《传感器与检测技术及实践》教学大纲
课程英文名 | Sensors and Detection Technology and Practice | ||||
课程编号 | 1G10087 | 课程类别 | 模块课程 | 课程性质 | 必修 |
学分 | 3.0 | 理论+实验 | 1.5+1.5 | 总学时数 | 24+24 |
先修课程 | 电路分析及实践、数字电子技术及实践、模拟电子技术及实践 | ||||
开课学院 | 信息与智能工程学院 | 开课系部 | 电子信息工程系 | ||
面向专业 | 电子信息工程专业 | 开课学期 | 5 | ||
教学团队 | 传感器与检测技术课程组 | ||||
团队负责人 | 钱裕禄 | 团队成员 | 郑敏华、张巧文 方娟妮、樊慧丽 | ||
注：课程类别是指基础课程/核心课程/模块课程/素质拓展课程；
课程性质是指必修/限修/选修
一、课程简介
《传感器与检测技术及实践》课程是工科本科电子信息类专业必修模块课程，开设于第五学期，3.0学分。课程从技术应用和设计实践角度出发，主要介绍常用传感器工作机理、技术应用及注意事项和典型应用电路分析等，同时从工程应用角度出发，学习系统检测和相关应用技术，课程的落实分为理论精讲、实验实践和合作研讨三个部分，侧重“做中学、学中做”。通过本课程的学习，主要是让学生认识传感器技术，分析其在各领域中的应用情况，分析温度、光敏、湿敏、气敏、磁敏、红外和超声波等常用典型传感器的基本工作原理，比较常用传感器的选用，分析基本应用电路的实现和具体实例等；论证传感器应用技术的各方面内容和知识点，认识检测技术，比较检测系统中的信号处理方法，解释检测装置的抗干扰问题等。
本课程将融合课程思政内容，将德育内容融入课程体系，支撑和满足专业毕业的要求：“形成对人生价值的正确认识和积极向上的人生观、价值观，养成对国家、民族、社会和他人的责任感和奉献精神”。通过课程内容与德育相关内容融合的设计，使学生在具备专业能力的基础上，达到思想道德要求。充分认识“课程育人”的首要地位，切实将思想政治教育与知识能力教育有机融合在教学方法中，在理论精讲和合作研讨环节中有效落实这些。实验环节中加入了系统可靠性、安全性等这类思政元素和考评标准，增强学生的环保意识、社会责任意识及安全意识，注重思政教育与专业教育的有机结合。
二、课程目标
通过理论和实践教学活动，具体达到以下课程目标：
课程目标1：充分认识温度、光敏、湿敏、气敏、磁敏、红外和超声波等各种典型传感器的特性和使用方法，分析它们的基本工作原理和应用电路分析方法，突出应用为主，理论精讲、合作研讨和实践创新等环节有机结合，做中学、学中做，为从事与电子信息工程有关的技术工作打下基础。合作研讨主要现实应用问题为载体，以课内课外探究和课堂汇报答疑等方式，结合课程教学省MOOC平台，以研讨小组为单位积极展开，课堂研讨是问题的交汇点，以这种形式增加学生学习兴趣，拓展传感器应用分析和设计要点，提高资料查找、学习分工协作、资料整理归纳、报告书写和展示表达等能力。
课程目标2：能够分析检测系统应用的前端和后端，分析检测系统的安全性、可靠性和稳定性，增强学生的传感工程意识和传感器应用技能，为将来走上工作岗位打下必要的基础。合作研讨的各个话题围绕现实各个领域中的传感技术应用展开，纵深拓展知识。能根据实际的设计任务的要求，选择合适的电路，提出切实可行的设计方案，具备综合的电子系统设计能力。
课程目标3：在完成典型传感器应用电路设计和制作的基础上，能够熟练使用相关设备（信号发生器、直流稳压电源、示波器、万用表等）对实际电路进行分析测试，能正确采集整理实验数据并分析实验结果，并进行电路优化。
《传感器与检测技术及实践》课程目标支撑的毕业要求指标点对应关系如表1所示。
表1 课程目标与毕业要求指标点对应关系表
毕业要求 | 指标点 | 课程目标 | ||
1 | 2 | 3 | ||
毕业要求4： 研究 | 4.2 能够基于电子信息领域专业知识，针对研究对象选择研究线路，设计实验方案，选用或搭建实验装置或仿真系统，采用科学的实验方法，安全地开展实验。 | 0.6 | 0.4 | |
