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，更注重學(xué)生實踐能力和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，使之成為符合社會和企業(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)和實驗教學(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：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.034

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(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和經(jīng)濟的發(fā)展需要。2017年，教育部提出了發(fā)展新工科的概念，先后出臺了“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”等文件，這些內(nèi)容為適應(yīng)新時代背景下的工程應(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”“計算機原理”“模擬電路”“數(shù)字電路”“信號與系統(tǒng)”等基礎(chǔ)課，要求學(xué)生在前置課程交叉融合的基礎(chǔ)上進行綜合應(yīng)用和實踐。此外，該課程知識點多且復(fù)雜，理論學(xué)習(xí)枯燥，缺乏系統(tǒng)性，并且很多時候由于實驗條件等限制，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?！保皞鞲衅髟砼c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實驗內(nèi)容與實驗器械老舊

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)中擔任著感官的作用。傳感器也隨著時代的發(fā)展不斷前進，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，由于實驗教學(xué)資源有限，導(dǎo)致傳感器及其測試設(shè)備更新緩慢，現(xiàn)存的實驗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)，實驗用傳感器未能與現(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)致傳感器實驗跟不上時代發(fā)展的步伐。

1.2傳感器實驗環(huán)節(jié)安排單一

實驗環(huán)節(jié)通常采用教師講解―學(xué)生分組操作―數(shù)據(jù)處理―實驗報告的模式進行，盡管這些步驟在一定程度上可以讓學(xué)生將理論融入實踐，提高動手能力，但是，一個分組往往有好幾名學(xué)生，教師在實驗過程中不能兼顧每一個學(xué)生，無法保證每一個學(xué)生的實踐能力都得到提高。此外，學(xué)生實驗為固定性的驗證性實驗，實驗過程往往照本宣科，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、知識點分散

目前，傳感器原理的大部分學(xué)時仍然安排在理論課程，實驗環(huán)節(jié)課程學(xué)時較少。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)生與實際應(yīng)用相互對照。此外，傳感器的理論部分過于枯燥、知識點分散，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)生實驗意識缺乏、水平有待提高

一些學(xué)生對于實驗的認識不足，加之實驗態(tài)度不端正，未認識到實驗的重要性，因此對于實驗中的儀器不夠愛護。此外，學(xué)生由于缺乏實驗基礎(chǔ)，實驗的技能和安全意識缺乏，容易因為實驗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、實驗安排較少的問題，加強實驗課的學(xué)時分配，將部分理論課程的講授放在實驗環(huán)節(jié)。在實驗過程中，進行理論知識的傳輸，利用實驗的過程、儀器、場景對傳感器的理論進行深入剖析，同時引導(dǎo)學(xué)生將理論融入實踐，讀萬卷書不如行萬里路，多思考、多動手，在實驗過程中鍛煉學(xué)生分析和解決問題的能力。此外，除了實驗和課堂內(nèi)容外，還可以開展一定學(xué)時的傳感器應(yīng)用環(huán)境的實際考察與探索，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、傳感器類型等多個方面進行考察，重點讓學(xué)生了解監(jiān)測的目的和意義，明白傳感器實際應(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行綜合劃分，重點講解某一種傳感器，從原理、效應(yīng)、器件設(shè)計到系統(tǒng)規(guī)劃進行充分講授。由于學(xué)生已經(jīng)在前置課程中學(xué)習(xí)了多種專業(yè)知識和基礎(chǔ)課程，傳感器這門課程的重點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)階段向社會就業(yè)或者研究生項目培養(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)生自己進行講解，學(xué)會自己分析、選擇所需傳感器，實現(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，進而達到觸類旁通的目的。

2.2以實踐為向?qū)剿鱾鞲衅鲗嶒灲虒W(xué)的新模式

從應(yīng)用實際出發(fā)，設(shè)計傳感器實驗新模式。多途徑提升傳感器實驗的效果，摒棄傳統(tǒng)的傳感器驗證性實驗，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)，探尋從理論到實踐的升華。首先，打破傳統(tǒng)驗證性的實驗方案，實現(xiàn)開放型實驗架構(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)計不同的實驗方案，在給定的應(yīng)用環(huán)境下，實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)化、主動化、差異化的實驗體系，真正的學(xué)以致用，如智能溫室大棚、視覺機器人、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)測的特點和參量特性，根據(jù)所學(xué)的傳感器原理和參數(shù)特點，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，實現(xiàn)傳感器的實際應(yīng)用。這樣做，學(xué)生不僅可以掌握本課程的課堂理論知識，還可以鞏固相關(guān)傳感器理論、數(shù)字電路、模擬電力、數(shù)字信號處理等基本知識，提高自己實際解決問題的能力。

