傳感器與測試技術(shù)探究式課堂教學(xué)改革實(shí)踐*

◆徐惠敏

傳感器與測試技術(shù)探究式課堂教學(xué)改革實(shí)踐*

◆徐惠敏

針對傳感器與測試技術(shù)課程具有應(yīng)用性強(qiáng)、內(nèi)容多、更新快等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)課堂教學(xué)已無法適應(yīng)現(xiàn)代工程教育需求，提出在傳感器與測試技術(shù)課堂教學(xué)過程中采用探究式課堂教學(xué)模式。通過對教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化配置，進(jìn)行探究式課堂教學(xué)改革實(shí)踐，促使學(xué)生積極主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和協(xié)作意識。

傳感器與測試技術(shù)；探究式課堂教學(xué)；教學(xué)評價

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.114

1 前言

為適應(yīng)我國企業(yè)對工程應(yīng)用型人才的需求，教育部于2006年啟動了工程教育專業(yè)認(rèn)證試點(diǎn)工作，開始構(gòu)建工程教育質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)[1]。根據(jù)工程教育要求，各高校開始逐步推行專業(yè)課程教學(xué)改革。傳感器與測試技術(shù)課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化、機(jī)電工程等本科專業(yè)的專業(yè)核心課程，具有課程內(nèi)容多、更新發(fā)展快、應(yīng)用性強(qiáng)，與工控類、電子類課程緊密相關(guān)等特點(diǎn)，因此，該課程教學(xué)質(zhì)量特別是課堂教學(xué)質(zhì)量，將直接影響其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果。

目前，傳感器與測試技術(shù)課程的課堂教學(xué)仍存在以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式，輕視學(xué)生實(shí)踐探索活動能力，學(xué)生往往由于學(xué)習(xí)目的不明確引起學(xué)習(xí)興趣下降，學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性差，嚴(yán)重影響學(xué)生的未來發(fā)展。為了讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，提出在傳感器與測試技術(shù)課程的課堂教學(xué)中采用探究式教學(xué)模式。該教學(xué)模式能充分激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，轉(zhuǎn)變學(xué)生的被動學(xué)習(xí)方式，營造平等和諧的教學(xué)氛圍。

2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)體系

調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，兼顧傳統(tǒng)，突出新型目前，傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等被稱為當(dāng)今信息技術(shù)的三大支柱，承擔(dān)信息技術(shù)的感官作用，是眾多學(xué)科相互交叉的綜合性和高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一[2]。傳感器與測試技術(shù)課程涉及內(nèi)容廣、知識面寬，與前期的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電子技術(shù)、工程力學(xué)、材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等課程均有關(guān)聯(lián)，也與后續(xù)開設(shè)的數(shù)控技術(shù)、自動化控制系統(tǒng)、智能儀器、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程息息相關(guān)[2-3]。

課程內(nèi)容主要由傳感器原理與應(yīng)用和測試技術(shù)兩大部分組成：傳感器原理與應(yīng)用部分的內(nèi)容，要求在兼顧電阻式、電容式、電感式等傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上，更要突出生物、數(shù)字式、微傳感器和智能傳感器等各種新型傳感器的應(yīng)用；測試技術(shù)部分的內(nèi)容要求既掌握傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法，又增加了數(shù)字信號處理、模糊識別、數(shù)據(jù)融合等現(xiàn)代信號檢測與處理內(nèi)容，開拓學(xué)生的視野、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為培養(yǎng)創(chuàng)新性應(yīng)用人才創(chuàng)造條件。課程教學(xué)內(nèi)容經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后如圖1所示。

圖1 課程教學(xué)內(nèi)容

傳感器與測試技術(shù)課程的總學(xué)時數(shù)為48學(xué)時，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)8學(xué)時。由于課程學(xué)時數(shù)少，對課堂教學(xué)要求高。為結(jié)合探究式課堂教學(xué)需要，應(yīng)將部分“測試技術(shù)”中的內(nèi)容糅合入傳感器的原理與應(yīng)用教學(xué)中。由于該課程中有不少枯燥的工作原理講解，為引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中的傳感器與現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)及無線傳感網(wǎng)絡(luò)，或?qū)嶒?yàn)室中的工控自動化、汽車測控、機(jī)器人等多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，設(shè)置相關(guān)的探究課題，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上進(jìn)行互動討論探究，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力、動手能力和獨(dú)立創(chuàng)新能力。

