五步教学法 [“双向五步式”教学法在“传感器技术”教学中的应用]
时间：2019-05-14 03:20:19 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：针对军校学员及“传感器技术”课程特点，在课程教学实施中提出“双向五步式”教学法，以应用为牵引，以传感器的五个环节为载体，培养学员解决工程问题的能力及获取新知识的能力，使其具备较好的专业素养和较强的探索、创新精神。
关键词：传感器技术；双向五步式；教学方法；教学改革
作者简介：黄旌（1975-），男，广东揭阳人，空军第一航空学院计量技术教研室，讲师；韩梅（1984-），女，河南商丘人，空军第一航空学院计量技术教研室，助教。（河南信阳464000）
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）16-0056-02
“传感器技术”课程是空军第一航空学院（以下简称“我院”）本科层次测控技术与仪器专业的专业方向阶段主要课程。该课程的任务是向学生介绍各类传感器的基本原理、结构及典型应用电路，使学生掌握传感器的信号转换与处理以及传感器在各个领域中的应用，对于学生的专业素质培养起着至关重要的作用。
一、教学对象及课程特点分析
1.学员特点及教学要求
我院作为航空机务院校，学员相对于地方高校学生具有以下两个特点要求。
（1）基础较弱、主动性不强。学员通过基层部队考入军校，纪律性强，但是文化基础相对薄弱，习惯了讲授法教学，学习的积极性、主动性普遍不高，相对不关心自己要学会什么，掌握怎样的技能，培养哪些能力，一般为了考试而学习。
（2）军事特色的要求。考虑到我校学生的培养目标以及学员第一任职的明确性，课程在实施过程中除了培养学员的专业能力以外，还应具有明确的航空机务工作针对性。
2.传感器技术课程特点
课程知识内容的本身也决定了课程实施具有一定的难度，其原因分析如下。
（1）多学科交叉。各种传感器的学习涉及力学、电学、磁学、光学、声学、热学、化学、生物学等多学科知识，[1]所需前修课程的基础知识较多。
（2）教学内容多、难。课程内容包括电阻传感器、电容传感器、电感传感器、热电偶传感器、压电传感器等二十余总传感器，课程涉及的原理和公式多，教材上理论推导、分析较多，理论性较强，比较枯燥，难以理解，不便组织实施教学。[2]
（3）内容联系不紧密。内容联系不紧密主要体现在两个方面，一方面，各种传感器内容之间相对比较孤立，不具有延续性，因此不利于教员组织衔接，也不利于学员学习理解。另一方面，每一种传感器学习一般按照教材学习其“原理”、“结构”及“电路”，了解其“特性”及“应用”，但这五部分内容之间的联系不紧密，相互关系阐述不够。如果按照教材内容组织实施教学，整个过程是平铺直叙的模式，没有分析传感器课程的学习为什么按照这几个环节进行，这几个环节有什么内在联系，这样孤立、枯燥的理论讲解不利于理解，也很难引起学员的学习兴趣，教学效果不理想，更难达到人才培养方案对专业素质培养的要求。
针对以上课程及授课对象的特点和需求，必须梳理教学各环节之间的关系，找到其内在的联系及因果关系，采用合适的教学方法，将各个环节有机地组合开展教学，以实现既符合军校学员特点，又能够达到培养学员的专业能力、对学员的专业素质培养起支撑作用的目标。为此在课程多年的实施中提出“双向五步式”教学法，其思路是以应用为牵引，以传感器的五个环节为载体，在知识的传授中培养学员分析、解决工程实际问题的能力和获取新知识的能力，使其具备较好的专业素养和较强的创新精神，促进其人格成长。
二、采用模拟设计的方法，培养学员的工程应用能力
“授之以鱼，不如授之以渔。”课程教学的目的是培养学员的工程应用能力，在应用方面，一个测试问题的解决，主要包括传感器的选型及检测单元模块的设计两部分。因此，在教学过程中，从应用引入，以“应用→特性→原理→结构→电路”五步为环节，采用模拟设计的方法，通过传感器的选型及检测单元模块的设计两部分的实践，达到培养学员工程应用能力的目的，具体内容及步骤包括：
1.结合“应用”，提出检测问题，激发学员学习兴趣
每一种传感器教学的引入都以具体的检测实例入手，首先提出检测问题，激发学员学习兴趣，并使学员认识到该传感器的重要性及意义之所在。针对教学对象特点，首选航空检测问题，其次为生产、生活中的问题。以某型飞机进气道调节锥的锥位控制为例，提出如何对调节锥的位移实时检测的问题，引入电位器式传感器教学。部分检测问题与传感器对应关系如表1所示。
2.根据检测问题，分析“特性”要求
在提出需要分析、解决的检测问题后，第二步就是根据检测问题，分析相应的检测需求以及对传感器的特性要求等。例如，某型飞机调节锥的锥位控制需要使用位移传感器实时检测位移变化，所用传感器应该具有结构简单、输出特性精度高，稳定性好等特性；再如，数控机床对位移精确控制问题的解决，需要使用大量程、高分辨力的位移传感器等等。
3.学习传感器“原理、结构”，实现传感器的选型
