基于专业特色的“传感与测试技术”教学改革初探

［摘 要］ 针对测控技术与仪器专业中的“传感与测试技术”课程，提出一系列教学改革措施。通过在绪论和章节引言中讲述“科学、人物、工程”故事渗透专业情怀，在测试信号分析教学中强调本质理解与工程应用、淡化数学推导，将教师科研成果引入传感器教学，构建“认知、进阶、研究”三层次实验教学体系，以及提出基于科研成果的课程设计模式，提升教学质量，激发学生的创新积极性，突出专业特色，提高“传感与测试技术”课程的教学效果，培养适应社会需求的高素质专业人才。

［关键词］ 测控技术与仪器；专业特色；“传感与测试技术”；教学改革

［基金项目］ 2022年度北京工业大学教育教学改革专项研究项目“新工科视域下创新创业教育与思政教育融合育人研究”（ER2022GGZX008）

［作者简介］ 王钰珏（1990—），男，安徽灵璧人，博士，北京工业大学信息科学技术学院讲师，主要从事电磁无损检测技术研究；刘秀成（1984—），男，湖南攸县人，博士，北京工业大学信息科学技术学院教授，主要从事微磁无损检测技术研究；高 翔（1991—），男，山西阳泉人，博士，北京工业大学信息科学技术学院副教授，主要从事超声无损检测技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）52-0055-05 ［收稿日期］ 2024-04-05

引言

随着科技的飞速发展和工业自动化水平的不断提高，测控技术与仪器专业在我国向信息化、自动化和智能化的产业转型中地位日益凸显［1］。作为北京工业大学测控技术与仪器专业必修的主干基础课，“传感与测试技术”课程旨在引导学生充分认识传感及测试技术在国家重大工程建设、复杂工程测控技术与仪器研发中的重要地位和作用。课程将先修课程的基础知识进行综合运用，着重培养学生掌握和应用传感及测试技术，解决复杂工程测试问题的能力。“传感与测试技术”教学质量直接影响学生的专业素养和实践能力［2］。

有学者指出，传统教学模式往往注重理论知识的传授，而忽视了实践能力的培养［3］，导致学生在实际应用中难以灵活运用所学知识。还有研究认为，教学内容与实际工程需求脱节，无法满足行业发展对创新型人才的要求［4］；传统“传感与测试技术”教材的信号分析方法与案例，与专业结合弱，造成学生重理论而缺乏解决实际工程问题的能力［5］。此外，一些文献强调了教学方法的单一性限制了学生的学习积极性和主动性［6-7］。

为了应对这些问题，不少研究者提出了一系列改革措施。例如，有学者提出结合学校的实际情况，集中使用有限设备经费，集中时间开设系列实验项目，强化训练的改革思路，且在“传感与测试技术”的课程实践中取得了较好结果［8］；有的学者主张加强实践教学环节，增加综合性和设计性实验项目［9］；也有学者提倡将科研成果引入教学，以激发学生的创新思维［10］。然而，这些改革和测控技术与仪器专业的要求仍存在一定差异，需要进一步完善和优化。

在此背景下，笔者提出了一系列更具针对性和系统性的教学改革措施，旨在突出测控技术与仪器专业特色，提高“传感与测试技术”课程的教学效果，培养适应社会需求的高素质专业人才。

一、当前“传感与测试技术”课程教学中存在的问题

（一）教学方法单一

传统的教学方法以教师讲授为主，学生被动接受，缺乏互动和实践环节，难以激发学生的学习兴趣和主动性。课程内容侧重于理论知识的讲解，缺乏对实际工程应用案例的分析和讨论，导致学生对知识的理解不够深入，难以将所学知识应用到实际工作中。“传感与测试技术”课程涉及大量理论计算和公式推导，讲授难度大，学生也较难完全理解课程内容。单一的“填鸭式”教学的专业培养方式难以满足学生掌握和应用传感及测试技术解决复杂工程测试问题能力的要求。

（二）教学内容脱离专业

“传感与测试技术”是机械、信息和测控等专业的核心课程，通用教材难以突出专业特色。在传感器方面，如今教学内容着重讲述的应变式电阻传感器、变极距电容传感器等，已较少在测控仪器中应用。而应用较为广泛的压电超声传感器、巨磁阻传感器等却鲜有教授。脱离专业实际的教学也难以满足测控技术与仪器专业的培养需要。

