论文部分内容阅读
摘要 传感器与测试技术是机电、控制等专业的必修课程，知识面广、实践性强。在网络环境为介质的远程教育模式下该课程的教与学面临着新的难题，本文探讨了其解决对策，包括多角度激发学习者的学习兴趣；用案例作导向将理论与实践紧密结合；在工程实践中引入仿真技术，开发适合本门课程的工程仿真软件。运用策略后，教学效果得到明显改善。
关键词 教学改革 传感器 仿真技术 实践教学
信息传播技术的飞速发展，给传统的机械电子专业带来猛烈冲击，推动学科教育的革新，专业教育也不断探索与之相适应的教学实施途径。信息传播技术的充分发展，改变了传统的教学模式，远程教育成为新的教学模式并广受欢迎。远程开放教育招生的注册人数逐年快速上升，因学习能够不受时空限制，专业学习者绝大部分是在职人员，他们更倾向于在网络环境中接受专业教育。良好的招生形式需要好的教学体系来保证和维持，如何保证和提高网上办学的教学质量是远程教育工作者们面临的新的课题。
教学质量要靠优质的课程单元来保证。随着机器人、自动控制等技术的兴起，传感器技术在各个应用领域对传感器的需求不断增加，是自动控制、机电一体化等专业的专业基础课。本文将探讨在远程教育环境下，如何进行传感器与测试技术课程的教学改革。
1 远程模式下传感器课程教学的新难题
传感器技术是当今世界令人瞩目的高新技术之一。作为信息采集重要元件，传感器广泛应用于各种智能控制、信息处理系统当中，它是将各种待测非电量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。传感器种类繁多，包括应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、霍尔式传感器等。传感器与测试技术主要是讲授工程检测中常用传感器的工作原理及在测试系统中的基本应用。
在远程教育环境下，传感器与测试技术课程的教学面临着诸多新的教学难题和挑战。首先，在教学内容上涉及理论多而广，增加了教与学两方面的难度。不同类型的传感器工作原理各不相同，讲解时需涉及声学、材料学、核物理、微电子学、工程数学、数据处理、控制工程等学科知识。这不仅对主讲教师在学识、能力、技巧诸方面提出严峻考验，同时对学习者的知识面和知识结构提出一定的要求。
对开放大学往届的机电专业学习者调查结果显示，他们大多是生产线上的操作人员，或者仅是某个岗位上的负责者，知识面相对较窄，知识基础也相对薄弱，而且每个人的知识结构不尽相同，会觉得传感器课程的知识理解起来困难重重。而课程的章节内容环环相扣，如果某次缺课，例如部分人工作环境中存在倒班制度，上课时间还需要根据工作时间安排来调整，知识的脱节将会给后面的学习带来更大的困难。因此，很多学习者更加觉得内容枯燥。
远程模式下中，实践环节的实施也需要探索新的实施途径。传感器课程是工科类学生培养其工程实践能力的重要环节，实践性强。单纯从外观上看，很多传感器大同小异，但其应用却千差万别，通过实践教学能有效帮助学习者深入掌握传感器相关知识。目前社会上掌握计算机和通讯技术的工程技术人员非常多，但精通传感器技术的工作者却很少，也是因为掌握它需要积累大量的工程实践知识。学习者在学习传感器技术时，如果仍采用一般专业基础课的实验方法，其形式相对简单，实验通常局限于在验证性的基本原理阶段，这类实验与实际联系不多，反映不出日新月异的传感器的应用，难以刺激学生的学习兴趣和创造欲望，教学效果不够明显。
2 远程教学环境下传感器课程改革的对策
2.1 多角度激发学习兴趣的远程学习
