新工科背景下“傳感器原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革初探

丁超　李剛俊　蘇睿

摘要：針對(duì)“新工科”建設(shè)背景下“傳感器原理與應(yīng)用”課程的本科教學(xué)，以一流應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)為宗旨，通過(guò)線上線下混合式教學(xué)改革，項(xiàng)目化課程建設(shè)，跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)的探索，在課程教學(xué)考核設(shè)計(jì)的保障下，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠獨(dú)立地完成項(xiàng)目的研發(fā)，提高學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，真正做到手腦并用，學(xué)做合一。

關(guān)鍵詞：新工科;教學(xué)改革;課程建設(shè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212;G642文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2020）02-0105-04

Abstract： For the undergraduate teaching of the “Sensor Principles and Applications” course under the background of “New Engineering”， with the aim of training first-class applied talents， through online and offline mixed teaching reform， project-based curriculum construction， and interdisciplinary curriculum design， students interest in learning can be stimulated， students can independently complete project research and development， and ?students ability to analyze problems and solve problems can be improved under the guarantee of curriculum teaching assessment design. So that students can truly use both hands and brain， and learn to be one.

Keywords：new engineering; teaching reform; course construction

以智能化與信息化為特征的第四次工業(yè)革命給人類(lèi)帶來(lái)深刻變革，應(yīng)用信息物理系統(tǒng)（CPS）實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)成為時(shí)代主流。為推動(dòng)新工業(yè)革命下工程教育的變革與創(chuàng)新，2016年10月，第一屆高等教育峰會(huì)在成都舉行，首次提出“新工科”概念。國(guó)家推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”倡議和“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對(duì)工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新。

在以上背景下，一大批新工科專(zhuān)業(yè)如“智能制造工程”“物聯(lián)網(wǎng)工程”“機(jī)器人工程”“數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)工程”應(yīng)運(yùn)而生。而在這些新工科專(zhuān)業(yè)的課程體系中，“傳感器原理與應(yīng)用”課程承擔(dān)著重要角色。人才培養(yǎng)的關(guān)鍵在于專(zhuān)業(yè)建設(shè)，而專(zhuān)業(yè)建設(shè)的根本又體現(xiàn)在課程建設(shè)上。因此，必須以“新工科”理念引導(dǎo)“傳感器原理與應(yīng)用”課程進(jìn)行教學(xué)改革，順應(yīng)工程教育改革，加快“新工科”工程科技人才的培養(yǎng)步伐。

目前，學(xué)界關(guān)于“傳感器原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)改革做了大量的研究，其中，胡博文[1]建立了“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”在線開(kāi)放課程并提出新技術(shù)融入教學(xué)，教學(xué)形式多樣化等觀點(diǎn);趙月容[2]提出讓學(xué)生通過(guò)創(chuàng)新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)自主性與參與項(xiàng)目的熱情;徐新黎[3]也通過(guò)縮減理論教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)充應(yīng)用型教學(xué)內(nèi)容等方式進(jìn)行了課程建設(shè)。研究者從不同方面進(jìn)行了課程教學(xué)改革研究，但缺少結(jié)合應(yīng)用型本科高校的特點(diǎn)，綜合提高一流應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量的相關(guān)研究。

因此，本文針對(duì)“傳感器原理與應(yīng)用”課程，結(jié)合應(yīng)用型本科高校的特點(diǎn)，從以下3個(gè)方面展開(kāi)研究：1）通過(guò)線上線下混合式教學(xué)改革提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;2）通過(guò)項(xiàng)目化課程建設(shè)讓學(xué)生在畢業(yè)時(shí)能夠具有用人單位所需要的知識(shí)、能力和素質(zhì);3）通過(guò)跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。在課程教學(xué)考核設(shè)計(jì)的保障下，完成本課程的教學(xué)改革探索，順應(yīng)地方性高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

1 課程教學(xué)方法現(xiàn)狀

“互聯(lián)網(wǎng)+”“工業(yè)4.0”“中國(guó)制造2025”等發(fā)展戰(zhàn)略正前所未有地推進(jìn)工業(yè)化與信息化的深度融合，重構(gòu)新時(shí)代人們的工作模式、生活和思維方式。先進(jìn)的信息技術(shù)成為引領(lǐng)國(guó)家邁向高度現(xiàn)代化的支撐性技術(shù)之一，傳感器應(yīng)用位于信息鏈的首端，能夠獲取非電量信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的電信號(hào)，在智能制造領(lǐng)域也起到了不可替代的作用。以創(chuàng)新融合為核心的數(shù)字經(jīng)濟(jì)呼喚“新工科”建設(shè)，“傳感器原理與應(yīng)用”被賦予了歷史新使命。

