传感技术发展动向及在中小学教育应用的必要性

概述

现代信息技术的三大支柱是传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。因此，传感技术是信息时代的重要基础技术。传感器是信息系统获取信息的首要部件——电五官，是能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器也是测控系统获得信息的重要环节，在很大程度上影响和决定了系统的功能。国外一些著名专家曾评论说：“征服了传感器就等于征服了科学技术”、“如果没有传感器检测各种信息，那么支撑现代文明的科学技术，就不可能发展”、“唯有模仿人脑的计算机和传感器的协调发展，才能决定技术的将来”。

传感器几乎应用于所有的技术领域，并逐渐深入人们的生活。比如，在机器人技术领域，作为新产业革命的典型代表——智能机器人将大量使用视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉以及各种内部传感器；在航空、航天技术领域，整个阿波罗10号飞船就是高性能传感器的集合体；在民用工业中也大量应用传感器，仅一部汽车就需要50多只传感器；在日常生活中，各种家用电器需要的传感器也有上百个品种规格。

传感技术的发展动向

1.集成化和智能化

集成化：使传感器和测控仪器具有多种敏感元件、数字信号输出、信息存储和记忆、逻辑判断、双向通信、决策、自检、自校准、自补偿、数值处理等功能。

智能化：智能化多传感器系统能够在复杂而多变的环境中，迅速、有效、准确地获取、分析、处理和综合传感器信息，它们基于多传感器信息融合、模式识别来作出正确的描述和决策。

集成化智能化传感器的典型代表是智能固体摄像器件，日本在270μm厚的硅片上研制出包括光电阵列、信号处理、记忆、演算、驱动等部分在内的智能化视觉传感器。

2.微型化和系统化

微机电传感器和微执行器的创立，开拓了微机电系统(MEMS)新领域。现在许多专家都认为：微机电系统将掀起下一次工业革命。MEMS传感器及系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等无法比拟的优点。

3.无线化和网络化

无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一，曾被列为对世界产生深远影响的十大新兴技术之首。无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。微型传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同完成特定的任务。

4.感知仿生

感知仿生是通过研究生物感知器官、系统及生物神经元与神经网络的功能结构和作用机理，构建与生物相似功能和结构的人工系统。

下图所示为北京理工大学智能机器人研究所等单位研制的应用了视觉、听觉、触觉、平衡觉等大量传感器的仿人形机器人在打太极拳。

5.信息难以获取的传感技术

信息难以获取的传感技术，如隔墙探测或隔墙成像技术，尤以思维信息获取的传感器系统至关重要。

美国科学家日前在动物实验中“解码”了从猴子大脑中记录下的思维信号，并进而用这些信号成功地对实验装置进行控制，朝着用意识控制机器的方向迈进了一步。此外利用鱼脑、人脑控制机器人，也获得成功。

传感技术在中小学教育中应用的必要性

1.有利于提高中小学生科学素养

目前中小学生的科技素质偏低，中小学科技教育薄弱。这种状况令人十分担忧。一个民族科学素质的提高，仅靠个别的科技“精英”是远远不够的，应该面向全体学生和公民，首先要对全体中小学生施以不同层次、不同内容、适用范围广泛的基础科技知识和方法的教育，使他们成为具有良好科学素质的现代公民。

全面培养学生的素质教育是时代发展的趋势，也是我国教育改革的必然趋势。目前在中小学举办的被称之为“传感器系统集成的智能机器人竞赛”的赛事越来越多，其主要原因就是为了在增强学生对学习的兴趣、激发学生对信息科技浓厚兴趣的同时，全面拓展信息科技活动的广度和深度及全面培养学生对信息科技的开发能力，提升信息科技教育的价值。

机器人是21世纪中小学生最富挑战性的科技活动平台，它的学习价值得到了充分的体现，它全面接触传感器技术、计算机的软硬件的开发、人工智能等高新科技；它能全面培养学生的动手能力、创造力、综合能力、合作能力和进取精神；它能全面激发学生对科学技术的兴趣。当学生看到自己设计、制作的产品行动起来时，那种喜悦的心情是任何事情都无法比拟的；如果这种产品又被大规模地推向市场，为很多人使用和珍爱，这种快乐就更是无以复加了。

事实上，“机器人大赛”为大家提供了一个实践的舞台。因此，希望大家能积极地参加机器人大赛，去体验一下“制作的快乐”。而且，由于对初中、高中在校学生素质能力的日益关注，有可能在今后中考和高考中，会给参加机器人大赛的同学予以积极的评价，对于在大赛中取得良好成绩的同学予以保送等支持。以促进学生科学素质和良好心理素质的提高，养成勇于探索、追求新知、实事求是、敢于创新的科学精神。

2.有利于学生提高动手实践能力

目前中小学课程、教材、教法不完全适应现代科技教育和培养创新人才的需要。课程结构不尽合理，教材知识滞后，教学方法不够灵活，基本上以讲授科学知识为主，让学生听科学、读科学，而不是做科学、用科学。另外中小学科技教育经费严重不足，科技教育设施和条件难以满足科技教育的基本要求。这些导致我国的中小学生读书、考试擅长，动手实践、创新能力不足，一条腿长、一条腿短。为此，在可能条件下，在中小学教育中应用较低成本的传感器技术，有利于提高学生动手实践能力，从征服传感器技术入手，征服科学，从了解机器人感知系统起步，到掌握机器人的智能技术。

3.有利于学生深入掌握数理化知识和信息技术

与数字化集成的计算机技术相比，传感器技术最大限度地综合了中小学数理化知识，可以说传感器技术是科学知识的集成。各种物理效应、化学反应是传感器赖以工作的基础原理，如光电传感器基于光电效应，热电偶基于热电效应，电容传感器原理基于电容量计算公式；力学量传感器涉及力学、运动学、动力学，温度传感器涉及热学，声传感器涉及声学等。通过传感器的做和用，在提高动手能力、创新能力的同时，可以更激发学生的兴趣、深化掌握课堂教学中所讲授的知识。教师在结合有关学科的教学内容向学生传授基础知识外，要注意把中小学生科技知识、科学思想、科学方法、科学精神的教育和科技技能的培养纳入教学之中；要结合中小学课程改革，在各类课程中不断强化传感器技术内容。掌握信息技术，从道理上看，应该从信息技术的源头——获取信息的传感器入手，这也是目前信息技术的瓶颈，是科学技术中需要突破与创新的用武之地。不掌握信息获取的传感器技术，就不能说掌握了信息技术！

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