新工科背景下傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)模式探索與實(shí)踐

李 靜，艾志偉，楊春山，李樹德

(桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西桂林，541004)

2016年，教育部提出了高等教育新工科建設(shè)，旨在培養(yǎng)符合新形勢、新經(jīng)濟(jì)、新要求的具有一定工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才。桂林航天工業(yè)學(xué)院(以下簡稱“我校”)也積極響應(yīng)教育部的號召，對傳統(tǒng)課程進(jìn)行教學(xué)改革，使培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型的人才目標(biāo)真正落地。傳感器與檢測技術(shù)是工程領(lǐng)域各種工業(yè)控制系統(tǒng)的首要組成部分，為系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)提供有力支撐，是實(shí)現(xiàn)智能測控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[1]該課程是我校自動(dòng)化專業(yè)和測控技術(shù)與儀器兩個(gè)專業(yè)的專業(yè)核心課程，主要講授各類傳感器的工作原理、工作特性、測量電路以及傳感器的簡單應(yīng)用。然而，當(dāng)前課堂上學(xué)生對這些枯燥乏味的原理、特性分析毫無興趣，學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性也都不高，不能積極參與到教學(xué)活動(dòng)中來。課后，學(xué)生也只有少量書本后的習(xí)題作業(yè)，課堂教學(xué)與課后學(xué)習(xí)兩個(gè)環(huán)節(jié)的脫離現(xiàn)象嚴(yán)重，學(xué)生思維活動(dòng)較少，學(xué)習(xí)效果不理想。針對教與學(xué)中存在的問題，課題組對傳感器與檢測技術(shù)進(jìn)行了教學(xué)模式的探索和改革。

一、以“學(xué)生為主體”的線上線下教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

教與學(xué)的主客體關(guān)系研究表明，教學(xué)過程是教師和作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生不斷互動(dòng)的過程，學(xué)生只有主動(dòng)參與教學(xué)過程才能取得最佳的學(xué)習(xí)效果。[2]在教育信息化的背景下，我校教師借鑒慕課優(yōu)勢，積極創(chuàng)設(shè)“以學(xué)生為主體”的學(xué)習(xí)情境和教學(xué)活動(dòng)，將線下學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)課堂有效結(jié)合，運(yùn)用多樣化的學(xué)習(xí)方式，深化學(xué)生對知識的理解、遷移與應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。[3]如針對紅外傳感器這章內(nèi)容的教學(xué)，教師首先在課前發(fā)布“自動(dòng)感應(yīng)門”“公共場所感應(yīng)水龍頭”等學(xué)生熟悉的應(yīng)用場景并提出問題，學(xué)生在線上根據(jù)場景自行閱讀教材和參考書目，并通過慕課視頻學(xué)習(xí)紅外傳感器這一章的工作原理，了解傳感器的工作特性，制作學(xué)習(xí)PPT。課堂上，學(xué)生匯報(bào)紅外傳感器的相關(guān)知識點(diǎn)，教師只針對重難點(diǎn)和學(xué)生提出的問題展開講解。為了檢測學(xué)生線下的學(xué)習(xí)效果，教師在課后使用“雨課堂”向?qū)W生推題，學(xué)生在線答題，教師實(shí)時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，督促學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)。線上線下的教學(xué)活動(dòng)讓學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)過程，發(fā)揮了學(xué)生的主導(dǎo)作用，把學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，課堂氣氛因此活躍起來，教學(xué)效果得到明顯好轉(zhuǎn)。線上線下教學(xué)活動(dòng)過程如圖1所示。