决定传感器特性的是传感器的原理以及依据原理制作出的传感器结构，因此在提出检测特性要求之后就可以引导学员带着疑问学习传感器的原理及结构了，从而完成传感器的选型工作。例如，数控机床中位移测量提出大量程、高分辨力的特性要求后，将问题进一步细化为：如何利用光栅测量位移→学习单光栅测量位移原理；如何解决高分辨力的问题→学习莫尔条纹、莫尔条纹细分；如何解决大量程的问题→根据被测位移和计数次数成线性关系由需要延长光栅尺寸。通过三个问题的解决，完成光栅传感器原理及结构的学习，同时完成传感器模拟选型。
4.完善配套“电路”，完成检测单元模块的设计
选型完毕，再配合相应的特征调理、处理电路，即虚拟完成检测单元模块的设计，实现检测功能，从而解决最初提出的应用问题。
以上过程为“双向五步式”教学法中的反向，以工程应用实例引入，把传感器“应用→特性→原理→结构→电路”五个步骤有机的联系在了一起，并在问题分析过程始终贯穿解决测试问题的选型、检测功能实现的思路，从而达到了培养学员的工程应用能力的目的。
三、以知识为载体，以教学实施为过程，培养学员的探索精神及学习能力
爱因斯坦说过：教育的成功与否，在于学生将课本知识遗忘之后，还留下什么素质。课程教学的目的首先是传授知识，其次更具有意义的是在此基础上以知识为载体，以教学实施为过程，培养学员的思维方式及学习能力。
传感器学科知识的认知规律及过程。原理：首先发现某种现象，对现象研究分析总结其规律，探索得到其原理；结构：是由原理根据各种需求，使用各种工艺做成相应的传感器器件、结构；特性：传感器的原理及结构共同决定了传感器的特性；电路：在此基础上配合后续电路实现测试功能；应用：传感器的特性决定了传感器的应用范围。
例如，对于电阻应变片式传感器的学习中，这五步划分及阐述如下。
原理：1856年英国工程师W.Thomson在铺设海底电缆时发现电缆的电阻值随海水的深度不同而不同，并在此基础上通过对铜丝和铁丝拉伸试验后总结出了三条结论，归纳为电阻应变效应；结构：根据工程中需求，需要测量某一点的应变，因此测量用金属丝不能过长，且较细，需将金属丝绕制成栅状，并辅以基片和保护层构成应变片；特性：电阻应变效应决定了应变片简单、经济、可靠、测量范围宽等特性，同时正是应变片的敏感栅结构具有横向弯头部分，使整个应变片在承载时既受纵向应变又受横向应变影响，从而产生不利的横向效应；电路：配合交直流电桥实现温度补偿，并将应变片输出的小电压调理放大到宏观可用；应用：应变片的特性决定了它在工程中各个领域有着广泛的应用，除了测量力以外，还广泛应用于压力、扭矩、位移、加速度等各种量的测量。
这五步的划分及实施，清晰地阐明了传感器的几个环节之间的内在联系，并且这五步蕴含了前人发现问题、分析问题、解决问题的思路。因此，在五步实施过程中的每一步中应通过剖析、揭示前人的探索过程，培养学员的这种解决问题的能力、创新精神和探索精神。例如，在原理的学习中，更应引领学员分析前人探究的精神及过程，W.Thomson在工作中发现电缆的电阻值的异常变化，但他并未满足于干好本职工作，止步不前，而是进一步对铁丝、铜丝做拉伸试验，分析其内因，并将现象归纳总结，提升到效应的高度。在制作应变片时，最初是将一根金属丝绕制成丝式应变片，它具有较明显的横向效应，会产生较大的测量误差；随后对误差成因分析改进，将其横向弯头改为较粗的短接点，减小了横向效应；最后又利用光刻、腐蚀等工艺制作箔式应变片，在箔式应变片的横向连接处进一步加大了面积，由此基本上消除了横向效应产生的误差，三种应变片的结构分别如图1中（a）、（b）、（c）所示。在应用部分，温度误差的两种原因及三种补偿法的不断改进等等。以上各步的实施中都蕴含这种“发现问题、分析问题、解决问题、再发现问题……”不断进取、循序进步的思想内涵。
以上五个步骤为“双向五步式”教学法中的正向，通过正向的“原理→结构→特性→电路→应用”五步的学习，潜移默化地培养了学员发现问题、分析问题和解决问题的能力，初步概括能力、自学能力及探究精神。
四、结束语
“教育是帮助被教育的人，给他们能发展自己的能力，完成他的人格。”“双向五步式教学法”的教学改革实践，增强了学生学习的目的性、积极性，并在教学实施中较好地实现了培养学员的工程应用能力与学习能力，培养学员的创新精神和探索精神的目的。
几年来，“双向五步式”教学法的教学改革实施取得了良好的教学效果：从学员方面来看，学员每年的评教、评学满意度逐渐提高；学员参与科技创新、毕业设计完成情况逐年进步提高。从教员方面来看，教员的教学水平不断提高，几年来在学院教学督导组听课中多次获通报表扬；在学院每年授课质量的评定中授课质量均为优良；多次有教员参加系教法竞赛并选送到学院参加教法竞赛，2011年“光栅传感器”一课获学院教法竞赛一等奖。
参考文献：
[1]黄贤武,郑筱霞.传感器原理与应用(第二版)[M].西安:电子科技大学出版社,2004.
[2]姜利英,张法全,梁威.“传感器原理及应用”课程教学改革与实践[J].中国电力教育,2009(1).
（责任编辑：宋秀丽）
