基于工匠精神培育的傳感器原理與應(yīng)用課程驗證型實驗教學改革探索

摘 要 針對應(yīng)用型本科高校傳感器原理與應(yīng)用課程實驗教學以驗證型實驗項目為主的現(xiàn)狀，提出基于工匠精神培育，對每個驗證型實驗項目重新審視和賦能，從縱向上增加每項實驗的精確度測量內(nèi)容和軟硬件改進要求，從橫向上增強項目間的有機聯(lián)系和融合，從而充分挖掘現(xiàn)有課程實驗平臺的潛力。實踐結(jié)果表明，改進后的驗證型實驗教學極大地拓展了學生的知識面和視野，增強了學生學習的主動性，為學生后續(xù)開展設(shè)計型實驗、創(chuàng)新型實驗以及專業(yè)綜合實踐、畢業(yè)設(shè)計奠定了良好的能力和心理基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 傳感器原理與應(yīng)用；驗證型實驗；實驗教學；工匠精神

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）19-00-04

0 引言

傳感器技術(shù)是一種定量認知自然現(xiàn)象的不可缺少的技術(shù)手段，作為21世紀現(xiàn)代信息技術(shù)的重要支柱之一，已經(jīng)成為高校儀器科學與技術(shù)、電子信息、自動化、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課。由于傳感器技術(shù)課程涉及內(nèi)容廣泛，實踐性強，不容易取得好的教學效果，因此傳感器技術(shù)類課程的教學改革一直是相關(guān)一線教師與教育工作者探索和關(guān)注的焦點[1-2]。經(jīng)過多年的教學改革探索與實踐，國內(nèi)傳感器技術(shù)類課程的理論教學部分已經(jīng)比較成熟，各大工科名校紛紛在中國大學慕課、學堂在線等網(wǎng)絡(luò)教學平臺上推出傳感器技術(shù)相關(guān)的視頻課程，教學團隊成員一般由國家級或省級教學名師領(lǐng)銜，為其他高校的傳感器技術(shù)類課程教學提供了指導和借鑒。由于網(wǎng)絡(luò)及其他相關(guān)技術(shù)條件的限制，傳感器原理與應(yīng)用課程的實驗教學需要由各高校根據(jù)實際情況來設(shè)計與實施，而該課程的實驗教學對學生直接掌握傳感器特性和了解實際應(yīng)用是非常重要的。

目前，傳感器原理與應(yīng)用課程的教學實驗主要包括驗證型實驗、綜合型實驗和設(shè)計型實驗。學術(shù)型本科高校多以綜合型實驗和設(shè)計型實驗為主，驗證型實驗為輔；而應(yīng)用型本科高校則多以驗證型實驗為主，綜合型實驗和設(shè)計型實驗為輔[3-4]。由于人們認識上存在誤區(qū)和受中小學實驗教學思維慣性影響，將驗證型實驗簡單地看作是在傳感器實驗臺或?qū)嶒炏渖习凑諏嶒炛笇鴻C械簡單地連幾根導線，得到幾個測量數(shù)據(jù)。這種思維認知和做法忽略了學生的創(chuàng)新思考，違背了驗證型實驗的初衷。驗證型實驗的重要作用是在理論知識指導下，通過嚴謹?shù)膶嶒灢僮鳌蚀_的實驗結(jié)果與條理性的實驗報告，內(nèi)化傳感器原理、測量機理和應(yīng)用過程，培養(yǎng)學生扎實的基本技能和學科素質(zhì)。能否做好課程驗證型實驗是學生開展綜合型實驗、設(shè)計型實驗、專業(yè)綜合實踐、畢業(yè)實習和畢業(yè)設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。

應(yīng)用型本科高校是我國本科高校最大群體，在大力推進高質(zhì)量高等教育體系建設(shè)背景下，其發(fā)展速度影響著高等教育發(fā)展的整體速度，其教育水平影響著高等教育的整體水平。針對應(yīng)用型本科高校傳感器原理與應(yīng)用課程的教學實驗以驗證型實驗為主的現(xiàn)狀，本文以廣州商學院為例，提出以工匠精神為指導，對驗證型實驗的每個實驗項目重新審視，在不增加硬件平臺（經(jīng)費）的情況下，增加項目的理論厚度、內(nèi)容維度和項目間的有機聯(lián)系，使驗證型實驗對學生的能力培養(yǎng)發(fā)揮最大限度的提高和促進作用。

1 傳感器原理與應(yīng)用課程驗證型實驗教學

存在的問題

廣州商學院是一所地方應(yīng)用型本科高校，傳感器技術(shù)類課程之一的傳感器原理與應(yīng)用是人工智能專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程實驗教學采用SET-N型傳感器實驗儀，這種儀器是把多種傳感器、電源、處理電路、顯示儀表集于一體，組成了一個完整的測量系統(tǒng)。課程教學團隊結(jié)合歷年的實踐經(jīng)驗，總結(jié)了該課程實驗教學過程中存在的一些問題。

