《传感系统设计课程教学体系和实践》
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摘 要：该论文探讨了传感系统设计课程的现状及背景,通过结合作者的教学经验,对该课程进行教学改革与探索.根据该专业的特点和教学目的,分析了教学中存在的问题,并将传感系统设计的基本知识技能和工程应用实例有机融合.进一步分析了课程改革的有效办法,通过课程设计和开发考核的方式,实现了以工程实践和应用为推进手段的课程教学改革.
关键词：传感系统 教学改革 工程实践 课程设计
中图分类号：G642文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）01（a）-0110-03
目前世界上大多数国家均高度重视传感系统及相关网络的发展,甚至将其纳入战略性产业振兴计划当中,而传感网络在中國得到了广泛的应用,发展传感网络也被逐步纳入我国“十二五”规划纲要中.广东省是国内传感产业起步较晚的地区,但也已经形成以深圳为核心,广州和东莞为支撑的传感器产业链.对从事传感系统和网络相关专业的职业技能人才需求比重逐年上升,这就为电子信息、电气工程等专业人才提供了大量新的就业岗位[1].同时,在今天信息时代,各种控制系统对自动化程度、复杂性以及环境适应性（如高温、高速、地下、海洋等）的要求越来越高, 需要获取的信息量也越来越多,它不仅对传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了更高的要求,而且对传感系统的总体方案设计也提出了新的要求.
为了适应社会对传感专业人才的迫切需求,巩固和加深学生对传感器技术的理解,笔者所在学校开设了诸多传感器实验教学和专业课程.其中传感系统设计作为一门多学科交叉、综合性强、实践性强的专业限选课程,其教学目的是通过对传感器系统的设计、参数计算、实验和调试,使学生对传感器技术的基础知识、传感器器件的合理选用、小型传感器系统的设计、调试等内容有一个全面的感性及理性认识,掌握传感器技术的基本应用.但是由于传感器方面知识零碎、元件选型等相关内容分散,学生学起来枯燥乏味,教师教起来也很艰难.为了培养符合传感产业职业需要的人才,大多数院校都在进行这门课程的教学改革.尽管在该课程之前,学生已修过应用微电子材料与器件、模拟电子技术基础、传感原理、信号与系统、光电检测与光电传感器、单片机应用技术等与传感器等方面的基础知识,但缺少综合应用多门课程知识的能力,特别在独立工作和知识创新上缺少应有的经验,难以综合运用专业知识进行系统设计,解决实际工程技术问题.因此该课程应该培养综合运用相关课程所学专业知识的能力,提高学生查阅元件手册及文献资料的能力,并学会通过实际传感器系统的分析设计,建立工程设计的基本概念和方法.更为重要的是通过实际电路方案的分析比较,设计计算,元件选择,初步掌握简单传感器电路的分析方法和工程设计方法,并要求编写课程设计报告书,能正确阐述和分析设计结果,为从事仪器系统开发与设计打下基础.
1 传感系统设计教学现状分析
当前,传感课程系统设计教学存在的问题大致可以概括为以下几个方面.
1.1 教材内容与课程目标无法有机结合
该课程涵盖电子学、传感器和电路等学科的基础知识,涉及到传感器的理论基础、光电特性、典型传感技术和传感器的应用基础的结构及设计方法等方面,内容非常宽广.但现有传感系统设计教材的内容普遍过于片面,如林玉池等编著的《现代传感技术与系统》涉及过多光学和网络信息方向[2],吴松林等编著的《传感器与测试技术》偏重光电仪器的探测部分为主[3],（日）松井邦彦编著的《传感器应用技巧141例》侧重于设计应用举例[4],不能对传感系统设计有全面的感性及理性认识、也很难全面掌握传感器技术的基本应用方法.要想达到对小型传感器系统的设计、调试等内容有一个全面的感性及理性认识的课程目标,需要巩固和加深对传感器技术的理解,提高综合运用本课程及相关课程所学专业知识的能力.因此课程的教学需要克服上述缺陷,加深学生对传感器系统相关理论知识的理解,是“传感系统设计”课程的首要任务.