众所周知，学习兴趣是学习者能否学好某门课程的重要因素，也是课程取得良好教学效果的重要条件，因此，培养和保持学生的学习兴趣至关重要。从以往的教学中，笔者发现大多数学生在学期之初对传感器课程有着一定的兴趣，但这学习兴趣在一段时间后容易失去，其主要原因是理论难度逐渐增加，以及遗忘了以前的基础知识，导致前后知识不能顺利衔接。
针对此类情况，传感器与测试技术的远程教学从多角度激发学习者的学习兴趣。本课程开发团队确定出课程的重点和难点，具整理编写基本的文字、图片等学习材料，还有针对性地提供教学讲解视频、音频、课件动画等资源。例如在讲授热电偶相关知识的教学中，教材上提供的热电偶原理图图1（a）所示，虽然结构简单明了，但与工程实际中使用的产品相去甚远，学生很难将二者融为一体。在远程教学中我们补充了热电偶实物图、产品设计图纸，三者相互对照，学习者更容易接受和掌握热电偶的工作原理和实际应用。
远程教育的学生大多是在职学习者，教育背景、工作经历、知识结构不尽相同。这种现象造成有些课程内容对一部分人来说是已经掌握或者很轻松就能理解的，但对另一部分人来说则相反。针对这一现象，为远程教学中提供的教学视频、动画等多种多媒体资料可以充分发挥作用。
2.2 案例导向的传感器课程教学
传感器与测试技术课程大纲中规定：除了要求学生掌握工程捡测中常用传感器结构、工作原理等理论知识外，还得使学习者掌握在工程实际中如何选择和应用基本类型传感器，实现工程实际当中对力、压力、温度、位移、物位、转速和振动等物理量的测量。现有的传感器教材绝大多是以理论知识来组织教学内容的，应用往往是教学的难点。
笔者从多年的教学过程中发现，课堂上单纯的理论讲解，容易让学生疲劳，若加入应用案例分析，他们则会聚精会神，甚至还产生继续研究的兴趣，有些还能结合其实际工作举一反三。在学生首次接触课程时，笔者没有急于讲解第一章的传感器概念和特性，而是结合教材向学生介绍生活中、工业中、军事中传感器的作用与地位，空调、冰箱为什么恒温，机器人为什么能避开障碍物等，这些贴近实际的话题，让学生们兴致盎然。
因此，在传感器课程远程教学中引入案例教学，即在案例的讲解当中穿插传感器的相关理论知识，可以极大改善教学效果。案例的运用可以大大缩短理论与实践的差距，提高学生解决实际问题的能力。 在远程教学过程中，传感器课程内容组织常以一个完整的项目开发为案例，进行相关知识讲解，项目对象可以选一辆智能遥控车、汽车油门控制系统、太阳能热水器的水位控制装置等。例如，在电容式传感器知识讲解过程中，笔者通过一个门铃的工作过程作为案例，阐述其运作的原理和模式，学生对门铃较为熟悉，因此很容易接受深层次的关于门铃内部原理。
2.3 远程教学模式下的实践环节引入仿真技术
强调理论和实践研究相结合是工程技术学科的一个显著特点。随着高等教育的普及化，社会对各类专业人才的需求有了更进一步的提升。企事业单位不仅要求新入职者掌握坚实的理论基础知识，还希望他们具有较强的动手能力和一定的实践经验。如何提高学生的动手能力呢？实训设备价格昂贵，也不符合远程教育的随时随地的学习原则；工厂实习是传统的教育方法，但目前制造企业都注重安全生产，不愿意接受学生实习。
远程教学中，对于文字、图片、视频等教学资源，目前的教育网络系统能够给予很好的支持，对于传感器与测量技术课程所强调的实践环节，因用到专业的实验设备、实验环境等，给专业的远程教育带来新的难题。开发虚拟设备、建立虚拟实验室等仿真技术的应用，为解决这一困境提供了有效途径。
仿真技术在教学中存在如下优点：（1）创造一个虚拟的实验环境，减少了繁琐的硬件设备的投资和维护；（2）将多种专业知识综合运用，满足培养学习者的理论与实践结合的能力；（3）操作都在计算机虚拟环境下运行，利于远程教育模式。以下就用飞机上使用的电容式油量表系统为例，说明传感器课程实践环节中如何引入仿真技术。