1.1 實驗指導書簡單

SET-N型傳感器實驗儀提供了配套的實驗指導書，每個實驗都列出了實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒灢襟E、實驗數(shù)據(jù)記錄表格和實驗注意事項。學生根據(jù)實驗指導書列出的步驟對涉及的模塊進行接線、上電、觀察、記錄實驗數(shù)據(jù)等操作，然后在該實驗項目的電子版中填寫實驗數(shù)據(jù)就算完成實驗。如果實驗指導書過于簡單，沒有深度，是很難讓學生在實驗過程中深入思考，并提高他們分析與解決問題的能力。

1.2 教學方式陳舊

教師提前準備好實驗項目的PPT，主要內(nèi)容有本次實驗的目的、原理、步驟和數(shù)據(jù)處理的方法，有的教師甚至在PPT上給出實驗的接線圖，學生只要參照連接就可以完成實驗。這種教學方式除了讓學生走過場似地完成實驗外，對學生的動手能力和思維能力幾乎沒有任何提高。

1.3 實驗過程機械

SET-N型傳感器實驗儀將多種傳感器、接口電路、調(diào)理電路等進行了內(nèi)部封裝，對學生的開放程度較低，因此，學生對所用傳感器、接口電路的原理及設(shè)計方法不夠了解，他們也只能在上面通過接線、旋鈕和觀察記錄來完成實驗相關(guān)操作，很難達到與理論結(jié)合的目的。這種“名副其實”的以驗證型為主的實驗教學不利于培養(yǎng)學生的實驗興趣，也不利于培養(yǎng)學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力。

1.4 實驗考核片面

由于每次實驗學生人數(shù)比較多，且實驗主要以連線為主，學生之間互相“借鑒”現(xiàn)象比較嚴重，教師無法鑒定每位學生在課堂上的表現(xiàn)，只能通過實驗報告來給學生評定分數(shù)。而實驗報告僅體現(xiàn)了實驗的最終結(jié)果，無法體現(xiàn)實驗操作的準確性和熟練程度，可能會出現(xiàn)認真預習和完成實驗的學生的分數(shù)還不如抄襲別人實驗數(shù)據(jù)甚至實驗報告的學生的分數(shù)高，嚴重影響了學生的學習主動性和積極性。

2 基于工匠精神培育的驗證型實驗教學改

革與實踐

工匠精神，是指來源于匠人（手工業(yè)勞動者）在精工細作的生產(chǎn)方式中凝練升華的精神理念，逐漸推廣至所有從業(yè)人員在工作過程中的職業(yè)價值取向和行為表現(xiàn)，以及對職業(yè)的態(tài)度和精神理念[5]。隨著時代的變遷，工匠精神漸漸演變?yōu)橐环N努力去發(fā)現(xiàn)問題，并且通過親身實踐來解決問題的文化，顯示出更強的現(xiàn)代性表征[6]。工匠精神生長于企業(yè)，卻萌芽于教育，因此對于應(yīng)用型地方本科高校來說，大力弘揚工匠精神，注重學生對知識的融會貫通能力和實驗操作技能的培養(yǎng)和提高，訓練學生精益求精、細致觀察、綜合分析判斷的能力，培養(yǎng)各行各業(yè)的“大國工匠”已成為時代使命。

針對傳感器原理與應(yīng)用課程實驗教學的現(xiàn)狀，需要教學團隊的教師以工匠精神為指導，以現(xiàn)有實驗平臺為基礎(chǔ)，對驗證型實驗的每個實驗項目重新審視，增加項目的理論厚度、內(nèi)容維度和項目間的有機聯(lián)系，重新編寫實驗指導書，改革教學方式、實驗過程和考核方式，使驗證型實驗對學生的能力培養(yǎng)發(fā)揮積極的促進作用。

2.1 增加實驗指導書要求難度

實驗指導書是實驗教學的指南，應(yīng)將其置于與用于課程理論教學的教材同等的地位。筆者認為，傳感器原理與應(yīng)用課程實驗教學中出現(xiàn)的主要問題都與對實驗指導書的重視程度不夠有關(guān)。或者說，實驗指導書決定了實驗的層次和質(zhì)量。SET-N型傳感器實驗儀配套的實驗指導書只是簡單說明了該試驗儀可以做哪些實驗、怎么操作，實驗教學教師必須在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗儀的配置（傳感器、接口電路和顯示電路），重新編寫實驗指導書。新編寫的實驗指導書的實驗項目名稱和擴展要求如表1所示。

2.2 以啟發(fā)式教學為主

隨著實驗難度的提升，學生實驗前必須對相關(guān)理論知識進行學習或預習。比如，根據(jù)表1中金屬箔式應(yīng)變片實驗的擴展要求，學生不僅需要熟悉金屬箔式應(yīng)變片、接口電路和測量電路的工作原理，還必須掌握誤差、測量不確定度、數(shù)據(jù)處理等相關(guān)知識和概念，熟悉MATLAB軟件的使用。

