基于傳感器與檢測技術課程項目導向的學做一體教學改革實踐探索

胡美些

（內蒙古機電職業技術學院，內蒙古呼和浩特 010070）

具有微型化、數字化、智能化特點的傳感器是智能制造的基礎，是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器與檢測技術是學生掌握現代檢測裝置和自動測控系統的必需課程，特別是在以人工智能、大數據、5G 技術等為代表的新一輪信息技術快速發展的新趨勢下，更是成為職業院校自動化、智能控制、機電等相關專業的核心課程[1]。課程開設的目的在于培養學生傳感技術方面扎實的專業理論和實踐技能，使學生能在機械生產、檢測領域完成相關的數據檢測、儀器操作和儀器維修。實踐性強是該課程最大的特點[2]，如何提升實踐能力是課程教學設計和教學改革時需首要考慮的問題，項目導向、學做一體是提升實踐應用能力的重要方法，本文結合改革實踐對此進行了深入探討和深刻反思。

1 現有教學模式存在的問題

當前，傳感器與檢測技術是電類、機類專業的必修課之一，課程開設的廣度和在課程體系中的重要程度前有未有。高校任課教師始終緊跟行業發展態勢和教學改革需求，與時俱進地開展相關教學改革研究。多數研究者提出改革傳統的單一理論教學模式，代之以理論教學與實驗驗證相結合的教學模式；也有少量研究者在本科院校采取了集理論教學、實驗教學、課程設計為一體的教學模式；還有部分研究者利用中國MOOC 或智慧職教等網絡教學平臺開展線上線下混合式教學活動，提高學生對傳感器理論和實踐技能的自主學習探究能力[3-7]。

縱觀目前各高校所開展的課程改革實踐，還存在以下問題：基于驗證性實驗的理實一體課程改革，學生參與學習和探究的深度不夠，學習熱情和積極性不高；基于課程設計的理實一體課程改革，所使用的仿真系統采購費用較高，項目設計、制作零配件雜且多，采購齊備有一定困難；大多數高校采用C 語言、Arduino 等專業難度較高的編程軟件完成傳感器的自動檢測任務，這對于職業院校沒有編程基礎的非計算機類專業，比如機械大類專業學生來說，學習難度較大，嚴重影響了教學效果的提升和教學目標的達成[8]。

內蒙古機電職業技術學院的傳感器與檢測技術課程同樣經歷了由單一理論授課到依托傳感器綜合實驗平臺開展驗證性實驗理實一體化的課程改革，在實踐環節學生可以通過一些簡單的電路連接觀察傳感器檢測相關物理量的實驗結果，相比以前的單一理論授課模式，學生的學習興趣和積極性有所提高，但是因為驗證性實驗本身的特點，決定了學生參與深度不夠，難度不大，學習的積極性和熱情還有待進一步提高。

2 項目導向、學做一體的教學改革方向

部分高職院校學生學習基礎較差、起點低，學習主動性不強，但是有動手操作的意愿與集體榮譽感，教師在教學過程中需要因材施教，增加實踐動手環節，通過輕松愉悅的氣氛來激發學生的學習熱情，可通過分組合作并進行小組PK 增強學生的集體榮譽感，進而提高教學效果。

本項目以項目化教學為導向，結合“互聯網+”大賽，把理論講授、硬件搭建、軟件程序編寫相融合，指導學生結合理論知識的學習正確選擇、使用傳感器，制作出能自動檢測的實物成果，在學做一體的過程中，深度學習和實踐傳感器、檢測技術、機械工程、軟件編程等相關專業知識和技能。為了克服制作零配件雜且多帶來的采購難、編程軟件專業性強等實際問題，采用一站式方式購買Arduino 套件，編程采用與Arduino 控制板兼容又簡單易學的linkboy 編程軟件。該編程軟件是免費開源的圖形化編程平臺，通過鼠標交互拖拽建立編程邏輯，擁有可視化界面的模擬仿真功能，沒有編程基礎的初學者也沒有學習門檻，而且可以在編程界面直觀模擬硬件搭建和程序運行，不用另外采購模擬軟件，大大節省了模擬軟件采購成本和直接在硬件上調試所帶來的硬件損耗成本，特別適合機械類專業完成傳感器與自動檢測、自動控制相關知識和技能的學習與實踐。而且本文依托“互聯網+”大賽平臺，可以實現以賽促學、以賽促教、以賽促改的目的。

3 項目導向、學做一體的教學改革具體實施

3.1 針對傳感器與檢測技術初學者，以實踐項目為導向，實現教、學、做一體

3.1.1 項目設計

由于機電類專業未來的工作崗位是機電產品操作、組裝、檢測、調試、維護與管理，所以歸納出壓力、溫度、位移、速度等傳感器安裝、檢測、調試及運行等行動領域，根據基于工作過程的課程設計思想，轉換成傳感器應用的各個學習領域，形成電子秤的設計與制作、電子溫度計的設計與制作、超聲波避障小車的設計與制作等7 個教學情境。