（三）实践教学环节薄弱

实践教学设备陈旧且数量不足，实验项目多为验证性实验，缺乏综合性和设计性实验，无法有效培养学生的实践能力和创新思维。“传感与测试技术”课程涉及实验较多，由于设备有限，多数情况下实验以分组形式展开，每组中仅1～2名学生真正认真进行实验，其他学生则围观居多，难以激发其科学探索的兴趣，实践教学的效果大打折扣。

二、教学改革措施

（一）绪论与章节引言中的专业情怀渗透

1.选择具有代表性的案例。在绪论和各章节引言的教学中，精心挑选和“传感与测试技术”相关的“科学、人物、工程”故事，故事应具有代表性和吸引力，能够激发学生的学习兴趣和对科学探索的敬仰之情。例如，可以选择“中国天眼”“港珠澳大桥”等国家重大工程作为案例，讲述此类工程中“传感与测试技术”的应用以及相关科学家的事迹，让学生了解本专业在国家科技发展中的重要作用。

2.结合实际工程问题。在讲述故事的过程中，紧密结合实际工程问题，引导学生思考“传感与测试技术”在解决这些问题时所发挥的作用。例如，介绍“中国天眼”时，可以引出索网应力测量的问题，让学生思考如何通过传感技术准确测量索网的应力，从而保证“中国天眼”的正常运行。通过这种方式，让学生认识“传感与测试技术”在实际工程中的重要性，增强学生的专业认同感和责任感。

3.培养学生的家国情怀。在教学过程中，注重培养学生的家国情怀，让学生明白自己所学的专业知识能够为国家的发展和建设做出贡献。例如，通过讲述“时代楷模”南仁东先生为了“中国天眼”默默奉献的故事，激发学生的爱国热情和使命感，鼓励学生为实现中华民族伟大复兴而努力学习。

（二）测试信号分析教学的优化

1.简化数学推导，注重本质理解。测试信号分析部分涉及傅里叶级数展开、傅里叶变换性质等复杂的数学计算和公式推导，学生理解起来难度较大。教学中，应适当简化数学推导过程，注重对测试信号分析本质的理解。通过实际案例和直观演示，让学生明白信号分析的目的是从复杂的信号中提取有用的信息，从而更好地理解和解决实际工程问题。

2.加强工程应用案例分析。增加工程应用案例分析的内容，让学生了解信号分析在实际工程中的具体应用。例如，可以通过分析超声导波缺陷检测信号、电机振动信号等实际案例，让学生掌握如何运用信号分析方法来检测材料缺陷、诊断设备故障等。同时，鼓励学生结合测控技术与仪器专业方向，思考信号分析在专业领域中的应用场景，培养学生的工程思维能力。

3.利用仿真软件进行实践教学。利用MATLAB、LabVIEW等仿真软件，开发一系列教学仿真案例，让学生通过实际操作加强对信号分析知识的理解和应用能力。例如，让学生利用仿真软件进行信号的采集、处理和分析，模拟实际工程中的信号处理过程，提高学生的实践动手能力和解决问题的能力。

（三）科研成果在传感器教学中的融入

1.引入最新科研成果。在传感器部分的教学中，遵循“工程需求为牵引，技术创新来推动”的思路。教师将自己最新的科研成果融入传感器教学中，向学生展示科研如何解决实际工程问题，激发学生的创新思维和对科研的兴趣。例如，在讲解传感器的原理和应用时，可以结合教师在高精度漏磁检测传感器、磁致伸缩超声导波传感器等方面的科研成果，让学生了解传感器的发展动态和应用前景。

2.开展科研项目式教学。让学生参与教师的科研项目，亲身体验科研的过程。例如，教师可以将高精度漏磁检测传感器科研项目分解成若干个小课题，学生以小组为单位研究如何通过高灵敏度隧道磁阻元件、优化传感器结构和信号处理算法提高测量精度，让学生了解科研的思路和方法。过程中，学生需要查阅文献、设计实验方案、进行实验操作、分析实验数据等，进而培养学生的科研能力和团队合作精神。