“傳感器原理與應(yīng)用”課程的內(nèi)容涉及儀器儀表、電子電工、計(jì)算機(jī)、智能感知、光電檢測(cè)、信息安全、人工智能等基礎(chǔ)理論和技術(shù)，知識(shí)覆蓋面較廣，各章節(jié)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，教師在課堂上講授電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁敏式、熱電式、光電式等各種傳感器的工作原理，測(cè)量電路分析、以及各種傳感器的工程應(yīng)用，知識(shí)點(diǎn)多且復(fù)雜，理論學(xué)習(xí)枯燥且難以理解，導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)能力鴻溝和聽(tīng)課倦怠的問(wèn)題。再加上傳統(tǒng)的教學(xué)課堂缺乏教學(xué)效果反饋，教師往往不知道學(xué)生聽(tīng)懂多少。單一的教授過(guò)程使學(xué)生參與不夠，學(xué)習(xí)興趣和積極性不高，導(dǎo)致學(xué)習(xí)體驗(yàn)差，對(duì)課程的理解感到茫然，導(dǎo)致教師撬不動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的杠桿[4]。 因此，圍繞新工科背景下一流應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)“傳感器原理與應(yīng)用”課程進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)改革顯得尤為必要。

2 課程教學(xué)改革的主要內(nèi)容

2.1 線上線下混合式教學(xué)改革

線上線下混合式教學(xué)即在教師面授的傳統(tǒng)教學(xué)方式中引入慕課視頻資源，融入“雨課堂”等信息化教學(xué)工具，以“學(xué)生為主體，教師做引導(dǎo)”的教學(xué)理念為指導(dǎo)，使學(xué)生在這種新型教學(xué)環(huán)境下自由、自主地對(duì)課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。這種線上線下混合式教學(xué)模式，使得課堂教學(xué)活動(dòng)突破時(shí)間、空間的限制，從本質(zhì)上改變傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)中師生間的關(guān)系和課堂的整體架構(gòu)，從而讓學(xué)生達(dá)到“在生活中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中生活”的理想學(xué)習(xí)狀態(tài)[5]。

課堂引入同類(lèi)應(yīng)用型高?！皞鞲衅髟砼c應(yīng)用”慕課資源，遵循“以學(xué)生為中心”的教育理念，進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)改革。通過(guò)以下幾點(diǎn)在課程教學(xué)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效能力訓(xùn)練。

1）設(shè)計(jì)針對(duì)性的課前導(dǎo)學(xué)

課前，引入慕課視頻，任務(wù)化引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行時(shí)間規(guī)劃、自我約束，有效提升學(xué)生的執(zhí)行能力和行為能力。通過(guò)慕課視頻，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，包括知識(shí)點(diǎn)挖掘、歸納總結(jié)、知識(shí)應(yīng)用、文獻(xiàn)查閱，鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性和自學(xué)能力，促使學(xué)生高參與度的有效自主學(xué)習(xí)行為發(fā)生。

2）課堂中討論式智慧教學(xué)

課堂中，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)討論，案例分析，習(xí)題解答。通過(guò)這種討論式智慧教學(xué)法讓學(xué)生們發(fā)生思維碰撞、頭腦風(fēng)暴，這種互動(dòng)不僅提高了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的參與程度和興趣，還培養(yǎng)了學(xué)生的溝通交流能力以及團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、集體榮譽(yù)感、成就感等。

3）基于“雨課堂”的線下教學(xué)

課后，借助信息化智慧教學(xué)工具——“雨課堂”軟件，用信息化手段，關(guān)注學(xué)生信息技術(shù)時(shí)代的需求，解決或改善傳統(tǒng)教學(xué)問(wèn)題，實(shí)時(shí)檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)效果。設(shè)置“主觀題小組作戰(zhàn)”，提高解題效率的同時(shí)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力;通過(guò)小組互評(píng)，學(xué)生換角色參與，加深對(duì)知識(shí)的理解，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，切實(shí)改善了學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有效提升學(xué)生課堂注意力、抬頭率。

2.2 項(xiàng)目化課程建設(shè)