由于學生做了充分的實驗準備，教師在實驗課中只要強調(diào)本次實驗的目的和注意事項即可，沒必要像以前那樣進行實驗過程的演示，但對學生預習過程中弄不清楚的問題和實驗過程中出現(xiàn)的問題，要及時給予啟發(fā)式的指導。

對學生按期刊論文標準交上來的實驗報告，每次評選10%左右的優(yōu)秀實驗報告，并讓這些學生在課堂上介紹實驗心得體會，總結(jié)優(yōu)缺點，促進全班學生共同進步。

2.3 實驗操作與理論思考結(jié)合

在實驗指導書和教師的指導下，學生不再認為傳感器原理與應(yīng)用課程實驗就是連幾根線和記錄幾個數(shù)據(jù)，他們在實驗操作時充滿了探索和思考。還以金屬箔式應(yīng)變片實驗為例，學生的實驗操作和思考過程如下。

1）初步驗證階段。通過直流激勵金屬箔式應(yīng)變片半橋?qū)嶒灒@得感性認識。

2）提高性能階段。為了提高檢測系統(tǒng)的性能，此時學生開始思索兩個問題：一是前一階段的檢測系統(tǒng)有什么優(yōu)缺點？二是如何改進？本階段的實驗內(nèi)容為直流激勵全橋金屬箔式應(yīng)變片實驗。

3）更高性能階段。與第二階段一樣，還是思考同樣的兩個問題，學生可能會覺得越來越難，可能需要新的測量算法或理論。帶著這樣的期盼，本階段的實驗內(nèi)容為交流激勵全橋金屬箔式應(yīng)變片實驗，同時引入相敏檢波這個傳感器檢測系統(tǒng)中常用的經(jīng)典電路。

4）超高性能階段。與第三階段一樣，還是思考同樣的兩個問題，學生會覺得幾乎不可能了。這時，系統(tǒng)改進的角度確實變了，就需要給學生講清楚，由于檢測電路中所用的元器件性能不一樣，若仔細選擇性能優(yōu)異的元器件，還是可以提高檢測電路的性能的。

2.4 實驗報告以期刊論文格式為標準

以前的實驗報告，學生只要在下發(fā)的實驗指導書電子版相關(guān)實驗上面填上記錄的數(shù)據(jù)，簡單地畫張圖就算完成本次的實驗任務(wù)。筆者對此進行了改革，要求學生按照期刊論文格式撰寫實驗報告，也就是每篇實驗報告必須有中英文題目、作者、中英文摘要、正文、致謝、附錄、參考文獻等期刊論文必備的要素，鍛煉學生在結(jié)構(gòu)嚴謹規(guī)范、思維系統(tǒng)完整、表達清晰準確以及分析清晰合理等方面的能力。

通過上述對驗證型實驗教學方法的改進，學生在追求提高動手能力的同時，還伴隨著思維能力的提升，其收獲感、幸福感都溢于言表，個人的學習境界得到了很大提升。甚至還有學生為了獲得“超高性能”，將交流激勵全橋金屬箔式應(yīng)變片實驗的輸出信號連接到他們剛學到的ARM微控制器上，通過數(shù)字補償技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)性能的更大提升。還有部分比較優(yōu)秀的學生在這些實驗的基礎(chǔ)上成功申請到了國家、省和學校的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，并參加了各種校級和省級大賽，因此傳感器原理與應(yīng)用這門課程也被學生譽為雙創(chuàng)大賽的“孵化器”。

3 結(jié)束語

學生的實踐能力培養(yǎng)是課程教學的重中之重，實驗教學可以培養(yǎng)學生嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L、實事求是的態(tài)度，提高學生精密設(shè)計、細致觀察、綜合分析判斷的能力，這些都是新時代工匠精神的內(nèi)在要求。通過基于工匠精神培育的傳感器原理與應(yīng)用課程的驗證型實驗教學實踐，學生的理論水平、知識融會貫通能力、實踐操作能力和職業(yè)素養(yǎng)都得到了顯著提升，也極大地提高了學生學習的自主性和積極性，為學生后期參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、參與教師科研、撰寫科技論文與報告以及進一步深造打下了堅實的基礎(chǔ)。同時，在本課程的教學改革實踐過程中，教師的研究能力和業(yè)務(wù)水平也得到了提升，真正實現(xiàn)了教學相長，這對于提升應(yīng)用型本科高校的專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量具有極其重要的意義和作用。

4 參考文獻

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DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.0

*項目來源：2022年廣東省普通高校特色創(chuàng)新項目“非接觸式電場耦合電壓傳感技術(shù)研究”（基金編號：2022KTSCX163）。

作者簡介：劉國福，通信作者，博士，正高級工程師；梁建軍，講師。