基于智科專業(yè)建設(shè)的傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)探索

張松柏 譚功全 石睿 曹立佳 曾慧敏

[摘 要]文章基于對四川輕化工大學(xué)傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)的“過程控制”特色、教學(xué)現(xiàn)狀、學(xué)生就業(yè)趨勢以及智能科學(xué)與技術(shù)新專業(yè)對課程建設(shè)新需求的分析，提出了以智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)建設(shè)為契機(jī)，將課程教學(xué)分為基礎(chǔ)內(nèi)容共同學(xué)習(xí)、實(shí)踐內(nèi)容分組學(xué)習(xí)、設(shè)計內(nèi)容選擇學(xué)習(xí)，在打牢學(xué)生課程基礎(chǔ)的同時，分目標(biāo)、分層次進(jìn)行教學(xué)設(shè)計和探索。根據(jù)學(xué)生的專業(yè)和就業(yè)方向安排課程教學(xué)重點(diǎn)，突出以技術(shù)應(yīng)用問題為牽引，以探討問題解決方案為核心進(jìn)行分班教學(xué)，深度拓展學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力;針對不同基礎(chǔ)和能力的學(xué)生設(shè)計不同深度的問題，要求學(xué)生分組獨(dú)立完成，然后相互評價問題解決的思路和方法，使學(xué)生達(dá)到獨(dú)立思考、分層考核、思路共享、共同進(jìn)步的學(xué)習(xí)目標(biāo)，同時有助于達(dá)成傳感器與檢測技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]傳感器與檢測技術(shù);過程控制;運(yùn)動控制;分層教學(xué);課程探索

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）12-0086-04

傳感器技術(shù)是當(dāng)代信息技術(shù)的三大支柱之一。中國自動化學(xué)會首屆理事長錢學(xué)森曾說：發(fā)展高新技術(shù)信息技術(shù)是關(guān)鍵，信息技術(shù)包括測量技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，測量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)[1]。對于自動化專業(yè)，信息是基礎(chǔ)，傳感器與檢測技術(shù)是關(guān)鍵核心和前提條件。傳感器與檢測技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到這門課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度和學(xué)生未來技術(shù)發(fā)展的潛力。

四川輕化工大學(xué)（下文也稱“我?！保┯?019年增設(shè)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，其主要專業(yè)課程由自動化與信息工程學(xué)院（下文也稱“我學(xué)院”）自動化系承擔(dān)。鑒于自動化專業(yè)原有的課程體系具有“過程控制”特色，其傳感器與檢測技術(shù)課程的核心內(nèi)容是檢測溫度、壓力、物位、流量和成分;而智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)以運(yùn)動控制、圖像采集及數(shù)據(jù)分析為主，其傳感器與檢測技術(shù)課程的核心內(nèi)容應(yīng)側(cè)重于檢測位置、轉(zhuǎn)速和力矩、速度、加速度、環(huán)境光學(xué)圖像等。因此，我學(xué)院根據(jù)上述特點(diǎn)開展傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、新教學(xué)方法探索，以提高課程教學(xué)質(zhì)量。

一、傳感器與檢測技術(shù)課程的特色與教學(xué)現(xiàn)狀

（一）傳感器與檢測技術(shù)課程具有“過程控制”特色

四川輕化工大學(xué)自動化專業(yè)始建于1965年，1980年獲得工學(xué)學(xué)士學(xué)位授予權(quán)，原名生產(chǎn)過程自動化專業(yè)，是西南三省高校自動化專業(yè)中唯一面向過程控制的工學(xué)本科專業(yè)。這個專業(yè)2008年被評為四川省特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，2010年7月獲批國家特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，2012年被列為卓越工程師教育培養(yǎng)計劃專業(yè)，2018年被列為四川省地方普通高校應(yīng)用型示范專業(yè)。其大量畢業(yè)生活躍在西南地區(qū)的化工、材料、能源等行業(yè)的一線工作崗位。正是這門專業(yè)的“過程控制”特色，決定了傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容以過程控制中的非電量物理量的測量為主，其課程教學(xué)內(nèi)容框架如圖1所示。