毕业要求4： 研究 | 4.3 能正确采集、整理实验数据，对实验结果进行关联、分析和解释，并通过信息综合得到合理有效的结论。 | 0.3 | 0.5 | 0.2 |
毕业要求5： 使用现代工具 | 5.2 能够选择与使用恰当的仪器、信息资源、工程工具和专业模拟软件，对电子信息领域复杂工程问题进行分析、计算与设计。 | 0.2 | 0.4 | 0.4 |
三、课程教学内容和方法
本课程突出应用为主，理论精讲、合作研讨和实践创新等环节有机结合。理论精讲侧重工作原理和应用注意事项的讲解，典型应用实例的分析以及各种传感器有关的具体问题的解答和交互等；合作研讨主要现实应用问题为载体，以课内课外探究和讨论为方式，结合课程教学省MOOC平台，以研讨小组为单位积极展开，课堂研讨是问题的交汇点，以这种形式增加学习兴趣，提高资料查找、学习分工协作、资料整理归纳、报告书写和展示表达等能力。讨论主题以具体传感器典型应用实例、现实生活中传感器综合应用和具体技术应用问题为主，突出让学生“学会学习”，侧重能力的综合培养。课程教学中注重理论和实践的有机结合，设置了较大比重的实验环节，体现“以硬为主、软硬结合”实践指导思想，突出让学生学会对实验中传感器检测到的相关数据的分析和处理。实践创新方面主要是设计性实验和传感器应用项目化实验结合起来实施，尤其是使用已经构建好的实用传感器模块进行应用设计，具体以设计方案、制作电路和调试结果作为考核对象，通过这样的方式增强学生的动手技能和设计技巧等。实践创新部分主要以专业素质拓展项目的形式开展，主要是“传感器应用DIY制作”和“传感器应用系统综合设计”两部分，其中后者主要侧重传感器模块、LabVIEW、DAQ和执行机构的综合应用设计。课程教学环节及任务分解如表2所示。
表2 课程教学环节及任务分解表
教学环节 | 任务分解 |
1.理论精讲 | 第一章：现代检测技术及传感器基础 |
第二章：常用典型传感器及其应用 | |
第三章：传感器接口技术 | |
第四章：检测系统及抗干扰处理 | |
2.实验实践 | 实验一 温度传感器实验 |
实验二 光敏传感器实验 | |
实验三 气敏传感器实验 | |
实验四 湿敏传感器实验 | |
实验五 霍尔传感器实验 | |
实验六 有害气体检测报警器设计 | |
实验七 实用传感器应用电路设计 | |
3.合作研讨 | 合作研讨： 1.2-3人为一个小组，以某一类传感器拓展应用或某一个领域中的传感器实际应用等为目标，每位同学独立选取某个合适的应用电路进行研讨； 2.做PPT并课堂汇报，现场接受同学提问； 3.按要求独立完成研讨报告的撰写。 |
说明：实验实践和合作研讨分别有效融入理论精讲中。
具体教学内容教学要求与课程目标如表3所示。
表3 教学内容教学要求与课程目标关系表
任务 | 理论教学内容 | 实验教 学内容 | 教学 重难点 | 学生要达到的基本要求 | 学时 | 支撑课程目标 |
现代检测技术及传感器基础 | （1）测量及误差的基本知识。 （2）现代测试系统概述。 （3）传感器基础知识和基本接口电路。 （4）手机和IPAD2中的传感器应用。 （5）无线传感器网与物联网。 （6）传感器在现代检测系统中的应用 | 传感器的选用原则 | 描述测量与误差的基本知识，分析现代测试系统的基本组成，描述检测技术，熟悉现代检测系统中前端、中间处理端和后端的关系；描述传感器的发展与概况，理解传感器组成及类型、基本特性与标定，掌握传感器的选用原则，熟悉基本接口电路。描述当前实用传感技术及在各个领域中的应用情况。 | 理论2学时 | 课程目标1、2 | |
