新工科背景下“傳感器原理與應(yīng)用”課程教學(xué)與探討

楊柳 胡永明

摘要“傳感器原理與應(yīng)用”是一門以工程應(yīng)用為目標(biāo)的重要課程，在新工科教育背景下，以一流應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，更注重學(xué)生實(shí)踐能力和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，使之成為符合社會(huì)和企業(yè)需求的人才。文章首先介紹了該課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題，針對問題，通過改革課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠獨(dú)立完成傳感器應(yīng)用的研發(fā)，提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力，真正做到學(xué)以致用，知行合一。

關(guān)鍵詞 新工科；教學(xué)改革；傳感器原理與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.034

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對于人才的需求不斷增大。尤其隨著產(chǎn)業(yè)智能化、機(jī)械化程度的不斷加深，現(xiàn)有的人才培養(yǎng)體系已難以滿足社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要。2017年，教育部提出了發(fā)展新工科的概念，先后出臺(tái)了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”等文件，這些內(nèi)容為適應(yīng)新時(shí)代背景下的工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)指出了方向。

傳感器作為智能化工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，是人工智能與新一代信息技術(shù)的重要內(nèi)容，也是現(xiàn)代化工業(yè)與器械的“眼睛”。隨著人工智能的發(fā)展，出現(xiàn)了新一代的工科專業(yè)如“智能制造”“物聯(lián)網(wǎng)工程”“機(jī)器人工程”等，傳感器作為感知外部信息的重要單元，在這些專業(yè)和工程體系中具有舉足輕重的作用[1]。然而，“傳感器原理與應(yīng)用”這門課需要的前置課程包括“C語言編程”“計(jì)算機(jī)原理”“模擬電路”“數(shù)字電路”“信號(hào)與系統(tǒng)”等基礎(chǔ)課，要求學(xué)生在前置課程交叉融合的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合應(yīng)用和實(shí)踐。此外，該課程知識(shí)點(diǎn)多且復(fù)雜，理論學(xué)習(xí)枯燥，缺乏系統(tǒng)性，并且很多時(shí)候由于實(shí)驗(yàn)條件等限制，使該課程大部分內(nèi)容僅停留在理論層面，缺乏系統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)[2-3]。因此，作者探索借助多元化的教學(xué)手段來提高“傳感器原理與應(yīng)用”課程的有效性，滿足新工科背景下的教學(xué)要求。

1課程的教學(xué)現(xiàn)狀

目前，湖北大學(xué)（以下簡稱“我校”）“傳感器原理與應(yīng)用”課程在授課過程中主要存在以下幾方面的問題：

1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)器械老舊

傳感器原理這一門課程以現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱在信息系統(tǒng)中擔(dān)任著感官的作用。傳感器也隨著時(shí)代的發(fā)展不斷前進(jìn)，正從傳統(tǒng)的分立式向集成化、智能化、數(shù)字化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。然而，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限，導(dǎo)致傳感器及其測試設(shè)備更新緩慢，現(xiàn)存的實(shí)驗(yàn)儀器仍是十幾年前的通用傳感器，對于新型傳感器基本沒有涉及。隨著科技的快速發(fā)展，新型的傳感器不斷迭現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)用傳感器未能與現(xiàn)代工業(yè)體系下的傳感器相結(jié)合，內(nèi)容更新較為緩慢，導(dǎo)致傳感器實(shí)驗(yàn)跟不上時(shí)代發(fā)展的步伐。

1.2傳感器實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)安排單一

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通常采用教師講解―學(xué)生分組操作―數(shù)據(jù)處理―實(shí)驗(yàn)報(bào)告的模式進(jìn)行，盡管這些步驟在一定程度上可以讓學(xué)生將理論融入實(shí)踐，提高動(dòng)手能力，但是，一個(gè)分組往往有好幾名學(xué)生，教師在實(shí)驗(yàn)過程中不能兼顧每一個(gè)學(xué)生，無法保證每一個(gè)學(xué)生的實(shí)踐能力都得到提高。此外，學(xué)生實(shí)驗(yàn)為固定性的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程往往照本宣科，無法鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