重構(gòu)探究式課堂教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)高效課堂探究式課堂教學(xué)體系是指在教學(xué)過程中以現(xiàn)有教材為探究內(nèi)容，以學(xué)生生活和實(shí)習(xí)實(shí)踐事物為參照對象，在教師主導(dǎo)下，學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)和合作討論，充分自由表達(dá)、質(zhì)疑、探究、討論問題，通過小組、集體等多種釋疑活動，將所學(xué)知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題的一種新型教學(xué)體系[4]。探究式課堂教學(xué)能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促使他們自己去獲取知識、發(fā)展能力，做到自己發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題。教師作為探究式課堂教學(xué)的主導(dǎo)者，應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容要求，在重點(diǎn)特別是難點(diǎn)內(nèi)容上，重視應(yīng)用性和理論性的結(jié)合，教學(xué)和科研成果相結(jié)合，設(shè)置合理的探究情境，構(gòu)建探究氛圍，推動探究開展，同時應(yīng)把握探究深度。學(xué)生作為探究課堂的主體，通過大量收集材料，對設(shè)置的探究情境問題所涉及的原理進(jìn)行探索、分析和研討，在教師的啟發(fā)下解決疑問，從而學(xué)會解決學(xué)習(xí)生活中和生產(chǎn)實(shí)際中與傳感器和測試技術(shù)有關(guān)的問題。

探究式課堂教學(xué)體系要求在教學(xué)方法上采用討論式、啟發(fā)式和項(xiàng)目式等多種教學(xué)法，教學(xué)過程從導(dǎo)入內(nèi)容到應(yīng)用延伸，整個過程注重由淺入深、循序漸進(jìn)，同時將理論課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合、課內(nèi)教材與拓展材料相結(jié)合。將課堂教學(xué)與課后學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐活動相結(jié)合，提高課堂教學(xué)活動的趣味性和競爭性，吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)習(xí)興趣，帶領(lǐng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，在探究過程中獲取能力提升和成就感，實(shí)現(xiàn)高效課堂。

3 探究式課堂教學(xué)改革實(shí)踐

課堂教學(xué)是教師直接向?qū)W生傳授知識最重要的、不可或缺的教學(xué)環(huán)節(jié)，是教師與學(xué)生共同活動的“探究互動”過程。教師作為探究式課堂教學(xué)的引導(dǎo)者，首要任務(wù)是為學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)探究情境，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，接下來必須營造探究氛圍，促使學(xué)生通過自己的努力獲取知識、發(fā)展能力，然后應(yīng)采用多種教學(xué)法促進(jìn)探究開展，把握探究深度，讓學(xué)生通過自己發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題并解決問題，最后與學(xué)生一起評價探究成效。學(xué)生作為探究式課堂教學(xué)的主人，根據(jù)課堂教學(xué)和實(shí)踐的條件，明確探究目標(biāo)，思考探究問題，掌握探究方法，敞開探究思路，交流探究內(nèi)容，總結(jié)探究結(jié)果。

講好課程教學(xué)第一課，做好探究準(zhǔn)備俗話說：“良好的開端是成功的一半。”緒論課是課程教學(xué)的第一課，是學(xué)生與教師第一次接觸，在整個課程的教學(xué)過程中具有非常重要的作用。在緒論課的教學(xué)過程中，最主要的是要讓學(xué)生知道“為什么學(xué)”“學(xué)什么”“如何學(xué)”“如何考核”等內(nèi)容，需要教師精心準(zhǔn)備內(nèi)容，采用多種教學(xué)方法呈現(xiàn)出來，是考量一個教師教學(xué)能力的重要一課。

