閻紅娟，司麗娜，袁俊杰

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

高等教育面臨新機(jī)遇，我國(guó)高校要加快建設(shè)和發(fā)展新工科。對(duì)于傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，新工科是推動(dòng)高校傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)升級(jí)改造的新型工程教育模式，使用更新的理念、更好的模式組織教學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)新工科人才，獲得更高的教育質(zhì)量[1-2]。因此將新知識(shí)、新技術(shù)、新理念及時(shí)擴(kuò)充到課程教學(xué)中，有助于促進(jìn)課程教學(xué)創(chuàng)新改革，滿(mǎn)足工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證對(duì)教學(xué)持續(xù)改進(jìn)的要求?！皹?gòu)思Conceive-設(shè)計(jì) Design-實(shí)施 Implement-運(yùn)行 Operate”（簡(jiǎn)稱(chēng)CDIO）工程教育模式以項(xiàng)目為載體，將構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施以及運(yùn)行貫穿到項(xiàng)目完成的整個(gè)過(guò)程中，其教育理念是讓學(xué)生以主動(dòng)、實(shí)踐的方式學(xué)習(xí)課程知識(shí)[2-3]。

本門(mén)課程結(jié)合專(zhuān)業(yè)發(fā)展特色，以專(zhuān)業(yè)認(rèn)證和CDIO工程教育模式為指導(dǎo)思想，針對(duì)目前以教師主講為模式的教學(xué)方法、不能及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況等問(wèn)題，調(diào)整現(xiàn)有課程教學(xué)內(nèi)容、開(kāi)設(shè)線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)模式、改革實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、增加課程思政內(nèi)容[4-5]，將新知識(shí)、新技術(shù)、新方法、課程思政元素融入課題教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，通過(guò)完整的知識(shí)體系和案例分析，提高學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣，提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值引領(lǐng)的有機(jī)統(tǒng)一。

1 課程面臨問(wèn)題

傳感器與檢測(cè)技術(shù)作為專(zhuān)業(yè)必修課程，多年教學(xué)中在學(xué)生課堂表現(xiàn)、對(duì)課程知識(shí)掌握程度、實(shí)驗(yàn)效果等，存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）課程要求學(xué)生具有數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)，部分學(xué)生先修課程知識(shí)點(diǎn)存在薄弱環(huán)節(jié)，致使信號(hào)描述、信號(hào)分析處理等章節(jié)學(xué)習(xí)效果較差。

（2）傳感器工作原理、測(cè)量電路、應(yīng)用案例等涉及電學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，各個(gè)章節(jié)所屬學(xué)科存在差異，知識(shí)點(diǎn)缺乏連貫性。

（3）實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容相對(duì)保守，學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告相似度較高，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。

2 教學(xué)創(chuàng)新理念與思路

以專(zhuān)業(yè)認(rèn)證和CDIO工程教育模式為指導(dǎo)思想，根據(jù)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的需求，調(diào)整現(xiàn)有課程教學(xué)內(nèi)容、開(kāi)設(shè)線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)模式、因材施教分層實(shí)驗(yàn)教學(xué)、增加課程思政環(huán)節(jié)，將新知識(shí)、新技術(shù)、新方法和課程思政融入課題教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣和知識(shí)點(diǎn)掌握程度，提升學(xué)生的工程實(shí)踐動(dòng)手能力。

2.1 課程內(nèi)容調(diào)整

刪減了課程中學(xué)生感覺(jué)枯燥、掌握程度較弱的信號(hào)描述和信號(hào)的分析與處理兩章內(nèi)容，將其融入傳感器工作原理、測(cè)量電路和應(yīng)用案例中，對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)整合，通過(guò)典型應(yīng)用案例，搭建了典型機(jī)械量的完整測(cè)試系統(tǒng)。并將實(shí)驗(yàn)課時(shí)從8學(xué)時(shí)增加到10學(xué)時(shí)，增加課程實(shí)踐教學(xué)課時(shí)，提出因材施教實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。課程內(nèi)容調(diào)整如圖 1（P97）所示。

圖1 課程內(nèi)容調(diào)整

在課堂內(nèi)容講授過(guò)程中，基于CDIO工程教育模式設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，下面以電阻式傳感器為例說(shuō)明章節(jié)內(nèi)容調(diào)整。例如在電阻式傳感器章節(jié)中，由電子秤稱(chēng)重原理作為引入點(diǎn)，講授電阻應(yīng)變式傳感器和半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器工作原理、電橋電路特性，復(fù)習(xí)力學(xué)中拉伸、彎曲、扭矩等典型載荷的受力分析，學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變片布片知識(shí)，講解常見(jiàn)彈性元件布片和組橋知識(shí)，以車(chē)削力為例講解三維力測(cè)試系統(tǒng)，最后回答電子秤測(cè)量原理，如圖2所示。通過(guò)課程內(nèi)容調(diào)整，每種傳感器內(nèi)容形成了“工作原理―測(cè)量電路―應(yīng)用案例”完整的知識(shí)鏈，每章內(nèi)容形成一個(gè)完整的知識(shí)體系，增加了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的熟悉和掌握程度，提高了課堂教學(xué)效果。

