遞進(jìn)式《傳感器原理及應(yīng)用》課程項(xiàng)目化改革與實(shí)踐

郭亮

摘要：傳感器原理及應(yīng)用是自動(dòng)化、儀器儀表等相關(guān)理工科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)理論、實(shí)踐能力和工程意識(shí)的培養(yǎng)均有很高的要求，項(xiàng)目化教學(xué)模式的應(yīng)用十分必要。本文針對(duì)剛進(jìn)入專業(yè)課程學(xué)習(xí)及初次接觸項(xiàng)目化教學(xué)模式的高校學(xué)生，提出了傳感器課程的遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)方法，給出了三階段式項(xiàng)目遞進(jìn)教學(xué)實(shí)施方案，以及階段性和綜合性過(guò)程化考核方法。實(shí)踐證明該教學(xué)法可顯著提高學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和綜合實(shí)踐能力。

Abstract： Principle and application of sensors is an important basic course of automation， instrument and relative engineering majors. It has relatively high requirements for the training of theory， practice ability and engineering consciousness， so the applications of project-based teaching method is necessary. In this paper， a progressive project-based teaching method of sensor course is proposed for college students who have week professional foundation and no experience in project-based teaching mode. The implementation plan of three-stage progressive project teaching method and the process assessment way combined with periodical and comprehensive results are given. Practice has proved that the teaching method can significantly improve the theoretical learning ability and comprehensive practical ability.

關(guān)鍵詞：傳感器原理及應(yīng)用；項(xiàng)目化教學(xué)；遞進(jìn)式

Key words： principle and application of sensors；project-based teaching mode；progressive

中圖分類號(hào)：G423.07 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）03-0256-03

0 引言

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，傳感器已成為獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域信息的主要途徑與手段。傳感器技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程等生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，傳感器是生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)視和控制的基礎(chǔ)部件，其性能指標(biāo)直接制約著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展水平。因此傳感器的原理及其應(yīng)用是高等院校機(jī)電類、自動(dòng)控制類、儀器儀表類、電子信息類專業(yè)學(xué)生均必須具備的專業(yè)知識(shí)。目前很多高校開(kāi)設(shè)了“傳感器”系列課程，學(xué)者們也針對(duì)如何提高教學(xué)成果的問(wèn)題展開(kāi)了很多教學(xué)改革研究和實(shí)踐工作[1～4]。

在浙江理工大學(xué)，“傳感器原理及應(yīng)用”課程同樣是機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院和信息學(xué)院多個(gè)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，傳感器教學(xué)團(tuán)隊(duì)每年授課人數(shù)超過(guò)400人，其課程的重要性可見(jiàn)一斑。但不同于蘇州大學(xué)[3]、江南大學(xué)[4]、山東師范大學(xué)等高校，浙江理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器等專業(yè)中“傳感器原理及應(yīng)用”被設(shè)定為基礎(chǔ)類課程，授課對(duì)象為初入二年級(jí)的本科生。這些學(xué)生剛接觸專業(yè)知識(shí)、工程思想薄弱，還保留了一些“被動(dòng)”的學(xué)習(xí)習(xí)慣，這些特點(diǎn)都給基于CDIO的“項(xiàng)目化”教學(xué)方法的推進(jìn)帶來(lái)了困難。因此教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)年的教學(xué)探索，參考兄弟院校教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和社會(huì)需求，提出了符合初接觸專業(yè)知識(shí)的低年級(jí)學(xué)生特點(diǎn)的遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)模式，并取得了較為良好的教學(xué)效果。

1 遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)的提出背景

隨著CDIO工程教育模式的推廣和專業(yè)認(rèn)證的迫切要求，各高等院校紛紛加強(qiáng)了以學(xué)生為中心的工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。浙江理工大學(xué)“傳感器原理及應(yīng)用”課程在測(cè)控技術(shù)與儀器等專業(yè)的CDIO課程體系中處于基礎(chǔ)地位，不僅需要在有限的課時(shí)內(nèi)教授學(xué)生關(guān)于傳感器和檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)，還需初步建立學(xué)生的工程思想和系統(tǒng)意識(shí)，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和科研起到導(dǎo)向作用，因此項(xiàng)目化教學(xué)模式的實(shí)施成為必然。但對(duì)于面向習(xí)慣“填鴨”式教學(xué)大二學(xué)生來(lái)說(shuō)，項(xiàng)目化教學(xué)模式的忽然引入帶來(lái)的一系列課程內(nèi)容多樣化、課時(shí)安排緊湊化、課外作業(yè)復(fù)雜化等問(wèn)題，一時(shí)難以接受和解決。前期嘗試結(jié)果表明：項(xiàng)目化教學(xué)模式的推進(jìn)雖旨以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，但剛接觸專業(yè)知識(shí)的學(xué)生易顧此失彼，部分學(xué)生會(huì)因?yàn)橐粌纱雾?xiàng)目化作業(yè)的延遲或失敗產(chǎn)生抵觸和畏難情緒。

