鸣式”教学法。为了有效地采用“共鸣式”教学法，我每次上课前都反复精心备课，把讲课内容融会贯通倒背如流。讲课的重点难点、课堂上让学生思考的问题及先后顺序都事先准备好，讲课就能得心应手有条不紊一气呵成。多媒体教学普及推广后，一些任课教师出现了完全取消黑板板

22、书的倾向，他们甚至把教材内容整段地在课堂上放映，照本宣科，与学生没有任何互动和交流，使很多学生叫苦不迭怨声载道。我上课则采用“现代”与“传统”相结合的方法，课堂上只放映动画和插图，必要的推导和重点标注依然采用板书，以便与学生互动和交流。为倡导这种教学方法和手段，我们将动画和插图编成“CAI 课件” ，将老师的讲课提纲编成“电子教案” ，并发布到与该教材配套的教学网站上。希望老师们在课堂上只放映“CAI 课件” ，不要放映“电子教案”！“电子教案”可作为老师的讲课提纲，也可提供给学生下载作为听课笔记和复习提纲。这样，既避免老师在黑板上画图影响讲课，避免学生在课堂上记笔记影响听课，又能保证学生与老

23、师有充分的时间和条件彼此互动和双向交流。这种教学方法和手段深受学生欢迎和好评。 结束语本人根据自己多年的研究成果和教学经验编写的教材现代检测技术及仪表 ，于2006 年 5 月由高等教育出版社作为“教育科学十五国家规划课题研究成果”出版。该教材内容具有“全而新”的特点，突出教学内容和课程体系的改革，注重归纳共性和总结规律，启发和引导学生的创新思维。既通俗易懂，又简明实用。该教材的上述特色受到同行专家和广大师生的好评。目前，该书第 1 版累计已印刷 7 次，有数十所高校选用该书作教材。2012 年 2 月出版的现代检测技术及仪表第 2 版，在保持第 1 版的特色和体系基本不变的前提下，根据任课教

24、师的建议和作者自己的教学经验及研究成果，对第 1 版的内容进行了修订，并增编了例题和习题的详细解答。此外，作者还建立了与该教材配套的教学网站，编写了与该教材配套的 CAI 课件、电子教案、实验指导、例题汇集、试题汇集等教辅资料，还收集整理了应用实例、双语教学、论文选读、参考图书、产品说明以及学生学习本课程后发表的论文和作品等大量参考资料。所有这些资料都全部挂在该教学网站上，供师生和读者免费下载。现代检测技术及仪表教材是作者对传感器与检测技术的教学内容和课程体系进行改革的尝试。由于作者水平有限，缺点和错误在所难免，恳请各位专家和读者批评指正（作者邮箱：） 。索取该教材样书可与高等教育出版社韩颖编辑（电话：010 58581370）联系。