1.2 教学内容与学生兴趣不匹配
传感器是物联功能的前提,随着物联网技术的高速发展,当前传感器技术已经成为科技和产业领域的热点,各种传感器技术发展非常迅速.目前传感器课程的理论教学内容相对陈旧,新的传感器技术和发展涉及较少;实践教学内容只涉及基础验证性实验,与工程应用联系不够,缺少综合性的应用实例,尤其是以老式的电子产品应用为背景的实例,不能很好地为该专业岗位群服务[5].现代教学模式的发展趋势是重视教学活动中学生的主体性,重视学生对教学的参与,根据教学的需要合理设计丰富的教学方法和手段,提高学生学习的积极性,锻炼学生的自主学习和创新能力,成为当前传感器课程教学中亟需解决的问题.
1.3 传统的教学及考核与课程需求不匹配
虽然“传感课程设计”这门课程注重综合利用学生所学传感器知识完成一个传感器应用系统设计以及实际问题的解决,但是现有的教学模式以讲授原理为主,学生见不到传感元件的实物,缺乏对参量的感性认识,相似的传感、放大和检测电路介绍让学生觉得枯燥乏味[6].此外,该课程以往是以闭卷考试的方式进行考核,侧重对书本原理的考察,并未锻炼学生收集和归纳相关资料的能力,也无法培养其提出解决问题的能力.因此根据需求设计出一套可以为该专业岗位群服务的传感系统课程目标,成为传感器课程教学中急需解决的关键问题.
2 教学改革与探索
由于本科院校在传感网人才培养方面面临新模式探索的挑战,核心是通过课内和课外相结合,使学生掌握不同种类传感器的使用方法和设计要点的基本技能,其最终目标是使学生具备从事传感网络产业相关职业所必须的实际能力.这就对“传感系统设计”的教学提出了更高的要求.所以结合笔者所在地方一本学校的实际情况,从传感专业的16级开始,在教材内容、教学体系模式和考核方式3个方面对该课程的教学改革方案进行了讨论和分析,目的是使该课程满足培养知识、能力、素质和谐发展的高素质应用型本科人才的需求.
2.1 促进教材内容与课程目标的有机融合
该课程以各类传感器的性能测试、实际应用设计为线索,需要学生完成磁敏传感器、温度传感器、光电传感器、应变传感器、电感传感器、电容传感器、压电传感器、光纤传感器、温湿度传感器、智能传感器等基本型传感系统的设计内容.由于该课程具有系统性、综合性的特点,所以笔者在教学中观察到学生容易限制在某一种独立功能的传感器知识中,而且现有教材内容也是侧重点不同[2-4].
在教材与教学内容方面,以传感器系统设计环节之间的相互联系为出发点,科学组织教学内容.该课程主要以《传感器应用技巧141例》[4]为教材.学习的范围涉及了从前端芯片到后端系统的整个过程：（1）從芯片和材料：如硅基的传感器,涉及半导体物理和材料特性.同时半导体封装很关键.（2）传感器元件：选型后可以制作传感器的模块,根据传感器的不同类型,设计合理的信号处理电路,包括信号的采集、放大、滤波、温度补偿、零点校准等.在教学过程中提供尽可能多的芯片供学生选择,需要的知识就是电路分析,模拟电路等,需要提醒学生多看芯片手册.（3）传感器模块：目前很多开发板都可以配备传感器模块,包括各种处理电路,推荐学生使用Arduino模块.（4）传感器系统：由于单个传感器没法称为传感器系统,既然叫系统了就需要多个传感器配合采集各种信号,通过计算程序把信号进行综合,这部分软件的成份比较大,包括一些传感器数据融合算法等.通过自顶向下、从后端到前端的设计流程分析,最终让学生的学习达到融会贯通的效果.