常用典型传感器及其应用 | （1）超声波传感器及其应用。 （2）光电传感器及其应用。 （3）红外线传感器及其应用。 （4）霍尔传感器及其应用。 （5）气敏传感器及其应用。 （6）温度传感器及其应用。 （7）湿度传感器及其应用。 （8）智能化传感器及其应用。 | （1）实验一 温度传感器实验。 （2）实验二 光敏传感器实验。 （3）实验三 气敏传感器实验。 （4）实验四 湿敏传感器实验。 （5）实验五 霍尔传感器实验。 | 重点：（1）常用传感器的基本工作原理和选用。（2）典型传感器的基本应用电路实现。（3）应用实例定性分析。（4）传感器项目化应用设计。 难点：（1）传感器应用实例的分析。（2）传感器项目化设计、制作和应用调试。 | 理解红外传感器、光电传感器、超声波传感器、霍尔传感器、温度传感器、气敏传感器和湿敏传感器等常用典型传感器的基本工作原理，掌握常用传感器的选用方法，掌握前述传感器的基本应用电路的实现，并能对具体应用实例进行定性分析等，同时熟悉这些传感器的应用注意事项。 | 理论10学时+实践15学时 | 课程目标1、2、3 |
传感器接口技术 | （1）传感器信号特点及其基本处理电路。 （2）传感器微机接口技术及其应用。 （3）噪声影响及其消除处理。 （4）传感器综合应用设计及其实现。 | 实验六 有害气体检测报警器设计。 | 重点：（1）传感器信号基本处理电路。（2）传感器微机接口技术 。（3）噪声影响及其消除处理。 难点：传感器微机接口技术。 | 掌握传感器信号预处理电路，包括传感器信号放大电路、阻抗变换电路、线性化处理电路、温度补偿电路等，掌握它们的应用含义；理解传感器信号的微机接口问题，掌握软、硬件接口关系及其具体应用实现；理解噪声影响及其消除方法。 | 理论8学时（合作研讨） +实践3学时 | 课程目标1、2、3 |
检测系统及抗干扰处理 | （1）检测系统中的信号处理方法。 （2）检测装置相关的抗干扰问题。 | 实验七 实用传感器应用电路设计。 | 重点： 检测系统中的信号处理方法。 | 掌握检测系统中的信号处理方法，熟悉和检测装置相关的抗干扰问题具体解决办法等。 | 理论6学时（合作研讨） +实践6学时 | 课程目标1、2、3 |
在课程教学实施中，课程思政有效融入，具体如表4所示。
表4 课程思政教学内容表
任务 | 课程思政融入内容 |
现代检测技术及传感器基础 | （1）传感器技术在工业应用中的重要作用时，以复兴号动车组上数千个传感器为切入点介绍中国高铁的发展，复兴号一列车厢就有三万七千多道工序，一使学生领会什么是新时代的工匠精神，为什么要弘扬工匠精神。讲授环境与污染源的自动检测技术时，着重讲授大气污染和水污染检测方法，根据大气和水污染现状，融入“绿水青山就是金山银山”的发展理念，引导学生树立不能以牺牲环境为代价的绿色发展理念。 （2）结合智能手机和智慧生活中的应用，凸显现代传感技术的地位和作用，激发大家去发现生活中的各种应用，促使大家主动思考现代传感技术应用，并在此基础上激发学习兴趣。 （3）我国的超级工程、尖端科技等建设成就，充分展现了中国改革开放以来取得的伟大成就，其中很多成就都离不开传感器技术。当前物联网产业的发展和应用，作为前端，传感技术担任的角色也至关重要。讲德国工业4.0，中国制造2025等国家战略融入理论教学，将现代工匠的事迹特别是行业精英技术人员的事迹与学生们分享，激发学生爱国奋进的**。 |
常用典型传感器及其应用 | （1）通过传感器在我国工业领域的创新应用，包括：在现代汽车产业上的广泛应用，在机器人上应用了大量的传感器设备，在电子制造的生产线中的传感器设备应用，在食品检测技术中应用传感器采集食品温度、位置等数据，以及我们在航空航天领域和高铁方面做出的为世界瞩目的发明专利与监控系统或仪器的成果，将激发学生的学习热情和爱国主义教育结合在一起，鼓励大家认真学习传感器与检测技术，将来在工业生产中能大展身手。 （2）围绕专业应用，尤其是自动化生产流水线、智能制造、人工智能、智慧交通、智慧农业等方方面面的应用案例以及必要的前景分析等，引导学生去探究和质疑，提升大家的学习兴趣和问题探究能力等。 （3）以小案例引发大思考，比如在教学中通过光电传感器快速发展历程短视频，类比战疫中火神山、雷神山医院崛地而起，感受“稳中有急”、“静中有争”的中国速度，培养学生凝心聚力、砥砺前行的情怀。 |
传感器接口技术 | （1）突出检测技术的重要性和实际检测中需要注意的各种问题，讨论“工匠精神”和“责任心”，增强大家的社会责任感。 （2）结合检测技术典型案例（正反面的）展开讨论，引导大家树立正确的工程意识和科学的检测实现等。 |