1.3教學(xué)安排重理論、知識(shí)點(diǎn)分散

目前，傳感器原理的大部分學(xué)時(shí)仍然安排在理論課程，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)課程學(xué)時(shí)較少。教學(xué)大部分仍集中在各類傳感器的部分理論解釋，且解釋過程過于抽象，難以讓學(xué)生與實(shí)際應(yīng)用相互對照。此外，傳感器的理論部分過于枯燥、知識(shí)點(diǎn)分散，該課程集中了幾十種傳感器，每一種都存在不同的傳感原理與應(yīng)用環(huán)境，缺乏系統(tǒng)架構(gòu)與梳理流程，僅從理論解釋很難引起學(xué)生的興趣。

1.4學(xué)生實(shí)驗(yàn)意識(shí)缺乏、水平有待提高

一些學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)不足，加之實(shí)驗(yàn)態(tài)度不端正，未認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)的重要性，因此對于實(shí)驗(yàn)中的儀器不夠愛護(hù)。此外，學(xué)生由于缺乏實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)的技能和安全意識(shí)缺乏，容易因?yàn)閷?shí)驗(yàn)失誤造成自身損傷或者儀器損傷。

2課程教學(xué)改革探索

2.1優(yōu)化課程內(nèi)容與安排

優(yōu)化課程安排。針對該課程理論授課內(nèi)容較多、實(shí)驗(yàn)安排較少的問題，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)分配，將部分理論課程的講授放在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)行理論知識(shí)的傳輸，利用實(shí)驗(yàn)的過程、儀器、場景對傳感器的理論進(jìn)行深入剖析，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生將理論融入實(shí)踐，讀萬卷書不如行萬里路，多思考、多動(dòng)手，在實(shí)驗(yàn)過程中鍛煉學(xué)生分析和解決問題的能力。此外，除了實(shí)驗(yàn)和課堂內(nèi)容外，還可以開展一定學(xué)時(shí)的傳感器應(yīng)用環(huán)境的實(shí)際考察與探索，例如，調(diào)研油氣管道、輸電線路，對現(xiàn)行線路監(jiān)測的位置、參量、傳感器類型等多個(gè)方面進(jìn)行考察，重點(diǎn)讓學(xué)生了解監(jiān)測的目的和意義，明白傳感器實(shí)際應(yīng)用的重要性，激發(fā)學(xué)生對于該課程的學(xué)習(xí)興趣。

優(yōu)化課程內(nèi)容。目前本校的傳感器課程主要集中在傳統(tǒng)教學(xué)講授過程中，講授的傳感器類型較多，原理各不相同，理解相對復(fù)雜，但是傳感器部分原理相通，因此，本課程將各類傳感器進(jìn)行綜合劃分，重點(diǎn)講解某一種傳感器，從原理、效應(yīng)、器件設(shè)計(jì)到系統(tǒng)規(guī)劃進(jìn)行充分講授。由于學(xué)生已經(jīng)在前置課程中學(xué)習(xí)了多種專業(yè)知識(shí)和基礎(chǔ)課程，傳感器這門課程的重點(diǎn)不再是簡單的對于所有傳感器理論的分析，而是轉(zhuǎn)移到提高學(xué)生實(shí)際解決工程問題的能力，也是學(xué)生從學(xué)習(xí)階段向社會(huì)就業(yè)或者研究生項(xiàng)目培養(yǎng)階段的轉(zhuǎn)變。因此，在某一類相同傳感器中選擇一種傳感器，讓學(xué)生自己進(jìn)行講解，學(xué)會(huì)自己分析、選擇所需傳感器，實(shí)現(xiàn)從理論教授到方法講授的轉(zhuǎn)變，授之以魚不如授之以漁，進(jìn)而達(dá)到觸類旁通的目的。