3.1.2 項目實施

每一個教學情境都依托一個具體的實踐項目，將項目完成需要用到的軟硬件知識點融入項目的教學部分，形成項目的原理部分，將項目完成需要的技能點融入項目的實踐部分，形成項目的操作部分，印發項目指導書供學生學習使用。具體實施過程如下。

（1）課前：教師通過信息化平臺如智慧樹班課或者微信、QQ 等社交媒體發布項目任務，同時發布相關知識點和技能點的微課；學生查看任務并查閱和學習相關資料，制定相應的任務計劃并領取相關的材料和零配件。

（2）課中：首先是程序編制。所有學生首先利用linkboy 軟件進行程序編制，因為linkboy 軟件屬于圖形化拖曳式編程軟件，內置了硬件連線界面和仿真功能，可以在編程過程中模擬硬件的連接和程序的虛擬仿真運行，所以學生可以邊編程邊調試；其次是硬件搭建，小組成員分工合作，協同配合，把項目所需要的各個零配件組裝好，并把編好的程序用優盤拷貝下來，下載到硬件系統上進行實物調試。學生可能會因為對程序邏輯的理解不夠，或者對硬件功能和結構的設計存在缺陷，導致這個過程出現反復，需要重新編制程序，這不僅是對教師教學水平和能力的考驗，也是項目化教學的關鍵。

（3）課后：在所有小組完成軟件編程和硬件搭建并調試成功之后，教師組織各小組進行匯報，與此同時，進行小組間互評、自評和教師點評，最終得出考核成績；項目完成后，教師還要組織學生對整個項目實施過程中遇到的問題和解決方法進行討論、整理，強化學生對理論知識與實踐環節的掌握，以達到激發學生興趣、培養學生創新能力和綜合應用能力的目的。

3.1.3 課程考核

以項目為導向、學做一體的課程考核更加注重學生平時學習和實踐對能力的考核，考核分平時成績和結課考核。平時考核包括考勤（占比為10%），課前預習及準備（占比為10%）、課堂表現（占比為10%）、小組自評及互評（占比為20%）、期末考試（占比為50%）。期末考核要求每名學生以在課程中學過的一種或幾種傳感器為基礎，設計一個項目，完成程序編制和硬件搭建以及運行調試，并進行演示和講解，這個環節主要考核學生的理論功底、實踐能力和創新能力。

3.2 針對傳感器與檢測技術學有基礎者，以賽促學，以賽促改

“互聯網+”大賽是加快培養創新創業人才，持續激發大學生創新創業熱情，展示創新創業成果的重要載體[9]。對有學習基礎、學有所長、實踐能力強的學生，在前期傳感器與檢測技術課程學習的基礎上選拔出3～5 人組成團隊，由校內專業課教師和企業實踐指導教師組成指導教師團隊，指導其參加“互聯網+”大賽，探索基于大賽的傳感器與檢測技術課程的教學延伸。參賽項目的設計除了要考慮基于傳感器的應用，還要考慮實用性、創新性，能夠解決生產生活的實際問題。

3.2.1 確定項目主題

首先要根據課程教學目標確定參賽項目的主題。傳感器是機器人進行信息傳感和智能處理的關鍵裝置，涵蓋了機器人的觸覺、視覺、力覺以及距離感、位置感等傳感裝置。運用與發展傳感器，能大力推動機器人技術的深入發展[10]。學生在學習過電機與電氣控制、電工電子技術基礎、傳感器與檢測技術、可編程控制器技術應用、自動化生產線安裝與調試等課程之后，已經具備了多傳感器融合應用的專業基礎，教師在此基礎上為學生確定機器人在某一領域的應用作為大賽項目的主題，比如本校第一次參加“互聯網+”大賽選擇的主題就是防疫清潔機器人的設計與制作。

3.2.2 市場調研

市場調研是個人或組織針對特定的決策問題而系統地設計、搜集、記錄、整理、分析及研究市場各類信息資料、報告調研結果的工作過程。清潔機器人的市場調研采取了實地考察和上網、電話咨詢等多種方式，主要了解各種清潔機器人的應用場合、市場占有情況，目前市面上銷售的掃地機器人結構、功能、價格、客戶群體和優缺點等信息。最終將調查到的全部情況和材料進行分析研究，了解清潔機器人的行業前景、政策支持、市場痛點，總結出本項目的創新點和產品定位。

3.2.3 撰寫項目計劃任務書

在前期市場調研的基礎上，分析市場痛點、確定產品定位、制定研究路線、找到破解痛點的核心技術、構建組織結構、制訂商業模式、分析效益與風險、規劃企業遠景目標，撰寫項目計劃任務書。計劃任務書的撰寫和反復修改過程，可以幫助學生理清思路，找到目標，不斷提升“互聯網+”項目商業計劃書的科學性與合理性，提升參賽項目的整體水平[11]。

