传感器与检测技术项目教学法的实践探索

1、传感器与检测技术项目教学法的实践探索基金项目：本文系华南农业大学教改项目（项目编号：JGG1105、华南农业大学教改重点项目（项目编号：JG12014）的研究成果。传感器与检测技术课程是工科电气信息类专业的实用性专 业课程。在华南农业大学开设的该课程涉及自动化、电气工程、 电子信息、 电子科学与技术、 机械制造及其自动化以及机电一体 化等专业。本课程是一门内容繁杂的交叉学科，涉及物理学、电 子学、电磁学、电工学、微机原理以及高数、概率等，知识密集 性强、内容离散性大，与理论性较强的课程相比，本课程的应用 性和实践性较强。传统的传感器与检测技术的教学模式是以教师为中心、 教材 为中心、课堂为中心

2、的三中心教学方法，以传授系统知识、培养 基本技能为目标。 其着眼点在于充分挖掘人的记忆力、 推理能力 以及间接经验在掌握知识方面的作用， 与理工科的理论为实践服 务的最终目标还有很大的差距。所以，如何改善课堂教学方法， 使学生不仅能理解和掌握课堂上所学的知识， 而且有自主学习的 兴趣，有一定的创新思维和实践动手能力， 这是传感器与检测技 术课程教学的重要任务。一、项目教学法的教学模式和意义传统的传感器与检测技术课程教学方法在专业技能的培养 上有一定独到之处，而在创新能力、实践能力、应用能力的培养 上有很大不足， 而基于项目教学为主的教学方法的优势恰在于能 充分展现学生的学习主体性， 培养学生的

3、创新、 实践、应用能力。项目教学法把整个学习过程分解为一个个具体的工程或事 件项目， 先由教师对项目进行分解， 然后让学生分组围绕各自的 工程项目讨论协作学习， 最后以共同完成项目的情况评价学生是 否达到教学目的。在该方法中，教师只承担指导作用，学生在这 个过程中学会思考，学会发现问题、解决问题，进而增强信心， 提高学习积极性和锻炼能力。二、项目教学法设计项目的选择设计要以教学内容为依据， 既要与书本知识紧密 结合，又要充分体现当前的工程实际情况， 还要有一定的创新空 间，同时，还必须现实可行。教学中对与项目有关的知识点精简 讲解，然后提出项目的要求。项目的设计来源于工业现场，围绕 日常生活由

4、浅入深设计。 课程主要设置了 4个教学项目， 每个项 目有独立知识点，如温度的测量（水温测量系统的设计）、力的 测量（电子称重系统设计）、转速的测量（自行车车轮转速测量 系统设计）以及位移的测量（超声波测距系统设计）等。每个项 目包括不同的任务要求，可根据学生的学习基础选择。下面以笔者设计的温度测量项目 （基础较弱的学生） 以及电 子称重系统设计 （基础较好的学生） 项目教学为例说明项目实践 的过程。三、项目教学的实践1.课题：温度（水温）测量系统的设计 课堂教学：介绍三类常用温度传感器以及如何选用合适的温 度传感器。首先，了解金属热电阻的电阻随温度而变化的特性， 掌握电桥测温原理；其次，了解

5、热敏电阻的特性、类型及应用； 最后，认识热电偶，学会使用热电偶分度表，掌握热电偶的使用 方法。实践教学：要求选用合适的传感器完成水温测量及报警电路 的设计与实现（要求硬件实现）。教学过程： 要求学生先讨论传感器的选型， 然后讨论电路图 的设计。设计完成后，每组各派一名同学展示电路图，并说明设 计依据，然后各组提出元件需求，自行购买或从实验室领取，根 据设计图完成电路焊接，验证报警功能。（学生每 3 人一组）图 1 温度报警电路教学效果：学生完成了温度检测报警电路的设计 （如图 1 所 示）、仿真和实现， 以热敏电阻或其他温度传感器作为检测元件， 电路简单实用。 有单片机基础的同学还完成了温度的

6、显示和控制 功能，效果良好。该电路虽然简单常见，但学生通过自己动手完 成设计焊接调试，对系统设计充满兴趣，达到了教学目的。2.课题：电子称重系统设计课堂教学和实践教学结合： 引导学生思考测量系统的设计思 路，首先完成需求分析，然后进行系统总体设计，接下来进行传感器选型和具体信号处理电路设计。学生以 4 人一组进行设计。 需求分析：要求学生以超市称重为应用目标完成需求分析， 如需要电子秤实现基本的称重功能，称重范围为05kg,重量误差不大于± 0.01kg ，同时还能实现去皮、调零等功能。总体设计： 要求学生分组讨论系统总体设计方案， 最终大多 数组给出总体设计方案， 见图 2 所示。

7、当物体放在秤盘上时重量 施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使 输出电压发生变化。该信号经放大滤波电路输出到 A/D 转换器， 转换成数字信号输出到 CPU进行运算、控制、显示等。图 2 电子称重系统总体设计方案称重传感器选型： 引导学生思考哪些传感器可用来测重， 并 从中合理选型。称重传感器的性能很大程度上决定了电子秤的精确度和稳 定性。通常称重传感器产生的误差约占电子秤整体误差的50%70%。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器 （电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）、应 变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电 和压阻等物理效

8、应的传感器。 对称重传感器的基本要求是： 输出 电量与输入重量保持单值对应， 并有良好的线性关系； 有较高的 灵敏度；对被称物体状态的影响要小；有较好的频响特性；稳定 可靠。学生通过对比和综合考虑，系统采用电阻应变式传感器， 量程为5kg，精度为0.01kg。其形状长约80cm高和宽为10cm 的长方体， 金属块中间有两个圆形挖空， 作用是让金属块容易产 生弹性使贴在金属上的四片应变片更加灵敏地接收应变量， 输出 就更加灵敏。其结构图如图 3 所示。 图 3 称重传感器结构 图当弹性体受力变形时， 应变片的敏感栅也随同变形， 其电阻 值发生相应变化， 通过全桥电路转换为电压的变化。 利用电桥的

9、 和差特性 （引导学生注意应变片电桥特性的重要性） 可以提高系 统灵敏度并进行温度补偿。信号处理电路设计： 引导学生思考传感器一般输出微弱模拟 电信号，如何与后续电路配合连接。传感器输出信号的处理是首先选用AD7705进入单片机后进行相关的软硬件设计。教学效果：有单片机基础的同学很好地完成了电子称称重系 统的设计，传感器选用合理，系统设计思路清晰，完成后的系统 软硬件运行可靠。 该项目的完成说明学生已经具备实际设计系统 的基本思路和基本技能。四、项目教学的总结与思考 项目教学法中所设计的项目大多与学生日常生活密切相关， 并蕴含工业测量系统设计思路。 学生通过自己的努力以及同学之 间的合作亲手设计并制作出真实的产品， 这让学生感受到自己的 学习价值。同时学生参与项目的讨论、实施、成果展示、交流评 价等，有利于培养其善于思考、善于沟通以及团队精神。有些小 组去电子市场购买元器件，这使学生了解了电子元器件的市场以 及如何在市场中选购合适元器件。 学生认为有助于拓展自己的课 堂学习内容。通过两个学期的项目教学法实践， 笔者认为在项目教学法的 具体实践过程中应该注意以下问题： 首先，教学项目要包含教学 内容，同时要实用可行，学生有条件真正完成，同时根据学生的 实际水平确定难易程度。