（四）实验教学体系的构建

实验教学是“传感与测试技术”课程不可或缺的重要环节，对培养学生的实践能力、创新思维和解决实际问题的能力具有至关重要的作用。为了更好地实现教学目标，我们构建了“认知、进阶、研究”三个层次的实验教学体系，旨在逐步引导学生深入理解和掌握“传感与测试技术”的知识和技能。

1.“认知”层次。主要采用外购的传统教学仪器，结合课程知识点开展基础实验教学。通过基础实验，学生能够熟悉实验设备的基本原理和操作，建立对“传感与测试技术”的初步认识。

认知模块开设的实验内容丰富多样，涵盖了电路特性测试、传感器静动特性测试等。在电路特性测试中，学生将进行正交解调电路、滤波器、放大电路等实验，了解电路的基本组成和工作原理，掌握电路参数的测量和调试方法。学生通过使用应变式电阻称重、光电测距、谐振频率测试等实验手段，可深入了解传感器的工作原理和性能特点，学会如何准确地测量物理量并将其转换为电信号。

为了让学生更好地理解和掌握实验内容，教学中应注重引导学生进行实际操作和观察。比如，在使用常见的应变式电阻传感器实验模块时，学生通过亲自搭建电桥测试电路，测量不同质量砝码下的电阻/电压变化，采集和分析实验数据，深入理解应变式电阻传感器以及单臂、半桥和全桥电路的工作原理和特性。通过“认知”层次的实验教学，学生能够清晰地认识“传感与测试技术”的基本概念和原理，为后续的学习和实践打下坚实的基础。

2.“进阶”层次。利用自行开发的教学仪器，围绕课程知识点的工程应用设计实验项目。旨在让学生在实践中掌握将理论知识应用于实际工程的能力，培养学生的工程实践能力和创新思维。

进阶模块开设的实验内容包括涡流/漏磁传感器设计制作与检测电路开发、材料缺陷的漏磁/涡流检测实验与信号分析等。在涡流/漏磁传感器设计制作与检测电路开发实验中，学生亲自参与传感器的设计和制作过程，了解传感器的结构和工作原理，掌握检测电路的开发和调试方法。通过材料缺陷的漏磁/涡流检测实验与信号分析，学生学会如何运用涡流/漏磁检测技术检测材料中的缺陷，并对检测数据进行分析和处理，判断缺陷的大小和位置。

在鼓励学生设计制作传感器的过程中，引导学生从传感器的原理出发，选择合适的材料和结构，进行传感器的设计和制作。例如，制作漏磁/涡流传感器时，学生需要参与开发检测电路，将传感器与检测电路连接起来，形成一套完整的漏磁/涡流缺陷检测实验系统。实验过程中，学生将对钢板和铝板上不同尺寸的缺陷进行检测，通过对检测数据的分析和处理，学会判断缺陷的大小和位置。这种实践操作不仅能让学生将理论知识与实际应用相结合，还可培养学生的创新思维和解决实际问题的能力。

在“进阶”层次的实验教学中，注重培养学生的团队合作精神和自主学习能力。学生将以小组为单位进行实验，共同完成实验任务。实验过程中，学生需要相互协作、相互交流，共同解决遇到的问题。同时，还需要自主学习相关的知识和技能，查阅文献资料，不断完善实验方案和方法。通过“进阶”层次的实验教学，学生能将所学的理论知识应用于实际工程中，提高自己的工程实践能力和创新思维，为今后的学习和工作打下坚实的基础。

3.“研究”层次。借助开放式的科研平台，引导学生参与科研实验。科研实验通常具有较高的难度和挑战性，需要学生具备较强的独立思考和解决问题的能力。

研究模块开设的实验内容包括标准缺陷试块的超声无损检测实验与信号分析、微磁检测实验与信号分析等。在标准缺陷试块的超声无损检测实验与信号分析中，学生将学习超声无损检测技术的原理和方法，掌握超声检测设备的操作和调试技能，对标准缺陷试块进行检测和信号分析，评估试块的质量和性能。微磁检测实验与信号分析可让学生接触到微磁检测技术这一前沿领域，了解微磁检测技术的原理和应用，掌握微磁检测设备的操作和数据分析方法。在“研究”过程中，学生需要独立思考、不断尝试，解决遇到的各种问题。同时，还需要与教师以及其他学生进行交流和讨论，分享自己的经验和见解，共同提高实验的效果和质量。