面向应用型人才《测试原理与技术》课程的教学探讨＊

时间：2024-08-31

高全芹

(长沙大学机电工程系，湖南长沙 410003)

高全芹

(长沙大学机电工程系，湖南长沙 410003)

测试原理与技术课程具有传感器类型多、涉及的知识面广、实践性强的特点，在理论与实践教学中学生的学习主动性不高.本文结合教学现状及实践效果，提出了传统板书与多媒体l+1合理配合授课法、采用温故知新和启发式教学法以及任务驱动教学法.在实践教学中，突出应用型人才培养的需要，采用对学生思维的引导启发、虚拟实验与物理实验相结合与课堂学习与工程应用实践相结合的方法，使学生学习积极性、综合实践能力和创新能力得到极大的提高.

传感器;理论教学;实践教学;应用型人才;教学改革

《测试原理与技术》课程是工科学生特别是机械类专业的必修基础课程.随着计算机技术和信息技术的快速发展，越来越多的领域向自动化、智能化过渡.出现了诸如环境自动检测系统、自动化生产线、智能楼宇、智能交通等典型的以传感器检测信息为基础，计算机信息处理为手段的先进系统.新技术、新事务的迅猛发展为传感器与检测技术的发展提供了机遇，同时也为学生学习这门课程提出了挑战.首先，《测试原理与技术》课程涵盖知识点范围极为广泛，开始本课程学习需要学生具备的许多基础理论知识，如理论物理、高等数学、电磁学、电工学、信号与系统、光学、电化学等.其次，《测试原理与技术》为一门以工程应用为主的课程，课程本身涵盖的传感器知识点类别很多，如电感式传感器、电容式传感器、电磁传感器、霍尔传感器、化学传感器、光学传感器等.这些知识点之间联系并不紧密，所涉及的物理数学原理并不完全相同、甚至完全不相同.基于以上特点，授课时若不能掌握一定的技巧和方法，往往会造成老师疲于授课，学生一脸茫然的困境.针对目前的学生学习现状，为了更好地促进学生的学习积极性，适应应用型人才培养模式的要求，笔者通过总结多年的授课实践与经验，对测试原理与技术课程教学改革与实践提出了自己的见解［1，2］.

1 测试原理与技术理论的课堂教学探讨

测试原理与技术理论教学有以下几个特点:要求掌握的基础理论多;物理原理数学公式推导多;涉及知识面广;应用实践性强.学习本门课程前要求学生掌握信号与系统、复变函数及传递函数理论等基础知识.传感器敏感物理量原理公式推导时要求学生有坚实的数学基础和物理基础.传感器物理原理基于一系列近似假设基础之上，需要一定的技巧性，实践性强.因此，要想达到预期效果，满足应用型本科人才培养要求，授课时既要避免追求理论深入讲解而轻应用实践，又要避免轻理论而重应用.笔者结合多年的教学经验，针对课程理论公式推导多、讲解繁琐的特点，提出了传统板书与多媒体1+1合理配合的授课理念;针对课堂授课内容涉及知识面广的特点，提出了温故知新启发引导式教学方法;针对课程学习实践性强的特点，提出了任务驱动教学法.

1.1 传统板书与多媒体1+1合理配合授课法

在测试原理与技术这门课中，传感器的输入输出特性、工作原理与信号转换电路仍旧是我们理论教学的重点，但是在教学中如何激发学生的学习兴趣而且知识点又掌握的比较牢呢?那我们要解决的第一个关键问题就是如何激发学生对该课程的学习欲望，吸引学生的注意力.在理论教学中，对于理论性比较强的内容，例如工作原理及输入输出等内容时仅仅泛泛的讲会导致学生只知道原理或输入输出特性是这样，但不知道为什么是这样，不能突出我们授课的重点，多媒体效果并不好，稍有印象但不深刻.因此，在课堂教学中传感器的基本原理和比较复杂的公式部分可按传统方式边写边讲，对于传感器的结构、外形及电路原理图采用多媒体的图片和动画展示，吸引学生的注意，激发学生的学习热情.这样的传统加现代教学手段的辅助，经过实践验证，同学们学习的主动性明显增强，课堂气氛明显活跃.

1.2 温故知新启发引导式教学法

在学习新知识之前，复习一下相关知识，使学生轻松进入新知识的学习阶段，起到承上启下的作用.比如我们在学霍尔式传感器的时候，根据教学任务需要，引入在电路课程中已学的磁场方面的知识，使学生回忆原有经验.笔者在讲述霍尔传感器章节时采用了“温故知新启发引导式教学法”获得了良好的效果.先前在温习中主要述了洛伦兹力和电场力，通过启发式提问的方式探讨这两种力在霍尔效应中所起作用，使学生参与到问题的思考中来，从而引入到新知识的学习——“霍尔效应”，即霍尔传感器的工作原理.通过这种学习方法，学生更容易接收新知识，更能激发学生的学习兴趣.

启发式教学运用得当不仅能够激发学生学习兴趣，而且通过发散性思维启发，能够激发学生创造性思维，起到了“温故知新，抛砖引玉”的效果.笔者在讲授电阻应变式传感器章节时，先从一个日常生活中的水果电子称原理入手，分析电阻应变式传感器在该系统中的工作原理，剖析把重量转换成电信号的过程.同时要求同学们自己设计一种不同称重原理的电子秤，引导学生思考如何将重力变化引起敏感物理量的变化?如何将这一变化转换成电信号?后续的处理电路应该注意哪些环节?这种传感器的精度如何?局限性如何?带着解决问题的兴趣与疑问，学生便能够变被动为主动，积极参与到整个教学过程中来，心中的疑问随着教学内容的不断深入而得到解决，达到了很好的授课效果.

