控制专业传感与检测技术课程的研究性教学实践探索

摘要：传感器与检测技术是高等院校自动化、探测、测控等专业的重要基础课程，该课程教学对培养控制专业大学生的理论原理联系与工程应用的能力和控制系统综合设计能力培养具有重要意义。本文针对传感器与检测技术课程涉及传感器种类多，被检测物理量特点差异大、课程知识面广等教学特点，基于大学生科研能力结构需求，从教学目标、教学内容、教学方法入手，开展该课程的研究性教学方案的设计，并进行研究性教学实践的探索，对控制专业大学生科研意识和科研能力的培养，具有良好的促进作用。

关键词：研究性教学；人才培养；传感器；检测技术；自动化

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）02-0133-03

一、引言

现代大学具有人才培养、科学研究和服务社会三大功能，在这三大功能中，人才培养是大学的核心功能和首要工作，培养高素质的人才、促进人的发展是大学教育的目标，而科学研究是人才培养的重要载体与途径，两者关系最为密切。将人才培养的目标与科研研究的途径的紧密结合，突出培养大学生围绕“问题”来开展学习、分析和研究等活动的意识和能力，这在人才培养的过程中，体现的就是研究性教学的思想。研究性教学的理念越来越受到广大教师和学生的重视。然而，鉴于不同专业、不同课程的具体教学内容的特点，研究性教学的实践有赖于具体教师将教学工作与其科研工作、科研成果的紧密结合，在教学过程中，教师通过将自己以及团队围绕与课程相关的科研问题的研究有机地融入到课程教学过程，也正因为如此，研究性教学很难有统一的实施方案。在人才培养目标和核心能力构成要素下，针对具体的课程，开展研究性教学的实践探索，具有重要意义。本文主要总结我校传感器与检测技术课教学团队根据该课程和控制类专业大学生能力结构需求的特点，开展研究性教学的实践探索的经验，以进一步促进该课程教学和控制专业的人才培养工作。

二、传感器与检测技术课程及其在控制专业大学生科研能力结构中的地位

1.传感器与检测技术课程概况。传感器是一种获取信息的检测装置，能感受被测量的信息，并将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以进行信息的传输、处理、存储、显示、记录或者实现对系统的控制。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。检测技术则是关于应用传感器，实现对被测量进行测量的方法和过程，传感器与检测两者紧密相关。传感器与检测技术是现代科技的前沿技术，是自动化和信息化的基础，是高等院校自动化、探测、测试等专业的重要基础课程。传感器与检测技术涉及到多种物理量、化学量、生物量等的测量、变换和处理。该课程涉及到物理学、化学、测试计量学、电子学、机械学、通信、计算机、自动控制、仪器仪表等众多学科，课程内容涉及的知识面广，应用广泛，其理论和实践性都很强，对学生今后的工作将起到十分重要的作用，因此，国内外高校都非常重视这门课程的教学工作。传感器与检测技术课程的基本特点是：实用性强，理论与实践密切结合、综合性较强，但不同传感器、不同被测量的检测技术之间独立性强。这些特点导致传感器与检测技术课程的传统课堂教学容易偏重原理知识的传授和传感器应用的概貌介绍，知识点零散。

2.控制专业大学生科研能力结构及传感器与检测技术课程在科研能力培养中的作用。控制专业主要目标是培养具有扎实的控制科学与工程、计算机应用等较宽广领域的工程技术基础和专业知识，具有独立获取知识、提出问题、分析问题和解决问题的能力及开拓创新的精神，具有较好的系统分析、系统设计、系统运行、科学研究、技术开发能力的高素质的自动化领域的高级工程技术人才。从能力结构的构成看，追求自我提高和创新的意识、科学研究能力共同构成了大学生能力结构的核心，这两个方面可概括为发现问题、解决问题的主观能动性以及解决具体问题的能力。前者包括主动学习、自觉研究、自我提高和完善的意识等要素。在解决具体问题的能力方面，控制专业大学生应该具备科研能力，包括设计开发能力、实践能力。科研能力居于大学生能力结构的最高层次，大学生的科研能力也成为衡量大学生质量高低的重要标准。传感器与检测技术课程作为控制专业大学生的重要基础课程，该课程是控制专业课题体系中，系统、全面地介绍物理量检测中的数据处理基本方法、传感器原理、被测量检测技术的课程，该课程注重理论基础知识的积累，注重实用工程测控技术和先进科学方法的培育，能够较好地锻炼学生分析和解决工程实际问题的能力。该课程与控制系统原理紧密相连，共同构成了控制系统分析、设计与综合的课程体系主干。从控制专业的课程设置看，传感器课程一般安排在控制系统原理之后。控制系统原理的重点在于系统的分析，侧重于系统分析的理论与方法，而传感与检测技术课程内容可以与控制系统原理有机衔接，将传感器的原理与被测量的检测技术融入到控制系统的综合设计，在控制系统综合设计的背景下，进行传感器与检测技术的研究性教学，从而促进大学生科研能力的培养，在培养学生综合运用所学知识解决实际问题的过程中，实现大学生对解决实际问题的过程体验，激发大学生创新实践的主动性。