項(xiàng)目化課程是指根據(jù)地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和職業(yè)能力培養(yǎng)需求，將專(zhuān)業(yè)課程中的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成訓(xùn)練學(xué)生某方面具體技能的項(xiàng)目。以具體項(xiàng)目作為教學(xué)的主題，從專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和職業(yè)發(fā)展出發(fā)，有助于引導(dǎo)學(xué)生更加積極主動(dòng)地參與，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力、實(shí)踐操作能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[6]。

考慮工廠企業(yè)在實(shí)際檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的狀況以及面臨的問(wèn)題，再結(jié)合“傳感器原理與應(yīng)用”課程所學(xué)理論內(nèi)容，設(shè)置項(xiàng)目化課程的項(xiàng)目題目。學(xué)生需要按照項(xiàng)目化課程要求的步驟，分配小組，合理選擇項(xiàng)目題目，小組制定項(xiàng)目計(jì)劃，編寫(xiě)項(xiàng)目實(shí)施任務(wù)書(shū)、中期抽查報(bào)告、項(xiàng)目結(jié)題匯報(bào)等程序。通過(guò)大量的市場(chǎng)調(diào)研自主完成傳感器的選型、測(cè)量電路的設(shè)計(jì)、檢測(cè)平臺(tái)的搭建以及后續(xù)信號(hào)的采集和處理。最后，學(xué)生以小組或個(gè)人的形式將項(xiàng)目成果以PPT和實(shí)物的方式展現(xiàn)給指導(dǎo)教師和同學(xué)，并讓指導(dǎo)教師給出指導(dǎo)意見(jiàn)，同學(xué)參與互評(píng)[7]。將項(xiàng)目融入課程是一種全新的教學(xué)模式，更加注重學(xué)生在參與項(xiàng)目的過(guò)程中所帶來(lái)的收獲，而不僅僅是項(xiàng)目本身或結(jié)果。

在“新工科”的大背景下，基于項(xiàng)目化課程建設(shè)的教學(xué)方法旨在將課程理論與工廠實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，一方面有助于學(xué)生掌握理論知識(shí)，將理論和實(shí)踐有機(jī)融合;另一方面可以通過(guò)做項(xiàng)目的方式促進(jìn)學(xué)生之間的合作，提高學(xué)生的協(xié)作能力，團(tuán)隊(duì)意識(shí)，并為他們今后的職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)的工作基礎(chǔ)[8]。

2.3 跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)

區(qū)別于傳統(tǒng)單一課程獨(dú)立授課的封閉式教學(xué)模式，跨學(xué)科課程教學(xué)通過(guò)給學(xué)生介紹跨學(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合跨學(xué)科知識(shí)解決“傳感器原理與應(yīng)用”課程中所面臨的問(wèn)題。跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)不僅擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面，還啟發(fā)他們的跨學(xué)科思維[9]。

在“傳感器原理與應(yīng)用”課程的智能測(cè)力傳感器設(shè)計(jì)中，學(xué)生首先進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，進(jìn)行智能產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，再進(jìn)行作品展示，并分組討論修改方案。由于智能測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)需要高等數(shù)學(xué)、力學(xué)、電子電工、大學(xué)物理及材料學(xué)等課程知識(shí)，因此學(xué)生可以借助不同學(xué)科，進(jìn)行傳感器設(shè)計(jì)的可行性分析，并籌劃與準(zhǔn)備相關(guān)硬件與材料。

在引入跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)后，“傳感器原理與應(yīng)用”就不再是單一的學(xué)科課程，而是讓學(xué)生利用所學(xué)的課堂知識(shí)如傳感器檢測(cè)原理、各種測(cè)量電路的特點(diǎn)、傳感器的應(yīng)用等內(nèi)容再結(jié)合相應(yīng)的跨學(xué)科知識(shí)，如數(shù)理統(tǒng)計(jì)、金屬材料學(xué)、電路分析基礎(chǔ)等去針對(duì)不同的測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)具體傳感器及測(cè)試系統(tǒng)。

跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)，以多學(xué)科知識(shí)認(rèn)知規(guī)律為主線，幫助學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)體系，進(jìn)行應(yīng)用型實(shí)踐學(xué)習(xí)。培養(yǎng)了學(xué)生的跨學(xué)科思維，同時(shí)又鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和操作實(shí)踐能力[10]。

3 課程教學(xué)考核設(shè)計(jì)