油量表采用自动平衡电桥电路，由油箱液位电容式传感装置、交流放大器、两相伺服电机、减速器、指针等部件组成。油箱中的液位高低变化会引起这些组成部件的相对运动，最后反映在油量表的指针上，操作者根据油量表的读数获取当前油箱中的油位高低。
油量表的原理图如图2所示，当油箱无油时，电容式传感器Cx具有一个初始电容，电桥处于平衡状态，输出为零，伺服电机不转动；当油箱中油量增加，电容式传感器的电容之将会发生变化，电桥失去平衡，输出电压，电压经过放大后驱动伺服电机，经减速后一方面带动油量表指针偏转一个角度，另一方面移动可变电阻Rw，使其达到一个新的平衡。
单纯的文字说明和过程讲解是无法达到好的知识传递效果，而实物系统庞大，就算有也无法独立操作和讲解。
为了让学习者明了其“输入-输出”关系的运动过程，我们将仿真技术纳入实践教学环节，用动画的方式展现出整个控制过程，并且弥补没有实物的不足。过程仿真的开发软件很多，本案例使用东方仿真软件中的过程系统仿真平台来进行开发。动作仿真的开发结果能让学习者输入或改变油位高低参数h，动态展示出油量表随着液位高低而发生变化的一系列过程，能观察到油量表相应的变化。学生通过这一过程轻松掌握电容式传感器在工程中的典型应用，并能对其它类型的变介质式电容传感器的使用举一反三，达到预期的教学效果。
3 小结
传感器与测试技术是一门融理论与实践于一体的课程，课程知识面广，涉及到力学、电磁学等多门学科的综合运用；课程实践性强，是工科类学生培养工程实践能力的重要一环。这给远程模式下的教和学带来新挑战。笔者针对远程模式下工科课程的教与学，提出几点解决措施，主要有依托多媒体技术开发多种学习课件，多角度激发学习者的学习兴趣；用案例为导向将理论与实践紧密结合起来；在工程实践中引入仿真技术，开发适合本门课程的工程仿真软件。目前这些举措实施后已达到较好的教学效果。
关键词 教学改革 传感器 仿真技术 实践教学
信息传播技术的飞速发展，给传统的机械电子专业带来猛烈冲击，推动学科教育的革新，专业教育也不断探索与之相适应的教学实施途径。信息传播技术的充分发展，改变了传统的教学模式，远程教育成为新的教学模式并广受欢迎。远程开放教育招生的注册人数逐年快速上升，因学习能够不受时空限制，专业学习者绝大部分是在职人员，他们更倾向于在网络环境中接受专业教育。良好的招生形式需要好的教学体系来保证和维持，如何保证和提高网上办学的教学质量是远程教育工作者们面临的新的课题。
教学质量要靠优质的课程单元来保证。随着机器人、自动控制等技术的兴起，传感器技术在各个应用领域对传感器的需求不断增加，是自动控制、机电一体化等专业的专业基础课。本文将探讨在远程教育环境下，如何进行传感器与测试技术课程的教学改革。
1 远程模式下传感器课程教学的新难题
传感器技术是当今世界令人瞩目的高新技术之一。作为信息采集重要元件，传感器广泛应用于各种智能控制、信息处理系统当中，它是将各种待测非电量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。传感器种类繁多，包括应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、霍尔式传感器等。传感器与测试技术主要是讲授工程检测中常用传感器的工作原理及在测试系统中的基本应用。