圖1 線上線下教學(xué)活動(dòng)圖解

二、以“應(yīng)用”為導(dǎo)向的項(xiàng)目式教學(xué)模式

傳感器與檢測技術(shù)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，線下學(xué)生自主學(xué)完傳感器的基本知識點(diǎn)，課堂上教師重點(diǎn)以項(xiàng)目形式講解傳感器的應(yīng)用。教師主要從項(xiàng)目背景、項(xiàng)目方案、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編寫、項(xiàng)目仿真、測量數(shù)據(jù)處理、項(xiàng)目的改進(jìn)與展望七個(gè)方面講解，把抽象的思想變成具體的方案框圖、電路原理圖、程序代碼、仿真演示等，形象地為學(xué)生展示傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)的過程。學(xué)生也只有通過這一具體設(shè)計(jì)過程才能加深對傳感器工作原理和特性的理解。這一環(huán)節(jié)具體內(nèi)容如下。

第一，介紹項(xiàng)目背景。在生產(chǎn)、生活中，傳感器無處不在，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。教師選擇傳感器有代表性的應(yīng)用背景，采用播放視頻、動(dòng)畫等豐富的形式展開背景介紹，從而吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生探索的欲望。如“直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量”，圍繞機(jī)床中的電機(jī)、汽車的車速等提出轉(zhuǎn)速測量，介紹背景的同時(shí)介紹目前常用的轉(zhuǎn)速測量技術(shù)和轉(zhuǎn)速測量意義。

第二，方案設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)主要是對傳感器選型，引導(dǎo)學(xué)生至少提出可以檢測物理量的三種傳感器，通過對比三種傳感器的性能、特點(diǎn)、使用場合、價(jià)格等，確定其中一種傳感器，將其作為檢測元件，最后畫出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖。如轉(zhuǎn)速測量，提出電渦流傳感器、光電編碼盤、霍爾傳感器三種測量轉(zhuǎn)速的方法，通過比較這三種傳感器的特點(diǎn)，最后選用霍爾傳感器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，繪制的方案框圖如圖2所示。

圖2 霍爾傳感器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速方框圖

第三，硬件電路設(shè)計(jì)，分模塊設(shè)計(jì)電路。一般的檢測控制系統(tǒng)構(gòu)成至少包括敏感信號的采集、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和控制以及系統(tǒng)的顯示電路。教師在Protetuse里繪制出電路原理圖，給學(xué)生講解信號采集和電路工作的原理，信號采集時(shí)就把霍爾傳感器如何檢測轉(zhuǎn)速、如何把速度轉(zhuǎn)變成電信號的工作過程解釋清楚。

第四，軟件程序編寫。教師利用虛擬儀器構(gòu)建系統(tǒng)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí) Lab VIEW 軟件相關(guān)部分的內(nèi)容，采用 Lab VIEW軟件編寫信號采集、處理、顯示程序，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及軟硬件之間的信息交互，編寫控制程序。

第五，項(xiàng)目仿真。驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案并運(yùn)行測試程序是極其重要的內(nèi)容，從教學(xué)效果上講，仿真環(huán)節(jié)將驗(yàn)證前面教學(xué)過程中涉及的所有分析、設(shè)計(jì)是否正確，電路圖和程序是否正確，成功的測試結(jié)果將極大地激發(fā)學(xué)生的興趣。

第六，測量數(shù)據(jù)處理。教師指導(dǎo)學(xué)生通過Excel、Matlab等軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成傳感器的靜態(tài)特性曲線，再分析該傳感器的靈敏度和非線性誤差等指標(biāo)，找出存在誤差的原因。

第七，項(xiàng)目的改進(jìn)與展望。這個(gè)環(huán)節(jié)是對整個(gè)項(xiàng)目所涉及傳感器知識點(diǎn)的整理，旨在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行傳感器應(yīng)用過程中的規(guī)律總結(jié)和知識積累，最終實(shí)現(xiàn)課程體系的理論升華。

這種教學(xué)法以項(xiàng)目為載體，以應(yīng)用為導(dǎo)向，通過教師課堂示范，引導(dǎo)和啟迪學(xué)生線下自主完成教師布置的項(xiàng)目設(shè)計(jì)大作業(yè)。學(xué)生通過具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，把理論與實(shí)踐融合起來，培養(yǎng)了文獻(xiàn)檢索能力、硬件電路設(shè)計(jì)能力，學(xué)生學(xué)會了傳感器選型方法、測量電路和變送電路設(shè)計(jì)及后續(xù)信號的處理，學(xué)會了熟練使用Matlab、Labview等仿真軟件。學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)能力和綜合應(yīng)用能力得以提高。