德國(guó)教育學(xué)家戈·海納特曾說(shuō)：“向?qū)W生預(yù)示結(jié)果或解決方法都會(huì)阻礙學(xué)生努力研究，因此，應(yīng)該對(duì)結(jié)果遲下定論。對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤不應(yīng)看得過(guò)重。教師須明白，所有有活力的思想都有一個(gè)緩慢發(fā)展的過(guò)程?！惫?，浙江理工大學(xué)傳感器教學(xué)團(tuán)隊(duì)依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)和思想發(fā)展過(guò)程調(diào)研結(jié)果，提出了更易于接受的遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)方法。根據(jù)課程的進(jìn)程逐步推進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)的實(shí)施力度和難度，通過(guò)階段性初級(jí)項(xiàng)目和綜合性高級(jí)項(xiàng)目相結(jié)合，采用激勵(lì)和迫使雙重方式，以引導(dǎo)、討論、探究、實(shí)踐等教學(xué)模式，逐步刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀性，讓學(xué)生通過(guò)由淺入深的項(xiàng)目化解決進(jìn)程，切身感受到學(xué)以致用的快樂(lè)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方法所不能達(dá)到的效果，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、思考、解決工程問(wèn)題的能力，幫助他們樹(shù)立自信心和責(zé)任感。endprint

2 遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)的實(shí)施方法

遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)依據(jù)學(xué)生對(duì)各項(xiàng)目的接受、掌握和完成能力，主要分為三大階段：

2.1 以教師引導(dǎo)為主的初級(jí)階段

在課程開(kāi)設(shè)初期，學(xué)生剛接觸傳感器相關(guān)知識(shí)，理論基礎(chǔ)薄弱，沒(méi)有工程應(yīng)用的概念，不熟悉“傳感器原理及應(yīng)用”的學(xué)習(xí)方法。因此在該階段中，以教師的教授為主，重點(diǎn)解決學(xué)生“為什么學(xué)”、“學(xué)什么”和“怎么學(xué)”的問(wèn)題，教授學(xué)生具體的學(xué)習(xí)方法，建立他們的學(xué)習(xí)自信。該階段的教學(xué)主要內(nèi)容包括：傳感器基本知識(shí)的引入、測(cè)試系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性以及電阻傳感器的原理及應(yīng)用三大部分。

具體實(shí)施過(guò)程：先使用生活中經(jīng)常接觸的或?qū)W生們比較感興趣的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，如溫濕度檢測(cè)、侵入式檢測(cè)、機(jī)器人位置檢測(cè)等系統(tǒng)為范例，介紹傳感器發(fā)展歷史，簡(jiǎn)單的闡述模擬型傳感器的基本組成和檢測(cè)方法，引入傳感器的基本概念及檢測(cè)系統(tǒng)基本知識(shí)，初步建立學(xué)生對(duì)傳感器課程的認(rèn)可度，解決“為什么學(xué)”的問(wèn)題。

接著以傳感器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)為例，講解非線性度、靈敏度、重復(fù)度等傳感器的靜動(dòng)態(tài)特性的具體含義，并從學(xué)生最熟悉的滑動(dòng)變阻器式傳感器入手，通過(guò)滑點(diǎn)位移—輸出電壓的基本原理、靈敏度、非線性誤差等特性分析及解決措施、輸入信號(hào)—滑點(diǎn)位移—輸出電信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用三大部分的講述，解決學(xué)生“學(xué)什么”的問(wèn)題。

進(jìn)而通過(guò)引導(dǎo)式教學(xué)模式，以更為復(fù)雜的應(yīng)變片傳感器為例，給出學(xué)習(xí)提綱，通過(guò)傳授和提問(wèn)并行的教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生一步步跟隨教師的步伐，通過(guò)原理分析、特性推導(dǎo)、測(cè)量電路及系統(tǒng)組成的學(xué)習(xí)步驟，掌握電阻傳感器的各主要知識(shí)點(diǎn)，并結(jié)合單臂電橋、雙臂電橋和全橋應(yīng)變片基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，解決“怎么學(xué)”的問(wèn)題。

通過(guò)初級(jí)階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)“傳感器原理及應(yīng)用”的課程的學(xué)習(xí)方法有了一定的認(rèn)識(shí)，了解了傳感器的基本組成、特性和應(yīng)用方法，具備了初步的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2.2 引入初級(jí)項(xiàng)目化作業(yè)的中級(jí)階段