2.2 创新教学方法及考核方式
通过优化教学方法,调动学生的积极性,让学生主动参与课堂的教学,提高学生的学习兴趣同时活跃课堂气氛.在调动积极性方面,要求学生收集和归纳相关资料提出解决问题的具体方法,独立完成设计任务,树立严谨的作风,独立思考,勇于创新,按时完成设计任务,并按课程设计撰写规范要求撰写设计报告.而在优化教学方法方面不能采用传统的自底向上式的教学方法,以往的课程教学通常都是采用先讲传感器“原理”,其次传感器“结构”,最后传感器“应用”的平铺直叙的模式.传感器型号繁多,要达到应用的水平需要在教学中应该从生活中实际应用出发,然后通过提出问题的方式,来激发学生兴趣.使学生带着疑问学习传感器的测量电路、结构和原理,如在设计传感系统之前要提出类似问题：“理清整个系统要测什么参数?”“搞清传感器要在什么范围内测量?”“需要传感器输出什么类型的信号?”“需要传感器信号,达到怎样的分辨力和多高的准确度?”“在课程中考核传感器材料和被测物是不是兼容”等.通过这些问题的提出和解决最终让学生的学习达到水到渠成的效果.
2.3 传统的教学及考核与课程需求不匹配
以往考核通常采用闭卷考试的方式,这对单纯的理论知识的考查非常有效.但由于这种传统的教学及考核与本课程需求不匹配,需创新考核方式,以提高应用型课程的成效性.从信息技术的角度来看,传感器是获取和转换信息的一种工具,这些信息包括电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量、湿度、浓度、成分等.传感器的核心部件是敏感元件,它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件.所以有关上述信息都可以作为选题来开展以小论文为形式的课程考核.选题要求方面基于元件、成本、可操作性考虑,选择在实验室现有的开发装置上操作,选取磁、光、温度、电容、电阻方面的传感器的应用.设计电路,正确地进行连线,并进行安装调试,实现参考选题中要求及技术指标.要求按设计要求制订方案,直至正确地实现系统功能;最后写出课程设计报告.因此,笔者对该课程的考核方式进行改革与探索,以开卷考试+课程设计报告的形式检验教学效果.在课程设计的内容方面主要考查学生的工程应用和动手能力,需要学生理解设计方案后再动手正确联线、构成硬件电路,通过独立调试实现设计方案,如温度监控装置、光电越限报警器、产品计数器、自动供水装置、布料厚度测量装置、路灯控制器和热敏电阻制作电子温控器.
3 结语
在“传感系统设计”课程的改革中,针对目前存在的问题,从有促进教材内容与课程目标的有机融合、创新教学方法及考核方式、传统的教学及考核与课程需求不匹配等方面进行了探索.通过设计环节之间的相互联系为出发点,科学组织教学内容、优化教学方法、调动学生的积极性和创新考核等多种方式切实的改善了教学效果,达到了教学目的,为学生从事仪器系统开发与设计打下基础.希望我们的教学改革经验对传感器相关课程的教师与学生有所裨益.
参考文献
[1] 佚名.校企协同培养电气类创新型工程人才模式探索[J].大学教育,2019（5）：35-38.
[2] 林玉池,曾周末.现代传感技术与系统[M].北京：机械工业出版社,2009.
[3] 吴松林.传感器与测试技术[M].北京：北京理工大学出版社,2009.
[4] 松井邦彦.传感器应用技巧141例[M].北京：科学出版社,2006.
[5] 曹原,曹婷.传感与检测技术课程教学改革探索[J].教育教学论坛,2018（5）：117-118.
[6] 王超.“传感网络原理及应用”课程教学改革研究与探索[J].黑龙江科学,2018（7）：6-7.
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系统设计引用文献:
[1] 最新超市管理系统设计论文选题参考 超市管理系统设计论文题目选什么比较好
[2] 优秀计算机控制系统设计论文选题 计算机控制系统设计论文题目怎样定
[3] 经典信息系统设计论文题目 信息系统设计毕业论文题目如何定