圖2 電阻式傳感器課程內(nèi)容安排

2.2 線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)模式

2021秋申請(qǐng)了中國(guó)大學(xué)MOOC國(guó)家級(jí)精品課程武漢大學(xué)的《傳感器技術(shù)》，采用線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)方式，如圖3所示。將難以講解和理解的內(nèi)容如電感式傳感器中相敏檢波電路、電容式傳感器中脈寬調(diào)制電路等采用線(xiàn)上教學(xué)模式，學(xué)生通過(guò)觀(guān)看視頻，在線(xiàn)完成課程練習(xí)題，開(kāi)拓了學(xué)生視野，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

圖3 線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式

利用中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)，提高課堂互動(dòng)效率，隨時(shí)掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握程度；對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)發(fā)布課堂練習(xí)，學(xué)生可多次練習(xí)，取最高成績(jī)記為平時(shí)成績(jī)，通過(guò)反復(fù)練習(xí)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)掌握程度。

課堂上鼓勵(lì)學(xué)生勇于嘗試，主動(dòng)回答課堂問(wèn)題可以增加平時(shí)成績(jī)，同時(shí)計(jì)算平時(shí)成績(jī)時(shí)去掉最低分，提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，很大提升了作業(yè)完成度。

2.3 因材施教分層實(shí)驗(yàn)教學(xué)

教學(xué)計(jì)劃調(diào)整后，將《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課時(shí)從8學(xué)時(shí)增加到10學(xué)時(shí)，增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，增加光電傳感器的測(cè)量原理與轉(zhuǎn)速測(cè)量方法。

2021年教育教學(xué)改革項(xiàng)目將課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分為必做實(shí)驗(yàn)和選做實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖4），將直流電橋特性與常用傳感器的靜態(tài)特性作為必做實(shí)驗(yàn)，要求所有學(xué)生必須完成。將位移量測(cè)量、熱電偶溫度傳感器測(cè)試標(biāo)定系統(tǒng)和光電傳感器與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)課題作為選做實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)選做實(shí)驗(yàn)，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)實(shí)踐教學(xué)[6]。

圖4 因材施教實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

鼓勵(lì)學(xué)生從實(shí)際角度出發(fā)選擇項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式自主實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在學(xué)期初與老師討論確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以實(shí)際案例為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，基于CDIO工程教育模式，將傳感器、測(cè)量電路、信號(hào)處理等知識(shí)點(diǎn)融入案例中，通過(guò)實(shí)際案例將散亂的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)搭建完整測(cè)試系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生積極性和主動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作，針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟殚單墨I(xiàn)，構(gòu)思設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，依據(jù)傳感器工作原理、調(diào)理電路選擇傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，使用（Arduino、STM32或樹(shù)莓派等）控制模塊實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊，基于虛擬儀器的信號(hào)分析系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果并改進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，如圖5（P98）所示。

圖5 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

2021秋季學(xué)期有三組同學(xué)選做項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式自主實(shí)驗(yàn)課題，分別為：激光與超聲波傳感器測(cè)距實(shí)驗(yàn)、基于MPU6050傳感器的智能小車(chē)姿態(tài)與路徑控制應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。通過(guò)選擇傳感器、控制器、編寫(xiě)程序代碼等，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，主動(dòng)思考實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，尋找解決方法，提高了學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣、實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

2.4 將課程思政融入教學(xué)內(nèi)容中

在專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容中融合思政教育，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容挖掘德育元素，通過(guò)與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的時(shí)事案例，將其中蘊(yùn)含的社會(huì)主義核心價(jià)值觀(guān)具體化、生動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的滲透式教育。有意識(shí)地在教學(xué)環(huán)節(jié)中增加思政元素，于學(xué)習(xí)和做事中育人，將愛(ài)國(guó)情懷、創(chuàng)新精神、工匠精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等要素與教學(xué)內(nèi)容相互融合，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授和價(jià)值引領(lǐng)的統(tǒng)一。

2.4.1 激發(fā)同學(xué)愛(ài)國(guó)熱情

本課程的緒論講解傳感器與檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)概念、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展現(xiàn)狀。我國(guó)中高檔傳感器產(chǎn)品大多從國(guó)外進(jìn)口，部分傳感器關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品被國(guó)外壟斷和禁運(yùn)，如2021年的汽車(chē)芯片短缺引發(fā)各大汽車(chē)廠(chǎng)商訂貨期延長(zhǎng)。

