综合案例设计在传感器与测试技术课程教学中的

0 引言

传感器是信息捕获的主要工具，在工业和日常生活中的重要性已被人们广泛认可。作为测控系统的最前端和对象信息的入口，国内外众多工科高校都相继开设了传感器相关的课程。为了拓宽工科人才的专业面，“传感器与测试技术”课程将传感器知识与测试知识有机的结合，能够适应测控系统开发和应用的需求。特别是在大数据、物联网、工业4.0等新兴技术浪潮的推动下，随着教育部新工科人才培养体系的推进，“传感器与测试技术”课程在“通专融合、跨界培养”为主要特征的培养新模式中必然起到重要的作用[1]。

为此，面向专业背景以力学、结构设计为主的学生，南京航空航天大学航空学院为飞行器设计与工程专业的本科生开设了专业必修课“传感器与测试技术”。该课程选择高等教育出版社的《传感器与检测技术》为教材，涉及内容包括：传感器与检测技术的概念、传感器特征以及不同种类的传感器原理等[2]。课程内容丰富、全面、具有一定的广度。尤其对具有航空航天特色的我校飞行器设计与工程专业，更是集机械工程、振动工程、航空工程等应用实践知识于一体。

然而，对于“传感器与测试技术”课程，非电类专业的本科生所学的基础知识有限，如“信号与线性系统”等课程未列入必修，在课时有限的情况下，如何解决学生基本原理不清甚至概念错误的问题是本门课程面临的重要难题。因此，将众多零散的知识点进行整合，提炼课程核心主线是教学过程中的重要环节。与此同时，为解决学生直观印象缺失，理解和学习不够深入的现象，若能借助综合案例—如具体传感器的设计，在课堂上增加学生的参与度，使其直观地接触到不同学科知识交叉应用的过程，就可以帮助他们高效地理解传感器及其测量原理，解决上述的教学困难。

本文结合笔者对“传感器与测试技术”课程的理解和教学经验，探讨课程教学中对不同类型传感器知识体系的凝练方法，以典型综合案例的分析对不同学科知识进行交叉应用给于介绍，最后分析了学生对综合问题的解决能力。

1 课程内容体系

1.1 基本构成

课程紧密围绕传感器技术，要求学生通过本课程的学习，掌握传感器工作原理、典型传感器输出特性以及测试技术的基本概念。从授课内容上看，“杂”是课程的一大特点，体现在：

(1)涉及学科种类“杂”，包含机械学科、电类学科、材料学科的基础知识。因此，每一处介绍都需要进行大量的基础知识补充，否则学生很难掌握到位。

(2)章节分类“杂”，各类传感器工作原理不同，测量电路种类繁多。每一章的讲解都是新的开始，难以激发学生对传感器知识持续的兴趣，已授知识易被学生遗忘。

(3)应用背景“杂”，每种传感器都有各自应用的场合，部分传感器测量对象又相互重叠。这使得学生在掌握传感器应用时，容易混淆、遗漏。

为了在有限的课时中，将涉及学科交叉的内容变“杂”为“简”，为学生在未来使用传感器的过程中提供理论知识基础，很有必要对传感器知识体系进行凝练[3]。

1.2 知识主线

由于涉及的内容分支众多，本课程选择的构架，即“一个核心(传感系统的基本构成)，两个基础(传感器的静、动态特性)，三个重点(传感器的原理、转换电路和应用)”。

首先，所有不同类型的传感器都以统一的传感系统基本构成进行梳理，如图1所示。以电容式传感器中的加速度测量为例，被测量为结构的加速度。通过带有末端质量的悬臂梁结构，加速度被转换成为可以被测量的极板间距的变化。根据电容的物理概念和计算公式，两个极板形成的电容成为敏感单元，将极板间距的变化量以电容值变化(电学量)的形式进行输出。由于电容值本身变化量小，难以直接获取等问题，需要引入转换电路(相敏检波电路)进行后续的测量。类似的，不同种类的传感器都可以用这一核心架构进行讲解，便于学生在不同的章节找到共通的思路，引发对前叙知识的回忆。

图1 各类传感器的基本架构

其次，每个分散的传感器独立章节按三个重点的顺序进行讲解。用物理现象引出传感器的工作原理和输出特性(两个基础)，如线性度、稳定性等[4, 5]。利用横向比较的方式，突出每一类传感器的使用优势。对比的过程中，串联了独立章节的知识点，及时地帮助同学抓住传感器自身的特点和潜在应用的场合。由于传感器不同的输出特性，牵引出不同转换电路的需求。针对本专业背景的学生，电路构成的细节以了解为主。为了加深学生对上述知识的印象，通过具体传感器的案例，包含传感器设计、灵敏度推导等，以提升知识应用的能力。所以，综合案例的设计在本课程中是必不可少的环节。

文章来源：《测试技术学报》 网址: http://www.csjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0225/530.html