三、閉環(huán)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

我校開設(shè)了8個(gè)傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)，目的主要是驗(yàn)證傳感器工作原理，對測量電路設(shè)計(jì)和測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。學(xué)生參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書能較快完成實(shí)驗(yàn)，但通常表現(xiàn)是學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)就下課，而學(xué)生很少在課后積極主動(dòng)地思考實(shí)驗(yàn)過程中傳感器的檢測過程，導(dǎo)致學(xué)生撰寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)分析和總結(jié)內(nèi)容空洞，言之無物。為了改善這一現(xiàn)狀，在實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束后，教師組織學(xué)生對本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行討論和反思，請學(xué)生講述實(shí)驗(yàn)檢測中信號轉(zhuǎn)換的過程，提出實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，并由學(xué)生討論回答。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的提問、討論、反思環(huán)節(jié)相當(dāng)于是對實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的負(fù)反饋。通過這一環(huán)節(jié)，學(xué)生對本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮砝斫獾酶由羁?，對?shí)驗(yàn)過程中遇到的各種問題都能大致找到原因，從實(shí)驗(yàn)報(bào)告來看，學(xué)生實(shí)驗(yàn)分析和總結(jié)都能結(jié)合實(shí)驗(yàn)的具體過程進(jìn)行分析，內(nèi)容變得詳盡、充實(shí)、到位。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程如圖3所示。

圖3 閉環(huán)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程圖

四、注重過程評價(jià)，優(yōu)化考核方式

原有的考核方式主要以期末卷面考核為主，考核結(jié)果只反映了學(xué)生對部分知識點(diǎn)的記憶能力和理解程度，考核方式單一，既不能體現(xiàn)完整的教學(xué)活動(dòng)，也不能體現(xiàn)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。因此，我校建立了一套注重過程評價(jià)的學(xué)生成績綜合評價(jià)體系，把過程評價(jià)與期末卷面考核有機(jī)結(jié)合起來，綜合反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和學(xué)以致用的情況。在新的評價(jià)體系中，考勤、課堂匯報(bào)、課堂提問、在線答題、線下大作業(yè)、實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容均納入平時(shí)成績，從而體現(xiàn)出教學(xué)的全過程。其中，考勤占總評成績的5%，課堂匯報(bào)占總評成績的10%，課堂提問占總評成績的5%，在線答題占總評成績的5%，線下大作業(yè)占總評成績的10%，實(shí)驗(yàn)占總評成績的15%。由此可見，新的評價(jià)體系提高了平時(shí)成績的比例，和卷面考核一樣各占總成績的50%。平時(shí)成績?nèi)娣从沉巳粘＝虒W(xué)活動(dòng)，以能力為本位評價(jià)了學(xué)生，與期末考試卷面成績同等重要。

經(jīng)過兩年的探索與實(shí)踐，傳感器與檢測技術(shù)課程的教學(xué)改革取得了明顯效果。課堂上學(xué)生積極參與教學(xué)活動(dòng)，主動(dòng)提問，踴躍發(fā)言，課堂氣氛明顯活躍。課后的大作業(yè)、期末考試試卷中的應(yīng)用類和綜合類題目的學(xué)生錯(cuò)誤率較低，完成情況良好，最近幾次傳感器與檢測技術(shù)課程的綜合成績評定及格率都比往年提高，優(yōu)良率也大幅上升。以“學(xué)生”為主體，以“應(yīng)用”為導(dǎo)向是傳感器與檢測技術(shù)課程建設(shè)的核心思想，教師應(yīng)在此基礎(chǔ)上不斷探索多元化的教學(xué)模式，培養(yǎng)具有一定工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的人才。