在远程教育环境下，传感器与测试技术课程的教学面临着诸多新的教学难题和挑战。首先，在教学内容上涉及理论多而广，增加了教与学两方面的难度。不同类型的传感器工作原理各不相同，讲解时需涉及声学、材料学、核物理、微电子学、工程数学、数据处理、控制工程等学科知识。这不仅对主讲教师在学识、能力、技巧诸方面提出严峻考验，同时对学习者的知识面和知识结构提出一定的要求。
对开放大学往届的机电专业学习者调查结果显示，他们大多是生产线上的操作人员，或者仅是某个岗位上的负责者，知识面相对较窄，知识基础也相对薄弱，而且每个人的知识结构不尽相同，会觉得传感器课程的知识理解起来困难重重。而课程的章节内容环环相扣，如果某次缺课，例如部分人工作环境中存在倒班制度，上课时间还需要根据工作时间安排来调整，知识的脱节将会给后面的学习带来更大的困难。因此，很多学习者更加觉得内容枯燥。
远程模式下中，实践环节的实施也需要探索新的实施途径。传感器课程是工科类学生培养其工程实践能力的重要环节，实践性强。单纯从外观上看，很多传感器大同小异，但其应用却千差万别，通过实践教学能有效帮助学习者深入掌握传感器相关知识。目前社会上掌握计算机和通讯技术的工程技术人员非常多，但精通传感器技术的工作者却很少，也是因为掌握它需要积累大量的工程实践知识。学习者在学习传感器技术时，如果仍采用一般专业基础课的实验方法，其形式相对简单，实验通常局限于在验证性的基本原理阶段，这类实验与实际联系不多，反映不出日新月异的传感器的应用，难以刺激学生的学习兴趣和创造欲望，教学效果不够明显。
2 远程教学环境下传感器课程改革的对策
2.1 多角度激发学习兴趣的远程学习
众所周知，学习兴趣是学习者能否学好某门课程的重要因素，也是课程取得良好教学效果的重要条件，因此，培养和保持学生的学习兴趣至关重要。从以往的教学中，笔者发现大多数学生在学期之初对传感器课程有着一定的兴趣，但这学习兴趣在一段时间后容易失去，其主要原因是理论难度逐渐增加，以及遗忘了以前的基础知识，导致前后知识不能顺利衔接。
针对此类情况，传感器与测试技术的远程教学从多角度激发学习者的学习兴趣。本课程开发团队确定出课程的重点和难点，具整理编写基本的文字、图片等学习材料，还有针对性地提供教学讲解视频、音频、课件动画等资源。例如在讲授热电偶相关知识的教学中，教材上提供的热电偶原理图图1（a）所示，虽然结构简单明了，但与工程实际中使用的产品相去甚远，学生很难将二者融为一体。在远程教学中我们补充了热电偶实物图、产品设计图纸，三者相互对照，学习者更容易接受和掌握热电偶的工作原理和实际应用。
远程教育的学生大多是在职学习者，教育背景、工作经历、知识结构不尽相同。这种现象造成有些课程内容对一部分人来说是已经掌握或者很轻松就能理解的，但对另一部分人来说则相反。针对这一现象，为远程教学中提供的教学视频、动画等多种多媒体资料可以充分发挥作用。
2.2 案例导向的传感器课程教学
传感器与测试技术课程大纲中规定：除了要求学生掌握工程捡测中常用传感器结构、工作原理等理论知识外，还得使学习者掌握在工程实际中如何选择和应用基本类型传感器，实现工程实际当中对力、压力、温度、位移、物位、转速和振动等物理量的测量。现有的传感器教材绝大多是以理论知识来组织教学内容的，应用往往是教学的难点。
笔者从多年的教学过程中发现，课堂上单纯的理论讲解，容易让学生疲劳，若加入应用案例分析，他们则会聚精会神，甚至还产生继续研究的兴趣，有些还能结合其实际工作举一反三。在学生首次接触课程时，笔者没有急于讲解第一章的传感器概念和特性，而是结合教材向学生介绍生活中、工业中、军事中传感器的作用与地位，空调、冰箱为什么恒温，机器人为什么能避开障碍物等，这些贴近实际的话题，让学生们兴致盎然。