緒論以最常用的移動(dòng)電話(huà)發(fā)展歷程為例說(shuō)明傳感器與檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步是很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)步的基礎(chǔ)，介紹了傳感器技術(shù)的進(jìn)步對(duì)智能手機(jī)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的重要影響。現(xiàn)在的智能機(jī)集成了姿態(tài)、高度、氣壓、GPS、高性能CMOS攝像頭等各類(lèi)傳感器（如圖6所示），更是依賴(lài)于各種MEMS傳感器的迅速發(fā)展。從手機(jī)的發(fā)展歷程可以看出，智能手機(jī)的發(fā)展進(jìn)步過(guò)程也是手機(jī)里各種傳感器微型化、集成化、性能不斷提升的歷程。

圖6 手機(jī)部分傳感器

通過(guò)案例分析，使學(xué)生能夠生動(dòng)的體會(huì)傳感器與檢測(cè)技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)科技的革新，結(jié)合課程思政教育的目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生深入思考：手機(jī)發(fā)展歷程中不同階段引領(lǐng)創(chuàng)新的公司以及其成功與失敗的原因，認(rèn)清國(guó)內(nèi)外在核心技術(shù)上的差距，中國(guó)應(yīng)該更加注重核心科技領(lǐng)域的創(chuàng)新，不斷奮斗和追趕；同時(shí)也應(yīng)關(guān)注到國(guó)產(chǎn)手機(jī)的創(chuàng)新精神，如折疊屏、北斗導(dǎo)航、快速充電等新技術(shù)在國(guó)產(chǎn)手機(jī)上應(yīng)用，增加同學(xué)們的民族自豪感和自信心，作為未來(lái)的高級(jí)科技人才，要樹(shù)立遠(yuǎn)大的理想，在學(xué)習(xí)和工作中要勇于創(chuàng)新，敢為天下先，勇于肩負(fù)中國(guó)制造發(fā)展進(jìn)步的重任，為制造領(lǐng)域能夠快速追趕、反超，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平貢獻(xiàn)自己的力量。

2.4.2 培養(yǎng)同學(xué)們“工匠”精神

通過(guò)對(duì)不同種類(lèi)光電效應(yīng)的學(xué)習(xí)，掌握對(duì)應(yīng)的元器件結(jié)構(gòu)和工作原理。從日常生活中太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能熱水器的工作原理引入光生伏特效應(yīng)，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)和工作原理，以空間站太陽(yáng)能板為典型案例，引入節(jié)能環(huán)保理念和清潔能源作用，引導(dǎo)學(xué)生了解中國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，如嫦娥五號(hào)任務(wù)圓滿(mǎn)完成、火星探測(cè)器成功著陸、空間站機(jī)械臂、航天員太空行走等，鼓勵(lì)同學(xué)們樹(shù)立遠(yuǎn)大理想，以默默無(wú)聞為中國(guó)航天事業(yè)奉獻(xiàn)的航天人的“大國(guó)工匠”精神為榜樣，培養(yǎng)同學(xué)們腳踏實(shí)地的工匠精神、家國(guó)意識(shí)和大愛(ài)格局，提升同學(xué)們?yōu)閷?shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國(guó)夢(mèng)而繼續(xù)奮斗的使命感和責(zé)任感。

3 總結(jié)

（1）通過(guò)課程內(nèi)容調(diào)整，刪減信號(hào)描述和處理等知識(shí)點(diǎn)，增加傳感器測(cè)量電路、典型案例，每章知識(shí)形成“工作原理―測(cè)量電路―應(yīng)用案例”完整知識(shí)鏈，提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握程度；

（2）引入國(guó)家級(jí)精品課程，采用線(xiàn)上線(xiàn)下教學(xué)模式，將難以講解和掌握的知識(shí)點(diǎn)采用線(xiàn)上教學(xué)模式，學(xué)生通過(guò)觀(guān)看視頻和多次課堂在線(xiàn)練習(xí)，拓展知識(shí)面，加深知識(shí)的理解和掌握，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣；

（3）提出因材施教分層實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，將實(shí)驗(yàn)分為必做實(shí)驗(yàn)和選做實(shí)驗(yàn)。選做實(shí)驗(yàn)采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式方式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器、控制器選型等入手開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程實(shí)踐能力；

（4）將教學(xué)環(huán)節(jié)與課程思政相結(jié)合，將課程思政元素有機(jī)融入教學(xué)內(nèi)容中，將愛(ài)國(guó)情懷、創(chuàng)新精神、工匠精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與教學(xué)內(nèi)容相互融合，同步提升思政修養(yǎng)與專(zhuān)業(yè)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)、能力培養(yǎng)、知識(shí)傳授的有機(jī)融合。