有了初級(jí)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，在接下來(lái)的教學(xué)中級(jí)階段中，教師逐漸擺脫主導(dǎo)地位，學(xué)習(xí)中逐步突出學(xué)生的主體作用，教學(xué)內(nèi)容向科學(xué)發(fā)展和工程應(yīng)用類逐步擴(kuò)展，并通過(guò)初級(jí)項(xiàng)目化作業(yè)的引入，鍛煉學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題”和“分析問(wèn)題”的能力。該階段的教學(xué)主要內(nèi)容包括：電容傳感器、電感傳感器以及壓電傳感器的原理及應(yīng)用三大部分。

具體實(shí)施過(guò)程：從電容型傳感器的課堂教學(xué)中開(kāi)始，基于近似的原理、特性和應(yīng)用的教學(xué)提綱，通過(guò)逐步增加課堂提問(wèn)次數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)性學(xué)習(xí)，逐步增加學(xué)生的自學(xué)比重，教學(xué)模式由教授式改用半教授半引導(dǎo)的模式，并結(jié)合測(cè)量電路，引入模擬傳感器系統(tǒng)的概念，通過(guò)在工程應(yīng)用中各范例的介紹，初步樹(shù)立學(xué)生檢測(cè)系統(tǒng)的思想。通過(guò)分極型液位檢測(cè)或厚度檢測(cè)等簡(jiǎn)單的傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)等初級(jí)項(xiàng)目作業(yè)的布置，讓學(xué)生嘗試學(xué)以致用。

進(jìn)而通過(guò)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題或工程應(yīng)用、科學(xué)發(fā)展中存在的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)探究式學(xué)習(xí)。在此階段中，有限的課堂時(shí)間除了傳授必要的、如渦流傳感器、壓電原理和壓電常數(shù)矩陣等較重要的知識(shí)點(diǎn)以外，其他輔助性內(nèi)容均采用引導(dǎo)的模式督促學(xué)生一步步采用獨(dú)立或團(tuán)隊(duì)合作的形式自學(xué)完成。更珍貴的課堂時(shí)間用于傳授學(xué)生查詢學(xué)術(shù)論文和收集資料的相關(guān)知識(shí)。

在此階段中期，通常會(huì)根據(jù)課程進(jìn)展，布置新型傳感器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用等資料收集等小項(xiàng)目作業(yè)，讓學(xué)生了解國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用需求，以鍛煉學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題”的能力。在此階段后期的壓電傳感器教學(xué)過(guò)程中，則常會(huì)要求學(xué)生通過(guò)資料收集和綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證完成電阻、電容、電感及壓電傳感器在壓力或位移檢測(cè)中的特性和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ刃宰鳂I(yè)，并在課堂中進(jìn)行討論，以鍛煉“分析問(wèn)題”的能力。

通過(guò)中級(jí)階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已基本具備了自學(xué)以及論文等資料的收集能力，并初步具有了綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、分極型模擬傳感器的設(shè)計(jì)能力，以及數(shù)種傳感器的比對(duì)和選擇能力。

2.3 完成綜合式項(xiàng)目化作業(yè)的高級(jí)階段

在所謂的高級(jí)階段中，學(xué)生的中心性進(jìn)一步加強(qiáng)，教學(xué)重心進(jìn)一步向?qū)W生的綜合能力培養(yǎng)上偏移。在此階段中，課堂時(shí)間主要用于測(cè)試、討論和解惑，學(xué)生需高度調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)主動(dòng)性，并在教師指導(dǎo)下完成給定的或自創(chuàng)的綜合類項(xiàng)目作業(yè)。該階段的重點(diǎn)在于進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀的思想，培養(yǎng)他們“解決問(wèn)題”的能力以及工程應(yīng)用能力。該階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容為熱電傳感器、光電傳感器以及磁電傳感器的原理及應(yīng)用三大部分。

具體實(shí)施過(guò)程：由于熱電傳感器等后續(xù)章節(jié)中原理、特性分析和測(cè)量電路等對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)并不深?yuàn)W，且學(xué)生已具備了一定的自學(xué)能力，因此從熱電傳感器部分開(kāi)始，課堂中基礎(chǔ)知識(shí)傳授時(shí)間進(jìn)一步減少，隨堂測(cè)試的比重增加，學(xué)生需借助于教學(xué)團(tuán)隊(duì)制作的慕課等教學(xué)資源，在課下完成知識(shí)點(diǎn)的初步學(xué)習(xí)，在課堂中主要對(duì)包括如冷端補(bǔ)償及標(biāo)準(zhǔn)電極等定律在內(nèi)的綜合性問(wèn)題進(jìn)行隨堂測(cè)試和解惑。