3.2.4 實施項目

內蒙古機電職業技術學院第一次參賽項目為清潔機器人的設計與制作，包括了硬件搭建和軟件編程兩個部分。首先根據清潔機器人的功能、工藝與標準化要求，結合市場使用情況反饋，確定其5 個硬件組成部分，即系統主控部分、傳感器部分、行走機構部分、清潔防疫機構部分、輔助部分。然后使用UG 和AuToCAD 軟件進行二維圖和三維圖的繪制。硬件搭建包括智能小車各項功能模塊的搭建和拖地裝置與噴霧裝置的安裝。機器人在具備了機械結構、控制系統之后，最為關鍵的就是控制程序的編寫和調試，最終實現機器人的功能動作。根據學生前期掌握的編程知識和進一步學習的成效，為學生選擇合適的編程語言，結合清潔機器人要實現的功能進行程序編制，并進行相關功能調試。

4 教學改革反思

教學團隊歷時一年，兩個學期，利用7 個項目完成了傳感器與檢測技術課程的教學改革實踐；學生在學做一體的教學模式下掌握了傳感器的相關知識，初步具備選擇合適傳感器并進行應用的能力，較好地實現了課程教學目標。與此同時，教師指導學生團隊參加2022 年“互聯網+”大賽并獲內蒙古自治區大賽銀獎。學生在開展大賽項目設計中不斷發現問題、分析問題、解決問題，在不斷的遭遇挫折、克服困難、接觸市場、感知市場的過程中，大大激發了創造力。根據實踐探索，有下面幾點反思。

4.1 專兼結合教學團隊是開展項目化教學的基礎

項目導向、學做一體的教學模式對教學團隊的素質要求很高，比如課程涉及的傳感器敏感性強，在實現自動檢測的過程中，會受到很多來自環境和自身不確定因素的影響，造成理論上本可以實現的自動檢測在實踐過程中因為干擾而達不到目的的情況時有發生，而且軟件程序編制中邏輯結構所具有的復雜性，導致學生在硬件搭建、軟件編制和實物調試時反復性大，問題頻發，具備豐富實踐經驗的教師對學生的指導和教學就顯得尤為迫切。特別是來自企業或者是生產、生活實踐的大賽項目，到了項目設計制作的最后環節，更加需要指導教師具備靈活應用專業知識分析問題、解決問題的能力和豐富的實踐經驗。校內專任教師往往由于教學任務單一、企業一線經驗缺乏、多學科知識融合能力不足等原因，在實施項目化教學的過程中難以對學生進行有效指導。為了更快、更有效地提高教學效果，要組織專任教師定期進企業實踐鍛煉，組建一支高素質、專兼結合的師資隊伍顯得尤為重要[12]。

4.2 實踐項目的選擇和確定是項目化教學改革的根本

首先，項目化教學的主題必須來源于實踐，不能簡單化和理想化，所以，項目設計必須是在市場調研的基礎上形成的。其次，由于受到課堂教學時間或教學內容限制，企業的實際工作過程可能不適合完全照搬到課堂，需要專任教師與兼職教師共同研討、設計出符合學生學習特點和學習規律的學做一體教學項目，在保證項目教學效果的同時也符合工作崗位的實際情況[13]。最后，實踐項目還要在將來的教學中能夠被學生學習、模仿和再創新，這就要充分考慮學生的特點和專業基礎，既要有一定難度又不能難度過大，這是教師在確定實踐項目時需要充分考慮和解決的問題。

4.3 不斷迭代和改進是項目化教學改革持續深入的法寶

項目化教學以其項目導向、學做一體的特點非常適合職業教育實踐性、職業性、開放性的需要。但任何一個項目設計之初都是稚嫩、不太成熟的，在執行過程中總會遇到問題，如某些項目可能只是考慮一門課程的教學目標，導致項目不太完整或過于簡單；又如有的項目設計過于復雜，對學生來說難度較大，或項目的順利實施干擾因素太多，成功率不高，導致學生在學習中屢受挫折而積極性不高；還有一些大賽項目需要不斷創新，持續迭代升級。這就要求教師在多輪教學實踐中結合課堂教學反饋和大賽項目的參賽情況，不斷更新內容，優化項目，最終使課堂教學的多個項目逐步迭代，最后形成一個完整的大賽項目。這種項目導學的課改模式以完成一個又一個緊密銜接的子項目任務來驅動學生學習，其實踐性和職業性更加契合職業教育的要求[14]。

4.4 走教學、大賽、科研一體化的道路是項目化教學改革系統化的必由之路

教學、大賽、科研一體化是由職業學校特點決定的，也是項目化教學改革系統化的必由之路。教學是學校的中心工作，是學校發展的生命線，項目導向、學做一體的教學是反映職教特色、提高教育質量的重要模式。大賽是引領教學改革創新、完善教學內容、培養學生實踐能力的平臺。科研是推動和深化職業教學改革的基礎，是提高教學質量的保證[15]。走教學、大賽、科研一體化的道路，可以使職業院校的三項基本工作通盤推進、一體開展，使三項工作相互融合、相互影響、相互促進，最終更好地服務高質量人才培養。

5 結束語

隨著國家對教育、科技、人才的愈發重視，社會對職業教育的育人方式、培養模式等提出了更高的要求，這就要求高職院校教師結合職業教育的特點，以大賽和科研為平臺，積極推進項目導向、學做一體的教學模式改革，強化學生主體性和積極性，促進學生獨立思考、實踐動手、創新、分析問題、解決問題等能力的培養和提升。