在討論“為什么學(xué)”這部分內(nèi)容時，可以結(jié)合平時學(xué)生愛玩游戲這一特點(diǎn)，以一段“Wii健身運(yùn)動游戲”的開場視頻迅速吸引學(xué)生的眼球，讓學(xué)生知道傳感器已經(jīng)與人們的日常生活密不可分了；在“學(xué)什么”這部分內(nèi)容，將人體測控系統(tǒng)與傳感器測試系統(tǒng)作比較，自然引出課程教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生知道課程各部分內(nèi)容及各內(nèi)容之間的關(guān)系與要求；在“如何學(xué)”這部分內(nèi)容，明確提出探究式課堂教學(xué)思路及過程；在如何考核這部分內(nèi)容，要明確課程的考核方式，考核成績的組成等。

一堂好的緒論課可以直接啟動學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)動機(jī)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以起到事半功倍的效果。為了進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生的主動性和學(xué)習(xí)興趣，可以在緒論課后先布置第一次探究小作業(yè)，讓學(xué)生分組調(diào)查手機(jī)、電冰箱、空調(diào)、汽車、智能樓宇控制、數(shù)控機(jī)床、三坐標(biāo)測量儀和工業(yè)機(jī)器人等學(xué)習(xí)和生活中常見物品的傳感器應(yīng)用情況，并在下次課進(jìn)行討論交流。

創(chuàng)設(shè)自主探究學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣美國教育學(xué)家杰羅姆·布魯納認(rèn)為：“創(chuàng)設(shè)問題情境，能引發(fā)學(xué)生對知識產(chǎn)生興趣和認(rèn)知的需要，激發(fā)學(xué)生自主探究的學(xué)習(xí)動機(jī)?！盵5]傳統(tǒng)的課堂教學(xué)是教師滔滔不絕地講，學(xué)生死氣沉沉地聽，幾乎完全抹煞了學(xué)生的主觀能動性，影響了學(xué)生的創(chuàng)造性思維和開拓意識的發(fā)展，教學(xué)效果較差。要進(jìn)行探究式課堂教學(xué)，師生應(yīng)共同為進(jìn)入探究式教學(xué)在知識上、心理上、物質(zhì)上做準(zhǔn)備活動。教師要選擇教學(xué)材料，掌控學(xué)生特征，準(zhǔn)備教學(xué)材料呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)和相關(guān)的教學(xué)手段；學(xué)生則應(yīng)在教師指導(dǎo)下復(fù)習(xí)相關(guān)知識，拓展閱讀參考資料等。

實(shí)踐證明，當(dāng)學(xué)生有興趣時學(xué)得最好。那么如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣呢？在教學(xué)中，教師應(yīng)努力營造良好的探究氛圍，讓學(xué)生置身于一種探究問題的情境中，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和興趣，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。如在電阻式傳感器章節(jié)的教學(xué)過程中，以學(xué)生日常生活中常見的電子秤作為導(dǎo)入。準(zhǔn)備好桿秤、彈簧秤和電子秤等多種稱量工具，要求稱量同一種重量的物品，先請幾位學(xué)生進(jìn)行稱量體驗(yàn)，看不同原理的秤稱出的物品重量有何不同？

稱量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電子秤稱量物品方便準(zhǔn)確，這其中的原因是什么呢？學(xué)生針對上述現(xiàn)象會將三種秤的結(jié)構(gòu)和稱重原理進(jìn)行類比，從而進(jìn)入很有吸引力的探究氛圍中，他們的情緒和思維就可以先調(diào)動起來，接下來思考電子秤所用的傳感器的敏感元件是什么？工作原理如何？

探究完這些內(nèi)容后，教師要注意適時引導(dǎo)出下一問題：電子秤在稱物品的重量時，是否一定要將物品放在稱盤的中央才能稱量準(zhǔn)確呢？讓學(xué)生進(jìn)而去討論探究電子秤中不同彈性轉(zhuǎn)換元件，結(jié)合所學(xué)工程力學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行分析，緊接著試著將應(yīng)變片粘貼在雙孔型梁、等強(qiáng)度梁、等截面梁、S形雙彎曲梁和薄壁圓環(huán)上組成各種各樣的測力傳感器，學(xué)習(xí)不同的彈性元件上應(yīng)變片的粘貼方法，最后闡述各種力傳感器的應(yīng)用。