2.2以實(shí)踐為向?qū)剿鱾鞲衅鲗?shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式

從應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)傳感器實(shí)驗(yàn)新模式。多途徑提升傳感器實(shí)驗(yàn)的效果，摒棄傳統(tǒng)的傳感器驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)課程理論的講解和前期多門公共課和基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，探尋從理論到實(shí)踐的升華。首先，打破傳統(tǒng)驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)開放型實(shí)驗(yàn)架構(gòu)。本課題組根據(jù)教師自己的研究內(nèi)容，結(jié)合企業(yè)需求，設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，在給定的應(yīng)用環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)化、主動(dòng)化、差異化的實(shí)驗(yàn)體系，真正的學(xué)以致用，如智能溫室大棚、視覺機(jī)器人、智能水質(zhì)管理等。以水質(zhì)檢測為例，本課題組結(jié)合環(huán)境水質(zhì)的監(jiān)測課題，設(shè)計(jì)了對于水質(zhì)的多參量監(jiān)測；學(xué)生需要結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測的特點(diǎn)和參量特性，根據(jù)所學(xué)的傳感器原理和參數(shù)特點(diǎn)，選擇合適的傳感器，如溫度傳感器、pH值傳感器等。分析該傳感器的具體理論、傳感機(jī)理、靈敏度等具體數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集與處理裝置，實(shí)現(xiàn)傳感器的實(shí)際應(yīng)用。這樣做，學(xué)生不僅可以掌握本課程的課堂理論知識(shí)，還可以鞏固相關(guān)傳感器理論、數(shù)字電路、模擬電力、數(shù)字信號(hào)處理等基本知識(shí)，提高自己實(shí)際解決問題的能力。

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的流程一般是按照既定的驗(yàn)證性的試驗(yàn)方案，課前預(yù)習(xí)―理論講解―動(dòng)手操作―實(shí)驗(yàn)報(bào)告，該過程只要學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)手冊的步驟和流程一步步操作基本不會(huì)出現(xiàn)其他問題，也不存在思考與分析，對于學(xué)生的實(shí)踐能力沒有明顯的提升。本教研組按照場景設(shè)計(jì)―理論分析―實(shí)驗(yàn)方案―傳感器選擇―電路設(shè)計(jì)―軟件設(shè)計(jì)―數(shù)據(jù)采集預(yù)處理―實(shí)驗(yàn)后分析與探討等幾個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)化，從問題出發(fā)，以解決問題為目的，讓每一個(gè)學(xué)生能夠依據(jù)所學(xué)知識(shí)，主動(dòng)思考，針對場景選取合適的方案和處理流程，也會(huì)發(fā)現(xiàn)通常實(shí)踐中與理論相互不匹配的問題，把抽象的理論向具體的方案轉(zhuǎn)變，加深學(xué)生對于傳感器的理解和認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

2.3開通線上線下教學(xué)―實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

教學(xué)過程是教師和學(xué)生不斷互動(dòng)的過程，只有讓學(xué)生加入日常教學(xué)活動(dòng)中，才可以最大限度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。對于“傳感器原理與應(yīng)用”這門課，由于其中聚集的知識(shí)點(diǎn)較多、較雜，僅僅靠課堂教學(xué)顯然難以滿足傳感器整體知識(shí)的傳授，因此，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的多種教學(xué)手段，如多媒體、慕課等手段，補(bǔ)充課堂學(xué)習(xí)。比如，對于光纖傳感器這一傳感器的講解，其中涉及光學(xué)、光纖、信息處理等多門學(xué)科的知識(shí)，僅僅靠課堂上的講解顯然不足以將這一部分內(nèi)容講解透徹，學(xué)生聽不懂，學(xué)不會(huì)，必然導(dǎo)致教學(xué)效果不好。本教研室將光纖傳感器這一部分的大部分知識(shí)，包括光纖原理、光學(xué)信息損傷、信息處理技術(shù)等多種前置內(nèi)容放到線上；在課堂上，教師布置光纖光柵傳感器的學(xué)習(xí)要求，并提出具體的溫度傳感應(yīng)用場景，學(xué)生在線上對內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)、研討，了解該傳感器的原理與細(xì)節(jié)，教師抽取隨機(jī)分組，由學(xué)生進(jìn)行講解、分析與應(yīng)用。教師只針對學(xué)生匯報(bào)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行查缺，對重點(diǎn)難點(diǎn)和學(xué)生提出的問題展開講解。通過該種方式，讓學(xué)生不再局限于被動(dòng)地接受知識(shí)，發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，教學(xué)效果明顯好轉(zhuǎn)。