三、传感与检测技术课程的研究性教学方案与实践探索

研究性教学作为一种以“问题和需求”为中心的教学，相对于传统教学，更关注“问题”及其存在背景与条件，关注解决“问题”的必要性与意义。研究性教学是通过对“问题”的追问和寻求问题解决方法的过程中构建教学和学习的方法。

1.传感与检测技术课程的研究性教学方案设计原则。根据研究性教学的理念，在传感与检测技术课程研究性教学方案设计中，课程教学小组在已有的课程教学内容体系中，分层次引入问题和需求，多角度对比解决方案，强调多学科交叉的综合研究方法，实践探索方案的原则如下：（1）结合背景需求，从工程问题、科学问题、研究和解决问题的手段等层次，逐步引入问题和阐述问题，启发学生从实际对象的需求出发过渡到对问题的深入思考。（2）在知识的关联方面，以典型的航空航天飞行器系统为实例，以飞行器任务目标为核心，将载荷、信息传输、飞行控制、导航制导等飞行器子系统以及航空飞行器设计中的多个相关学科研究的问题以及关联有机串联起来。（3）在课程内容教学中，针对典型的教学内容，突破教材现有内容，引入传感器技术的最新发展和成果，借助某些典型传感器专项开展深入研究性学习，基于现代计算机仿真软件，分析传感器测量电路的原理以及电路参数对电路的影响，阐述实际使用过程中的设计手段。