检测系统及抗干扰处理 | 传感器应用设计和检测系统中的安全性、可靠性、稳定性考虑，以及系统抗干扰措施的落实到位等，凸显工匠精神和工程意识。 |
四、课程考核方式
（一）课程成绩评定办法
课程综合成绩由平时测验成绩，实验结果和实验报告成绩，研讨及报告成绩和期末理论考试成绩等综合组成。
具体占比如表5所示。
表5 课程成绩组成与课程目标关系表
成绩组成 | 分值 | 考核/评价细则 | 对应的 课程目标 |
平时测验成绩 (15%) | 15 | 每次课结束后会线上布置章节测验题，督促学生课后复习，检验学生对知识点的掌握。 计算全部测验的平均成绩再按15%计入综合成绩。 | 课程目标1 课程目标2 |
实验结果和报告成绩 (20%) | 20 | 根据每个（7个）实验完成质量和实验报告完成情况来评判。 计算实验现场结果和实验报告成绩的平均成绩再按20%计入综合成绩。 | 课程目标1课程目标2课程目标3 |
研讨及报告成绩 (15%) | 15 | 根据学生合作研讨过程、PPT制作与现场汇报、现场问题回答、大报告的撰写情况等来评定成绩。综合计算合作研讨的整个成绩并以15%计入综合成绩。 | 课程目标2课程目标3 |
期末理论考试成绩 (50%) | 50 | 主要考核学生对课程全部关键知识点的理解和掌握情况。考试组织方式为一张纸开卷，机考+笔试，90分钟。 期末考试理论成绩必须到达60分，总评才能合格。计算期末考试总成绩再按50%计入综合成绩。 | 课程目标1课程目标2 |
综合成绩 | 100 | 平时测验成绩(8%)+研讨及报告成绩(12%)+实验现场结果和实验报告成绩(20%)+课堂表现和课外研讨成绩(10%)+期末理论考试成绩(50%) | 课程目标1课程目标2课程目标3 |
（二）考核方式与课程目标
课程目标达成度评价方式与评价占比如表6所示。
表6 课程目标达成度评价方式与评价占比表
课程目标 | 考核方式 | 权重小计 | |||
平时测验成绩 | 实验结果和报告成绩 | 研讨及报告成绩 | 期末理论考试成绩 | ||
课程目标1：充分认识温度、光敏、湿敏、气敏、磁敏、红外和超声波等各种典型传感器的特性和使用方法，分析它们的基本工作原理和应用电路分析方法，突出应用为主，理论精讲、合作研讨和实践创新等环节有机结合，做中学、学中做，为从事与电子信息工程有关的技术工作打下基础。合作研讨主要现实应用问题为载体，以课内课外探究和课堂汇报答疑等方式，结合课程教学省MOOC平台，以研讨小组为单位积极展开，课堂研讨是问题的交汇点，以这种形式增加学生学习兴趣，拓展传感器应用分析和设计要点，提高资料查找、学习分工协作、资料整理归纳、报告书写和展示表达等能力。 | 0.09 | 0.12 | 0.06 | 0.3 | 0.57 |
课程目标2：能够分析检测系统应用的前端和后端，分析检测系统的安全性、可靠性和稳定性，增强学生的传感工程意识和传感器应用技能，为将来走上工作岗位打下必要的基础。合作研讨的各个话题围绕现实各个领域中的传感技术应用展开，纵深拓展知识。能根据实际的设计任务的要求，选择合适的电路，提出切实可行的设计方案，具备综合的电子系统设计能力。 | 0.06 | 0.04 | 0.09 | 0.16 | 0.35 |
课程目标3：在完成典型传感器应用电路设计和制作的基础上，能够熟练使用相关设备（信号发生器、直流稳压电源、示波器、万用表等）对实际电路进行分析测试，能正确采集整理实验数据并分析实验结果，并进行电路优化。 | 0.04 | 0.04 | 0.08 | ||
权重合计 | 0.15 | 0.2 | 0.15 | 0.5 | 1 |
（三）评分标准
本课程的平时测验成绩和期末理论考试都有标准答案和评分标准。课程目标达成情况评价中实验结果和实验报告成绩、研讨及报告成绩评分标准如表7、8所示。
表7 实验结果和实验报告成绩评价标准表
序号 | 评价内容 | 权重 | 优秀 | 良好 | 中等 | 及格 | 不及格 |