開通線上虛擬實(shí)驗(yàn)的混合模式。雖然經(jīng)過前述的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)化，可以提升學(xué)生的實(shí)踐能力，但是不可否認(rèn)，每一次的實(shí)踐都會(huì)消耗大量的時(shí)間。此外，受限于學(xué)校的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器更新?lián)Q代緩慢等問題，本教研室借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上模擬現(xiàn)實(shí)中傳感器實(shí)際制作和操作的實(shí)例，將課程中受限于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)時(shí)間等問題的傳感器實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)上運(yùn)行，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和愛好，結(jié)合自身關(guān)心的應(yīng)用環(huán)境，在線上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)來補(bǔ)充實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐的不足，提高學(xué)生對于傳感器原理的理解和動(dòng)手能力。

2.4完善考核機(jī)制

我校的“傳感器原理與應(yīng)用”這門課的考核機(jī)制主要采用考試和實(shí)驗(yàn)報(bào)告綜合評價(jià)方案，難以滿足現(xiàn)在的應(yīng)用需要，也難以體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)按部就班，實(shí)驗(yàn)結(jié)果千篇一律。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中依照實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟，能夠快速完成實(shí)驗(yàn)和編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。然而，學(xué)生課后很少思考本次實(shí)驗(yàn)所用到的傳感器的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)機(jī)制、設(shè)計(jì)思路等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果千篇一律，也不存在實(shí)驗(yàn)可能存在的誤差，因此，實(shí)驗(yàn)分析和總結(jié)報(bào)告空洞，言之無物。教師打分也僅僅是根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和操作過程中的觀察情況，不能給出一個(gè)綜合的考查結(jié)果。為了提升學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)的主觀能動(dòng)性，教師可以在實(shí)驗(yàn)過程中留下1―2個(gè)關(guān)鍵問題，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中受阻，然后組織學(xué)生對于這些問題進(jìn)行探討和反思，深入了解傳感器的原理以及傳感器設(shè)計(jì)及系統(tǒng)安排中的關(guān)鍵點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，不應(yīng)僅僅停留在紙面的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，應(yīng)增加學(xué)生的討論環(huán)節(jié)，學(xué)生對每組實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題進(jìn)行深入討論，共享實(shí)驗(yàn)技巧。比如，光纖傳感實(shí)驗(yàn)過程，傳統(tǒng)原理采用人眼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)刻度的讀取環(huán)節(jié)，然而模糊的實(shí)驗(yàn)場景較難實(shí)現(xiàn)刻度的精確性，有的同學(xué)采用多組鏡頭和手機(jī)攝像結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜數(shù)據(jù)的簡單讀取，提升了實(shí)驗(yàn)效率。最終，將這幾部分的研討和解決問題的環(huán)節(jié)納入最終的成績，全面反映學(xué)生處理問題和分析問題的能力。

3結(jié)論

在當(dāng)前“新工科”發(fā)展的背景下，圍繞培養(yǎng)符合國家發(fā)展戰(zhàn)略的應(yīng)用型人才為目標(biāo)，建立應(yīng)用型本科院校，以培養(yǎng)能夠?qū)⒊墒斓募夹g(shù)和理論快速應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中的技能型人才為宗旨，文章對“傳感器原理及應(yīng)用”這門課的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在的問題進(jìn)行剖析，提出采用優(yōu)化課程內(nèi)容、實(shí)踐為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)規(guī)劃、線上―線下綜合教學(xué)、完善考核機(jī)制等多種手段，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的能力，完善學(xué)生分析問題、解決問題、處理問題的能力。通過改革，傳感器原理與應(yīng)用取得了一定的成效，學(xué)生課堂的注意力顯著提升，學(xué)生參與討論與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能動(dòng)性明顯提升。通過該課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升了我校對于“新工科”背景下應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

基金項(xiàng)目：湖北大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（030017644）。

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