優(yōu)化實驗流程。傳統(tǒng)實驗的流程一般是按照既定的驗證性的試驗方案，課前預(yù)習(xí)―理論講解―動手操作―實驗報告，該過程只要學(xué)生按照實驗手冊的步驟和流程一步步操作基本不會出現(xiàn)其他問題，也不存在思考與分析，對于學(xué)生的實踐能力沒有明顯的提升。本教研組按照場景設(shè)計―理論分析―實驗方案―傳感器選擇―電路設(shè)計―軟件設(shè)計―數(shù)據(jù)采集預(yù)處理―實驗后分析與探討等幾個方案進行優(yōu)化，從問題出發(fā)，以解決問題為目的，讓每一個學(xué)生能夠依據(jù)所學(xué)知識，主動思考，針對場景選取合適的方案和處理流程，也會發(fā)現(xiàn)通常實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識，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)―實驗?zāi)Ｊ?/p>

教學(xué)過程是教師和學(xué)生不斷互動的過程，只有讓學(xué)生加入日常教學(xué)活動中，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點較多、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，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，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，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)容進行復(fù)習(xí)、研討，了解該傳感器的原理與細節(jié)，教師抽取隨機分組，由學(xué)生進行講解、分析與應(yīng)用。教師只針對學(xué)生匯報的相關(guān)知識點進行查缺，對重點難點和學(xué)生提出的問題展開講解。通過該種方式，讓學(xué)生不再局限于被動地接受知識，發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，教學(xué)效果明顯好轉(zhuǎn)。

開通線上虛擬實驗的混合模式。雖然經(jīng)過前述的教學(xué)和實驗方式的優(yōu)化，可以提升學(xué)生的實踐能力，但是不可否認，每一次的實踐都會消耗大量的時間。此外，受限于學(xué)校的實驗環(huán)境，教學(xué)實驗儀器更新?lián)Q代緩慢等問題，本教研室借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機上模擬現(xiàn)實中傳感器實際制作和操作的實例，將課程中受限于實驗條件和實驗時間等問題的傳感器實驗在網(wǎng)上運行，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，在線上進行虛擬實驗來補充實際應(yīng)用實踐的不足，提高學(xué)生對于傳感器原理的理解和動手能力。

2.4完善考核機制

我校的“傳感器原理與應(yīng)用”這門課的考核機制主要采用考試和實驗報告綜合評價方案，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)的實驗按部就班，實驗結(jié)果千篇一律。學(xué)生在實驗過程中依照實驗報告進行實驗步驟，能夠快速完成實驗和編寫實驗報告。然而，學(xué)生課后很少思考本次實驗所用到的傳感器的實驗原理、實驗機制、設(shè)計思路等，實驗結(jié)果千篇一律，也不存在實驗可能存在的誤差，因此，實驗分析和總結(jié)報告空洞，言之無物。教師打分也僅僅是根據(jù)實驗報告和操作過程中的觀察情況，不能給出一個綜合的考查結(jié)果。為了提升學(xué)生對于實驗的主觀能動性，教師可以在實驗過程中留下1―2個關(guān)鍵問題，讓學(xué)生在實驗過程中受阻，然后組織學(xué)生對于這些問題進行探討和反思，深入了解傳感器的原理以及傳感器設(shè)計及系統(tǒng)安排中的關(guān)鍵點，激發(fā)學(xué)生實驗的興趣。實驗結(jié)束后，不應(yīng)僅僅停留在紙面的實驗報告，應(yīng)增加學(xué)生的討論環(huán)節(jié)，學(xué)生對每組實驗過程中遇到的問題進行深入討論，共享實驗技巧。比如，光纖傳感實驗過程，傳統(tǒng)原理采用人眼進行實驗刻度的讀取環(huán)節(jié)，然而模糊的實驗場景較難實現(xiàn)刻度的精確性，有的同學(xué)采用多組鏡頭和手機攝像結(jié)合的方式，實現(xiàn)了復(fù)雜數(shù)據(jù)的簡單讀取，提升了實驗效率。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，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)和實驗環(huán)節(jié)存在的問題進行剖析，提出采用優(yōu)化課程內(nèi)容、實踐為導(dǎo)向的實驗規(guī)劃、線上―線下綜合教學(xué)、完善考核機制等多種手段，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)生參與討論與實驗設(shè)計的能動性明顯提升。通過該課程設(shè)計，進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。

基金項目：湖北大學(xué)教學(xué)研究項目（030017644）。

參考文獻

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