1 | 方案与电路设计 | 0.2 | 独立自主设计方案与电路电路。 | 能在同学或老师的帮助下自主设计方案和电路。 | 能在同学或老师的帮助下设计方案和电路。 | 能在同学或老师的帮助下设计方案。 | 无法完成方案或电路设计。 |
2 | 电路装接 | 0.25 | 独立完成电路装接，电路装接正确，装接工艺良好，整体美观。 | 独立完成电路装接，电路装接正确，装接工艺较为良好，整体较为美观。 | 独立完成电路装接，电路装接较为正确，装接工艺基本良好，整体基本美观。 | 在老师或同学的协助下完成电路装接，电路装接基本正确，装接工艺有少量问题，美观性一般。 | 无法完成电路装接或者电路装接不正确。 |
3 | 电路测试与调试 | 0.15 | 能独立完成电路测试，测试数据正确，遇到问题能独立调试 | 独立完成电路测试，测试数据正确，遇到问题能在协助下调试 | 能独立完成电路测试，测试数据较为正确，遇到问题能在协助下调试电路 | 能独立完成电路测试，测试数据基本正确，遇到问题能不会调试电路。 | 不会测试电路或者电路测试不正确。 |
4 | 仪器使用与规范 | 0.1 | 能合理选择，并且正确使用仪器设备，操作过程规范 | 能较为合理选择仪器设备，正确使用仪器设备，操作过程较为规范 | 能在老师的协助下选择仪器设备，仪器设备使用较为正确，操作过程较为规范。 | 能在老师的协助下基本完成仪器设备选择，仪器设备使用基本正确，操作过程基本规范。 | 不会选择和操作仪器设备。 |
报告撰写 | 0.3 | 书写顺畅、叙述清楚、问题回答正确，格式规范。 | 叙述清楚、问题回答基本正确，格式较规范。 | 存在很少叙述不清楚的地方，部分问题回答不到位、格式较规范。 | 存在一些叙述不清楚的地方，部分问题没有回答、格式不够规范。 | 通篇叙述不清楚，没回答问题、格式不规范。 |
表8研讨及报告成绩评价标准表
序号
评价内容
权重
优秀
良好
中等
及格
不及格
1
研讨内容或方案准备
0.3
方案或内容选择与电路设计描述详实；数据分析正确；问题分析与结论理论联系实际。
方案或内容选择与电路设计描述较为详实；数据分析较为正确；问题分析与结论理论联系实际。
方案或内容选择与电路设计描述基本详实；数据分析较为正确；问题分析与结论不够深入。
方案或内容选择与电路设计描述欠详实；数据分析基本正确；问题分析与结论不够深入。
方案或内容选择与电路设计描述简单；数据分析存在较多错误。
2
现场汇报和问题回答
0.4
现场汇报表达清楚，准确到位；现场问题回答正确。
现场汇报表达较为清楚，总体准确到位；现场问题回答基本正确。
现场汇报表达基本清楚，基本准确到位；现场问题回答部分正确，些许有误。
现场汇报表达不太清楚，准确到位有欠缺；现场问题回答大部分不太正确。
现场汇报表达
清楚，也不准确；现场问题回答基本都是错的。
报告撰写
0.3
书写顺畅、叙述清楚、问题回答正确，格式规范。
叙述清楚、问题回答基本正确，格式较规范。
存在很少叙述不清楚的地方，部分问题回答不到位、格式较规范。
存在一些叙述不清楚的地方，部分问题没有回答、格式不够规范。
通篇叙述不清楚，没回答问题、格式不规范。
注：优秀：100≥X≥90；良好：90>X≥80；中等：80>X≥70；及格：70>X≥60；不及格： X<60
五、教材与参考书
教材：
1．钱裕禄 编著.《传感器技术及应用电路项目化教程》修订版.北京大学出版社,2018年8月.
2．钱裕禄 编.《传感器与检测技术实验指导书》.浙江万里学院, 2021年5月.
参考书：
1．王俊峰 孟令启 等编著.《现代传感器应用技术》.机械工业出版社,2006年9月.
2．何希才 主编 .《传感器技术及应用》.北京航空航天大学出版社,2005年4月.
3．梁森 主编 .《自动检测技术与应用》.机械工业出版社,2006年10月.
六、说明
本课程大纲仅适用于已修读过先修课《电路分析及实践》、《数字电子技术及实践》、《模拟电子技术及实践》等课程的学生，其他学生需自学或者选修相关课程。
运用课程大纲实施教学活动时，理论精讲、合作研讨和实践创新等环节有机融合，凸显“做中学、学中做“。
执笔人：钱裕禄
审核人：课程组全体教师