對(duì)于“傳感器原理與應(yīng)用”課程，如果只通過(guò)筆試方式進(jìn)行考核，會(huì)存在考試內(nèi)容重理論輕實(shí)際，對(duì)學(xué)生綜合能力考查不到位等問(wèn)題。為了加強(qiáng)過(guò)程考核，避免學(xué)生出現(xiàn)“平時(shí)不努力，考前搞突擊”，調(diào)整現(xiàn)有的教學(xué)考核方式，提升課程過(guò)程性考核的比例[11]。

3.1 作業(yè)習(xí)題成績(jī)

占總成績(jī)10%。選擇課后習(xí)題中以重難點(diǎn)為考查內(nèi)容的題目，優(yōu)選加深概念、拓展思路的基礎(chǔ)題目，適當(dāng)增加考查綜合應(yīng)用能力的分析題目或者計(jì)算題。教師根據(jù)學(xué)生作業(yè)的自主完成度、解題思路正確度、是否掌握答題要點(diǎn)等方面對(duì)作業(yè)習(xí)題成績(jī)進(jìn)行綜合評(píng)定。

3.2 課堂表現(xiàn)成績(jī)

占總成績(jī)30%。針對(duì)本文提到的線上線下混合式教學(xué)和項(xiàng)目化課程教學(xué)，結(jié)合學(xué)生在課堂的實(shí)際參與討論情況，積極主動(dòng)程度，團(tuán)隊(duì)協(xié)作表現(xiàn)等方面進(jìn)行評(píng)定。以討論金屬應(yīng)變片的測(cè)量電橋?yàn)槔?，教師通過(guò)學(xué)生正確理解金屬絲式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)和主要特性的程度、查閱相關(guān)資料并討論分析產(chǎn)生溫度誤差的主要原因和相應(yīng)的補(bǔ)償方法、參與小組討論的積極性、資料收集和對(duì)問(wèn)題的分析處理能力、主動(dòng)提出設(shè)想、與他人協(xié)作等方面，綜合課堂討論表現(xiàn)進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。

3.3 項(xiàng)目化課程成績(jī)

占總成績(jī)30%。針對(duì)本文提到的項(xiàng)目化課程建設(shè)和跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)，結(jié)合項(xiàng)目化課程題目，根據(jù)學(xué)生對(duì)工程測(cè)量環(huán)節(jié)的把控程度，檢測(cè)原理的正確理解程度，測(cè)量電路的設(shè)計(jì)合理程度以及檢測(cè)平臺(tái)搭建的規(guī)范程度等方面進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。

同時(shí)，在課程項(xiàng)目答辯環(huán)節(jié)中，根據(jù)學(xué)生的項(xiàng)目階段進(jìn)展情況、項(xiàng)目報(bào)告和成果展示PPT答辯情況等進(jìn)行評(píng)定，其中包括學(xué)生對(duì)概念的理解能力、分析設(shè)計(jì)能力、表達(dá)能力、總結(jié)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等進(jìn)行評(píng)定。教師針對(duì)課程項(xiàng)目在學(xué)生成果展示答辯環(huán)節(jié)提出問(wèn)題，主要考查學(xué)生對(duì)傳感器原理的理解程度、對(duì)所選傳感器有關(guān)特性及測(cè)量技術(shù)的掌握程度、對(duì)傳感器應(yīng)用中所遇問(wèn)題的分析與解決程度等[12]。

3.4 期末試卷成績(jī)

占總成績(jī)30%。期末考試試題覆蓋課程教學(xué)大綱，包括選擇、填空、分析和計(jì)算4類(lèi)題型，試卷以簡(jiǎn)單題和中等難度題目為主。內(nèi)容以考查原理及應(yīng)用性知識(shí)題為主，主要從傳感器的工作原理、測(cè)量電路、傳感器的應(yīng)用以及綜合計(jì)算等方面進(jìn)行考核。

4 結(jié)論

在發(fā)展“新工科”的背景下，圍繞一流應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，即應(yīng)用型本科院校以一流應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系，培養(yǎng)能夠?qū)⒊墒斓募夹g(shù)和理論應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)的技能型人才。對(duì)“傳感器原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革進(jìn)行探索。通過(guò)線上線下混合式教學(xué)改革，項(xiàng)目化課程建設(shè)，跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)，在課程教學(xué)考核設(shè)計(jì)的保障下，教學(xué)改革取得了一定的成效：越來(lái)越多的學(xué)生能夠在課堂提高注意力，課堂討論氣氛也逐漸變得活躍，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，項(xiàng)目化課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)學(xué)生的積極性也被充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，進(jìn)一步提升了我校一流應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

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