在探究式教學(xué)過程中，教師為學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)置探究情境，建立探究氛圍，有利于促進(jìn)探究的開展，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣。

采用多種互動教學(xué)方法手段，訓(xùn)練學(xué)生探究能力在建立了自主探究學(xué)習(xí)情境的基礎(chǔ)上，學(xué)生的積極性和興趣明顯提升，這時就需要教師提供嘗試機(jī)會，繼續(xù)推動學(xué)生探究能力的發(fā)展。因此，教師在設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容時應(yīng)盡量開放，探究過程中應(yīng)采用啟發(fā)式、討論式和項(xiàng)目式等多種教學(xué)方法，為學(xué)生提供進(jìn)一步探究的機(jī)會，把學(xué)習(xí)的主動權(quán)交還給學(xué)生，這有利于學(xué)生主動再創(chuàng)造。承接上述已經(jīng)建立學(xué)習(xí)情境的電阻式傳感器，其中的測量電路—電橋部分內(nèi)容主要有電橋的概念、直流電橋和交流電橋、平衡電橋和不平衡電橋、單臂電橋、半橋和全橋等，重點(diǎn)內(nèi)容是單臂電橋、半橋和全橋的應(yīng)變片的布置和輸出電壓的計(jì)算。

在這部分內(nèi)容中，可結(jié)合電工學(xué)中的內(nèi)容讓學(xué)生自己探究以下內(nèi)容：

1）什么是電橋？直流電橋和交流電橋的區(qū)別是什么？

2）平衡電橋和不平衡電橋分別用于哪些場合？

3）直流電橋中單臂電橋、半橋和全橋中應(yīng)變片的不同布置輸出電壓和靈敏度有何變化？

4）交流電橋中電容電橋、電感電橋在布置四個橋臂時，如何布置才能實(shí)現(xiàn)平衡？

5）交流電橋的單臂電橋、半橋和全橋中應(yīng)變片的不同布置，其輸出電壓和靈敏度有何變化？

上述探究內(nèi)容的難度由易到難、逐級遞增，這些內(nèi)容可在教師的引導(dǎo)和啟發(fā)下，讓學(xué)生通過理論演算、動畫演示、團(tuán)隊(duì)討論等多個環(huán)節(jié)來完成整個探究過程，讓學(xué)生真正積極主動地參與探究過程。

在探究式課堂教學(xué)過程中，應(yīng)注意處理好教師引導(dǎo)和學(xué)生主動探究的關(guān)系。上述探究內(nèi)容中處理交流電阻電容電橋或交流電阻電感電橋的輸出電壓的計(jì)算，教師需要進(jìn)行適時點(diǎn)撥，提示需要在進(jìn)行阻抗計(jì)算時，注意該類電橋平衡條件、阻抗的匹配等，否則學(xué)生會覺得無所適從。所以課堂教學(xué)過程要注意師生之間、學(xué)生之間的互動與交流，發(fā)展學(xué)生個體的交往能力及團(tuán)隊(duì)合作能力。

通過教學(xué)反思，增進(jìn)課堂教學(xué)效果教學(xué)反思是教師和學(xué)生對自己在課堂教學(xué)實(shí)踐過程中所做出的行為、決策以及由此產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行審視和分析的過程。一堂真實(shí)的課堂教學(xué)總是存在或多或少的遺憾與不足，這就需要教師進(jìn)行科學(xué)有效的反思，在以后的教學(xué)過程中不斷進(jìn)行彌補(bǔ)與修繕。

電阻式傳感器探究式課堂教學(xué)完成后，需要教師反思教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)細(xì)節(jié)過程。如課堂教學(xué)過程從導(dǎo)入到開始探究電阻式傳感器的原理、各種力傳感器等，學(xué)生非?；钴S，但在測量電路電橋部分時，就相對安靜沉悶些，究其原因是電橋部分內(nèi)容枯燥抽象、學(xué)生對電路內(nèi)容較生疏等。教師通過反思可以知道本堂課的成功之處和不足之處，將探究教學(xué)反思成果及時應(yīng)用于后續(xù)課堂教學(xué)。