1.3 任务驱动教学法

任务驱动教学法与传统授课的课后作业不同，该方法着眼于课堂理论与生活实践的相互关联，结合授课内容，有针对性的对学生下达课后分组调研任务，并在接下来的课堂进行反馈追踪，以实际任务驱动学生完成理论知识的物化.

智能温度检测仪、智能烟雾报警器、智能探测障碍仪等传感器功能类型相似，笔者讲授完毕时，将学生分组，布置几个小的探讨题，要求学生利用相关的传感器网站和查阅相关的专业资料来了解智能传感器的工作原理并对其生产生活中的应用及其应用前景进行展望.要求把查到的相关资料做成电子报告形式，在课堂上适当的时候向同学们汇报讲解.汇报完毕之后教师点评，学生讨论.经过实践证明，同学们对待探讨题都很认真，查阅的资料也很丰富，总结PPT做得也十分漂亮.由于增加了点评这一环节，同学们除了关注本组内容，也很热心其他组的内容，竞争氛围浓厚，从而打破了传统教学的呆板形式，使课堂气氛相当活跃.通过阶段性的任务驱动法学习，让学生参与到课堂教学中，笔者发现同学们发现问题，分析问题，总结问题的能力大大提高，同学们的团队合作精神相对增强.经过一学期的实验性教学，通过调查问卷的形式，95%的同学都认为任务驱动法与课堂探讨法，增加了他们的学习兴趣，使他们自觉地将知识创造性地运用于实践;同时，激发了他们探问已知、探索新知、探求未知的勤奋好学的进取精神.

2 测试原理与技术课程实践教学的探讨

实践教学环节是测试原理与技术课程的另一重要环节，主要形式是与理论授课相对应的实验课程.实践教学旨在帮助学生进一步巩固课堂知识，并培养他们的工程意识和工程能力.传统的实验教学基本停留在验证基本原理的阶段，学生根据实验原理、实验步骤、操作方法、实验现象，被动地验证，机械地重复，缺乏主观能动性［3，4］.为了加强素质教育的力度，笔者在实践授课环节中有意识引导学生开展创新实验，并在优化基本型实验的基础上增加综合型及设计型实验，提高学生知识应用水平;同时积极推广虚拟实验理念，将虚拟实验与物理实验相结合，使学生对传感器物理原理本质理解体会更加深刻;此外笔者常常会把工业界遇到的检测难题介绍给学生，鼓励他们积极参与工程实践和设计竞赛，极大鼓舞了他们的学习热情.

2.1 注重实验课对学生的引导

实验课是验证理论、应用理论、锻炼学生动手能力与培养团队精神的重要实践环节.根据教学大纲我们开设了八个课时实验，实验指导过程中，鼓励学生自己探索、自己动手，注意观察实验现象，不断发现问题，培养分析问题与解决问题的能力，例如在差动变压器的实验中，有些学生测出的输入输出特性曲线并不是呈绝对线性的，这时候就可以试着让学生思考是什么原因导致这样的结果呢?在实践中可以通过哪些方法来校正这些非线性来提高测量精度呢?通过这些问题的提出与深入，学生即验证了传感器的理论巩固了所学的知识，又培养了学生发散思维的能力，从而使学生解决实际问题的能力大大提高.

2.2 虚拟实验与物理实验相结合

虚拟实验是指近年来随着计算机技术发展而迅速普及的一种教学实验形式，它是传统物理实验的有益和必要的补充.目前虚拟实验大多借助Multisim电路仿真软件、LabView软件平台、Matlab数字仿真平台等软件工具，针对所验证的原理知识设置相应的实验课程.例如，传感器微弱信号检测中通常用到琐相环电路，对于该类实验课程设置上，采用传统物理实验受传感器灵敏度、电源噪声等因素影响，效果不太好.引入虚拟实验后，学生可以很直观的观察琐相环电路对微弱信号检测效果，加深了理解.此外，虚拟实验课程设置还具有灵活、直观、安全等特点.笔者通过LabView等软件建立虚拟的人机交互界面，利用现有的物理实验平台传感器通过前置调理电路，由数据采集卡输入计算机的虚拟仪器中，完成了传感器数据的分析处理与动态显示，既降低实验维护成本，又达到了很好的实验效果，深受学生欢迎.

2.3 课堂学习与工程应用实践相结合

“学以致用”是学习的最高境界.测试原理与技术课程是实践性很强的学科，把课堂知识与工程应用实践结合起来不仅能够强化课堂授课效果，而且还能激发学生的创造性思维.笔者在传授电容式传感器章节内容时，将工程中动态倾角测量难题介绍给了学生，鼓励他们利用所学知识，提出自己的解决方案.学生积极响应，提出了许多创造性的设计方案，获得了很好的教学效果.此外，鼓励学生积极参加大学生创新大赛，将课堂授课知识用于往届大学生创新竞赛题目设计中来，使学生切身体会到目前所学的确可以解决实际工程问题，能够极大提升他们的学习热情，获得到很好的授课效果.