2.传感与检测技术课程的研究性教学实践探索。（1）重视课程绪论的总体引领作用。绪论是每门学科教学的第一课，绪论课说明课程的性质和主要任务，对教学内容的概括性、对教学目标的导向性、对学生学习的引领性都至关重要，是建立起课程整体概念的关键。对于传感器与检测技术课程，教师应当抓住该学科最基本的特征来阐述，重点要把传感器与检测技术的作用和地位恰如其分地展示给学生，具体教学过程中，主要有以下实践：突出传感器技术的高精度、小型化、智能化、集成化等学科前沿特点。选取某些具体传感器，如以原子陀螺、高精度微小型MEMS传感器、美国开展的基于静电陀螺的广义相对论验证计划等为例，从这些传感器背后为学生所熟悉的经典的力学定律入手，让学生认识到已有的基础，并进一步阐述出学生所不熟悉的基于现代高精尖技术的对力学定律的应用手段，以此为学生体会到现代技术手段在理论与实践之间的桥梁作用；突出专业背景特色。传感器与检测技术应用领域涉及到科研、工程及日常生活的方方面面，在进行传感器应用及地位阐述中，难以面面俱到，需要结合各专业的背景特色来展开。在实际教学中，我们从传统的飞机上对多种物理量的测量需求入手，逐渐过渡到X-43临近空间高超声速飞行器、X-37跨大气层再入式飞行器等美国正在进行试验的最新飞行器的飞行特点及其对传感器和检测系统的需求。从我国探月工程、发达国家深空探测的目标（增强对未知对象的认识）角度，让学生体会相关传感器和检测系统作为这类大工程的有效载荷、获取观测对象的信息的重要地位。通过学习绪论，便于学生从宏观上建立起这门课程的总体认识，体会到课程的重要性与意义，激发起他们强烈的求知欲望，增强了学习动力。（2）教师科研成果进课堂，培养学生对实际问题解决过程的体验认知。南京航空航天大学控制专业的传感器与检测技术课程任课老师属于南京航空航天大学导航研究中心，在承担课程教学任务的同时，承担大量的飞行器导航与传感系统及其应用技术方面的科研工作，与我国航空航天等领域的研究机构保持了紧密的联系，在惯性传感器、惯性导航系统、MEMS惯性姿态测量、卫星导航、飞行器大气数据传感系统、多信息融合技术等方面具有深厚积累。任课教师的研究工作为传感器与检测技术课程的研究性教学创造了良好的条件。在教学中，可以将实际工作中的惯性传感器误差建模、传感器的温度误差补偿、传感器数据采集与分析等解决实际工程问题的试验场景、过程、数据、结果等情况以及开展相关工作的标准规范充分地展示给学生，也可以以科研过程中的某些具体工作为依托，安排设置试验。最新的科研成果，与工程实践的联系紧密，有利于培养学生的实践能力，增强学生对科研过程的体验。（3）以点带面，加大授课内容的层次深入，通过围绕问题的多学科知识与方法的讨论，培养学生解决问题的综合能力。传感器测量电路是传感器的重要组成，负责将转化元件输出的电量变换成可直接利用的电信号。传感器测量电路是传感器与检测技术课程教学的难点之一，这主要是因为教材中给出的测量电路，绝大部分都是原理上的，是定性的，这对学生将来使用传感器来说是远远不够，更主要的是，如果不给学生明确这样教学内容的不足，还会给学生形成传感器使用的错误认识。针对传感器测量电路教学，我们基于计算机辅助设计软件，开展了测量电路的教学。教学中，补充Multisim电路仿真软件的使用，使用Multisim搭建电路传感器的多种测量电路原理图，设置不同的电路元件参数，对电路进行仿真，对比分析电路元器件参数的变化对电路输出信号的影响。通过这样的教学，可以进一步明确教材中很多没有明确参数条件的测量电路的输出信号表达式的条件范围。通过这样的过程，可以培养学生的质疑精神以及独立探寻的能力。（4）以新知识、新成果丰富教学内容，促进学生对技术发展和工程应用的思考。电感传感是一项非接触传感技术，可用来测量位置、运动以及金属或导体目标的构成，电感传感器耐灰尘、污垢、油和潮湿恶劣环境。电感传感器是经典的传感器之一，在教材和传统的认识中，传统的电感传感器需要线圈、衔铁等结构，体积大，难以进行精密的测量。然而，2013年美国TI公司发布对电感传感器具有革命意义的数字式转换器LDC1000，该转换器的应用中，为电感传感器的设计尤其是线圈的设计注入了全新的思想，线圈形式的变化带来了线圈工艺的变化，平面的线圈结构可以采用PCB的设计与加工工艺，线圈仅需要在PCB板布线时设计成所需要的线型，结构的可靠性、工艺的一致性带来了传感器性能的巨大提升，使得电感传感器可以实现亚微米级的微小位移测量，此外，极低的成本代价进一步提升技术的竞争力。这样最新的成果在现有的教材中是没有的，任课教师只有关注这些新技术的发展，才能将最新的科研成果引入到教学中，同时在这些最新成果的介绍中，突出新成果的产生背景，相比于传统技术的创新点，引导学生从多个角度审视成果的进步和技术的发展。（5）引导学生深入关注和研究被测对象的特点，建立传感器与检测技术应用的理念。被测对象的特点对于实现测量目标的难易程度有直接的影响，因此，在被测量的检测中，传感器如何有效使用至关重要。研究被测对象，根据被测对象的特点和测量目标应用传感器，设计检测系统是学习传感器与检测技术的核心目标。以当前传感器与检测技术教材中的压力检测为例，压力检测的传感器的选择以及压力传感器的安装、通过有限个压力测量点的测量结果来有效反演整个压力场的特征参数是压力测量中必须关注的问题，这样的问题涉及到多个学科交叉与综合优化的问题，课程教学中，应该指明学生进一步自主学习的方向。压力测量是航空飞行器的大气数据系统的核心问题。大气数据系统来测量、计算指示空速、真空速，气压高度、马赫数、大气总温、大气静温、攻角与侧滑角等多个飞机飞行参数，大气数据系统输出的信息很多，但其直接感测的信息主要是大气的压力、温度等。就压力测量而言，国内外的压力传感器已达到相当高的精度，如市场上0.05%的压力传感器已不少见，但对飞机而言，大气数据系统的结构仍在不断演化，在不同的飞机上，通常有各种独特的设计，这主要是由飞机的流场特性决定的。对飞机流体力学特性的掌握，是大气数据系统在现代飞机设计中的难点与进行系统优化的关键点。关于流体力学特性的学习和了解，需要通过计算流体力学（CFD）的仿真计算和通过风洞进行试验。从专业划分的角度，这已属于流体力学专业的内容，但这些特性对大气数据的影响则在大气数据系统上反映出来。因此，虽然专业划分有界限，但物理过程的影响并不受专业划分的约束，对于学科交叉领域的问题，多个学科都应该共同关注。

四、结语

本文分析了传感器与检测技术对控制专业大学生能力培养的作用，针对控制专业的传感器与检测技术的课程特点，阐述了我们开展研究性教学的方案原则与五个方面的实践探索，需要说明的是这些实践与该课程传统的学习是结合起来的，目前的实践是对传统的教学过程的补充。课程结束后的授课情况调查表明，大部分学生认为该课程学习对于开拓学生思路很有用，尽管有些方面如交叉学科的知识，教学过程中没有展开，但对学生的看待问题的思路起到了很好的开拓作用。研究性教学作为一个教学原则，本身并无具体形式要求，研究性教学本身就是在创新人才培养目标下的一个探索与优化控制的过程，只要有利于学生的能力发展、有利于学生科学素养的养成和提高，在教学内容、教学手段、教学方式等多个层面，我们都可以也应该深入开展研究、实践，并根据学生的反馈以及对教学效果的评价，不断优化。

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