通過課外探究專題作業(yè)，鞏固探究成果布置作業(yè)的目的是讓學(xué)生理解和鞏固所學(xué)知識，訓(xùn)練運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力，是課堂教學(xué)的補(bǔ)充和延伸，直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。為了進(jìn)一步鞏固前期探究性課堂教學(xué)成果，盡可能將理論聯(lián)系實(shí)際，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題能力，結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備情況，針對不同的章節(jié)設(shè)置不同的課外探究專題，如電阻式傳感器章節(jié)設(shè)置應(yīng)變式傳感器在衡器中的應(yīng)用，電感式傳感器章節(jié)設(shè)置電渦流安全門的應(yīng)用等，如圖2所示。做探究專題時需要教師引導(dǎo)學(xué)生合理使用網(wǎng)絡(luò)資源，采用小組團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成，根據(jù)完成設(shè)計(jì)任務(wù)要求情況計(jì)算成績，并計(jì)入總分。該方法有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)習(xí)主動性，使學(xué)生能自主探索并解決問題。

圖2 課外探究專題

4 創(chuàng)設(shè)探究式課堂教學(xué)評價體系

為促進(jìn)鞏固探究式課堂教學(xué)成果，必須創(chuàng)設(shè)有效的課堂教學(xué)評價體系。由于探究式課堂教學(xué)模式是以開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為基本宗旨的創(chuàng)新型教學(xué)模式，要求突出學(xué)生的主動性、自主性和獨(dú)創(chuàng)性，體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位[5]。學(xué)生的總評成績由期末成績和平時成績兩部分組成，其中期末成績是通過期末考試獲得，占總成績的60%；平時成績是由課堂教學(xué)過程成績（30%）和課外探究專題作業(yè)成績（10%）組成，占總成績的40%。課堂教學(xué)過程包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，在探究式課堂教學(xué)過程中將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行交融，整體評定課堂教學(xué)過程成績。為體現(xiàn)課堂教學(xué)評價的公正合理，評價標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容從教學(xué)方法手段、教師的表現(xiàn)和學(xué)生參與度等制定標(biāo)準(zhǔn)，建立教師評價、學(xué)生自評和學(xué)生互評的多層面評價體系。

教師評價是教師需要對學(xué)生課內(nèi)外的自主參與行為、學(xué)習(xí)能力和態(tài)度、表現(xiàn)能力及合作精神等做出評價，占平時成績的50%；學(xué)生自評是由學(xué)生自我檢查、自我核對后作出的自我評價，占平時成績的25%；學(xué)生互評是學(xué)生對參加小組合作團(tuán)隊(duì)中成員參與情況和實(shí)踐情況等進(jìn)行綜合評價，占平時成績的25%，這樣就能較客觀地全面地評價每一位學(xué)生。

5 結(jié)語

將探究式課堂教學(xué)模式應(yīng)用于傳感器與測試技術(shù)課程，使教學(xué)活動真正建立在學(xué)生主動探索的基礎(chǔ)上，有效地激發(fā)學(xué)生的求知欲望，課堂上絕大部分學(xué)生能積極主動參與教學(xué)過程，同時通過課外探究專題作業(yè)訓(xùn)練，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)管理能力、溝通能力與交流能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下良好基礎(chǔ)。目前，衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院的傳感器與測試技術(shù)課程的探究式教學(xué)模式已經(jīng)經(jīng)過兩屆本科學(xué)生的改革實(shí)踐，建立了教師與學(xué)生的互動探究機(jī)制，教學(xué)效果良好。

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G642.0

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1671-489X(2016)02-0114-04

*項(xiàng)目來源：衢州學(xué)院校級課堂教學(xué)改革項(xiàng)目“《傳感器原理與測試技術(shù)》課堂教學(xué)改革與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：KG201209）。

作者：徐惠敏，衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、電氣自動化、智能控制研究與教學(xué)（324000）。