因此，在传感器课程远程教学中引入案例教学，即在案例的讲解当中穿插传感器的相关理论知识，可以极大改善教学效果。案例的运用可以大大缩短理论与实践的差距，提高学生解决实际问题的能力。 在远程教学过程中，传感器课程内容组织常以一个完整的项目开发为案例，进行相关知识讲解，项目对象可以选一辆智能遥控车、汽车油门控制系统、太阳能热水器的水位控制装置等。例如，在电容式传感器知识讲解过程中，笔者通过一个门铃的工作过程作为案例，阐述其运作的原理和模式，学生对门铃较为熟悉，因此很容易接受深层次的关于门铃内部原理。
2.3 远程教学模式下的实践环节引入仿真技术
强调理论和实践研究相结合是工程技术学科的一个显著特点。随着高等教育的普及化，社会对各类专业人才的需求有了更进一步的提升。企事业单位不仅要求新入职者掌握坚实的理论基础知识，还希望他们具有较强的动手能力和一定的实践经验。如何提高学生的动手能力呢？实训设备价格昂贵，也不符合远程教育的随时随地的学习原则；工厂实习是传统的教育方法，但目前制造企业都注重安全生产，不愿意接受学生实习。
远程教学中，对于文字、图片、视频等教学资源，目前的教育网络系统能够给予很好的支持，对于传感器与测量技术课程所强调的实践环节，因用到专业的实验设备、实验环境等，给专业的远程教育带来新的难题。开发虚拟设备、建立虚拟实验室等仿真技术的应用，为解决这一困境提供了有效途径。
仿真技术在教学中存在如下优点：（1）创造一个虚拟的实验环境，减少了繁琐的硬件设备的投资和维护；（2）将多种专业知识综合运用，满足培养学习者的理论与实践结合的能力；（3）操作都在计算机虚拟环境下运行，利于远程教育模式。以下就用飞机上使用的电容式油量表系统为例，说明传感器课程实践环节中如何引入仿真技术。
油量表采用自动平衡电桥电路，由油箱液位电容式传感装置、交流放大器、两相伺服电机、减速器、指针等部件组成。油箱中的液位高低变化会引起这些组成部件的相对运动，最后反映在油量表的指针上，操作者根据油量表的读数获取当前油箱中的油位高低。
油量表的原理图如图2所示，当油箱无油时，电容式传感器Cx具有一个初始电容，电桥处于平衡状态，输出为零，伺服电机不转动；当油箱中油量增加，电容式传感器的电容之将会发生变化，电桥失去平衡，输出电压，电压经过放大后驱动伺服电机，经减速后一方面带动油量表指针偏转一个角度，另一方面移动可变电阻Rw，使其达到一个新的平衡。
单纯的文字说明和过程讲解是无法达到好的知识传递效果，而实物系统庞大，就算有也无法独立操作和讲解。
为了让学习者明了其“输入-输出”关系的运动过程，我们将仿真技术纳入实践教学环节，用动画的方式展现出整个控制过程，并且弥补没有实物的不足。过程仿真的开发软件很多，本案例使用东方仿真软件中的过程系统仿真平台来进行开发。动作仿真的开发结果能让学习者输入或改变油位高低参数h，动态展示出油量表随着液位高低而发生变化的一系列过程，能观察到油量表相应的变化。学生通过这一过程轻松掌握电容式传感器在工程中的典型应用，并能对其它类型的变介质式电容传感器的使用举一反三，达到预期的教学效果。
3 小结
传感器与测试技术是一门融理论与实践于一体的课程，课程知识面广，涉及到力学、电磁学等多门学科的综合运用；课程实践性强，是工科类学生培养工程实践能力的重要一环。这给远程模式下的教和学带来新挑战。笔者针对远程模式下工科课程的教与学，提出几点解决措施，主要有依托多媒体技术开发多种学习课件，多角度激发学习者的学习兴趣；用案例为导向将理论与实践紧密结合起来；在工程实践中引入仿真技术，开发适合本门课程的工程仿真软件。目前这些举措实施后已达到较好的教学效果。