在進(jìn)入高級(jí)階段后，課時(shí)已所剩不多，項(xiàng)目化作業(yè)不再是根據(jù)課程相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單的資料收集并撰寫(xiě)文獻(xiàn)閱讀報(bào)告，綜合和創(chuàng)新型難度大為提升，學(xué)生在此階段需要2～3人團(tuán)隊(duì)合作，集中課外時(shí)間，結(jié)合課程實(shí)驗(yàn)和《傳感器及測(cè)試技術(shù)》課程設(shè)計(jì)，以壓力分布檢測(cè)、入侵系統(tǒng)檢測(cè)等工程應(yīng)用為背景，基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合學(xué)過(guò)的模電和電子類課程設(shè)計(jì)知識(shí)，完成給定的或創(chuàng)新型的傳感器測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建的工作，以鍛煉“解決工程問(wèn)題”的能力。

3 考核方式

考核屬于教學(xué)活動(dòng)的一部分，其目的是促進(jìn)教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)，適當(dāng)?shù)拈]卷考試是必需的，可以督促學(xué)生對(duì)本課程的內(nèi)容進(jìn)行全面的復(fù)習(xí)。但傳統(tǒng)的考核方式以考試分?jǐn)?shù)為主要評(píng)定指標(biāo)，以概念、原理、推理等知識(shí)為主要考核內(nèi)容，對(duì)學(xué)生的整體學(xué)習(xí)效果考核不全面，容易使學(xué)生只重分?jǐn)?shù)不重能力，期末為了應(yīng)付考試而進(jìn)行的應(yīng)急式學(xué)習(xí)，影響了學(xué)生綜合能力和素質(zhì)的提高[5]。

為了能夠督促學(xué)生能夠及時(shí)跟進(jìn)遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)的進(jìn)展，遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)模式中考核形式也更加多樣化。在注重掌握基本理論知識(shí)的同時(shí)，側(cè)重學(xué)生多種能力的培養(yǎng)和學(xué)習(xí)過(guò)程中有效學(xué)習(xí)的引導(dǎo)，構(gòu)建了集知識(shí)（knowledge）、能力（ability）、過(guò)程（process）評(píng)價(jià)為一體的“KAP立體考核法”。由于“傳感器原理及應(yīng)用”是一門(mén)理論和實(shí)踐結(jié)合十分緊密的課程，為了突出實(shí)踐的必要和重要性，考核中實(shí)驗(yàn)課作為一門(mén)課程單獨(dú)打分。在理論課的考核方式上，注重形成性評(píng)價(jià)與總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合。教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)各階段課堂提問(wèn)、隨堂測(cè)試及各項(xiàng)目化成果進(jìn)行了過(guò)程評(píng)價(jià)，包括隨堂提問(wèn)成績(jī)、隨堂測(cè)驗(yàn)成績(jī)、階段項(xiàng)目作業(yè)成績(jī)以及綜合項(xiàng)目作業(yè)成績(jī)等在內(nèi)的平時(shí)成績(jī)的比重也不斷提高，由原來(lái)的40%增至50%以上。且隨著初級(jí)階段、中級(jí)階段和高級(jí)階段的推進(jìn)，項(xiàng)目化作業(yè)的難度和比重也逐步遞增，其中以項(xiàng)目化成果得分權(quán)重最高，其整體占綜合評(píng)價(jià)得分的60%左右。這雖增加了教師的工作量，但學(xué)生的積極性得到了有效的促進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)開(kāi)展以來(lái)，同學(xué)們自學(xué)能力、文獻(xiàn)收集及整理能力、項(xiàng)目化成果水平顯著提高。相同評(píng)價(jià)指標(biāo)下，文獻(xiàn)收集及資料對(duì)比項(xiàng)目的優(yōu)秀率由原來(lái)的10%提高到30%，最終的綜合型項(xiàng)目化作業(yè)中自創(chuàng)性項(xiàng)目由過(guò)去的20%提高到37%。同學(xué)們對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的興趣也明顯提升?？己酥性O(shè)計(jì)題和對(duì)比分析題的得分也有所提高。

不可否認(rèn)的是由于課堂教學(xué)中基礎(chǔ)知識(shí)傳授所占用的比例逐步減低，學(xué)生的自學(xué)比重的增加使得新授課模式與傳統(tǒng)授課式教學(xué)模式相比，期末考試中學(xué)生在基礎(chǔ)知識(shí)方面的平均得分略有下降。因此豐富習(xí)題庫(kù)和課程資源，開(kāi)發(fā)更利于師生互動(dòng)的在線開(kāi)發(fā)課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將是浙江理工大學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)接下來(lái)的主要工作。

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