與其他多數(shù)同類高校一樣，我校傳感器與檢測技術(shù)課程的理論教學(xué)時間壓縮為32學(xué)時，2個學(xué)分;實(shí)驗(yàn)教學(xué)為12學(xué)時，0.5個學(xué)分;遵循先理論后實(shí)驗(yàn)的原則;課程分別由理論課教師和實(shí)驗(yàn)課教師進(jìn)行教學(xué)。學(xué)校近年來繼續(xù)強(qiáng)化專業(yè)特色的課程建設(shè)，自動化專業(yè)課的“過程控制”特色得以凸顯。傳感器與檢測技術(shù)課程以培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力為主線，引導(dǎo)學(xué)生掌握電阻式、電感式、電容式、熱電式、壓電式、電敏式等傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理，掌握溫度、壓力、流量、液位、成分和物性的測量方法。實(shí)驗(yàn)教學(xué)以某型號實(shí)驗(yàn)臺為基礎(chǔ)，設(shè)計完成6套實(shí)驗(yàn)，其中包括電阻式傳感器的單臂、半橋、全橋性能實(shí)驗(yàn)，電子秤實(shí)驗(yàn)，差動電容特性實(shí)驗(yàn)，差動變壓器性能實(shí)驗(yàn)。

（二）近年我校傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)狀況

理論課教學(xué)由教師通過多媒體演示并結(jié)合板書進(jìn)行知識點(diǎn)的講授。在這種教學(xué)模式下，教師成了教學(xué)的主角，學(xué)生在課堂的多數(shù)時間處于被動接受知識的狀態(tài)，課堂互動少，理論教學(xué)枯燥乏味。這忽視了教學(xué)活動的主體應(yīng)該是學(xué)生這一點(diǎn)，加上智能手機(jī)和手機(jī)游戲的普及，出現(xiàn)少數(shù)學(xué)生在課堂上打游戲或翹課厭學(xué)的現(xiàn)象。這種教學(xué)模式無法培養(yǎng)學(xué)生的主動性、積極性，其獨(dú)立思考能力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)更無從說起。因此，必須對其進(jìn)行改革，才有可能真正開展以學(xué)生為中心的教學(xué)。

傳感器與檢測技術(shù)作為相關(guān)專業(yè)的核心課程，涉及的專業(yè)基礎(chǔ)知識面較廣，要求學(xué)生先修的課程包括電路基礎(chǔ)、模電、數(shù)電且具備應(yīng)用大學(xué)物理知識的能力。近年來，一方面，隨著高校擴(kuò)招，我校學(xué)生的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)參差不齊，部分學(xué)生基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，客觀上增加了學(xué)生學(xué)習(xí)難度，不僅影響學(xué)生自學(xué)預(yù)習(xí)效果，還會影響到整個班級的教學(xué)進(jìn)度安排，加上實(shí)驗(yàn)課程中所使用的實(shí)驗(yàn)平臺和相關(guān)電子產(chǎn)品屬于模塊化、智能化設(shè)計，學(xué)生很難從身邊的傳感器應(yīng)用中獲得對傳感器及測量電路的直觀認(rèn)識，其動手設(shè)計興趣缺乏。另一方面，隨著西部地區(qū)產(chǎn)業(yè)調(diào)整和污染治理的深入開展，石油、化工、冶金類行業(yè)企業(yè)多由區(qū)域中心城市搬遷至距城市較遠(yuǎn)的縣級城市工業(yè)園。另外，隨著城市化的進(jìn)一步加速，在校大學(xué)生更傾向于在區(qū)域中心城市就業(yè)或創(chuàng)業(yè)，因此自動化專業(yè)的部分學(xué)生對過程工業(yè)控制的學(xué)習(xí)興趣不大，更傾向于學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)的控制科學(xué)。

我校傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)的現(xiàn)狀，促使教師探索新思路、新方法，摸索哪些內(nèi)容可以安排行政班級共同學(xué)習(xí)，哪些內(nèi)容可根據(jù)學(xué)生水平進(jìn)行分層教學(xué)。在此過程中，我校自動化專業(yè)形成了過程控制與運(yùn)動控制兩個方向，其對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的探索仍需加強(qiáng)。

二、智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)對傳感器與檢測技術(shù)課程建設(shè)及教學(xué)內(nèi)容調(diào)整的要求

（一）智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)建設(shè)對傳感器與檢測技術(shù)課程的新要求

2019年，我校發(fā)揮多個學(xué)院集中辦學(xué)優(yōu)勢，新增智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，并開始本科招生。新的教學(xué)任務(wù)和形勢逼迫傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)主動思變，圍繞這個新專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，開展對課程內(nèi)容新需求和調(diào)整方向的分析，凝練出以智能檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)器人運(yùn)動控制和環(huán)境感知為實(shí)驗(yàn)平臺獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，以智能控制為目標(biāo)的課程教學(xué)內(nèi)容框架，如圖2所示。

（二）智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)對傳感器與檢測技術(shù)課程內(nèi)容調(diào)整的需求

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)凸顯機(jī)器人運(yùn)動控制和智能檢測及應(yīng)用知識與技術(shù)的重要性，傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容需要圍繞機(jī)器人運(yùn)動控制和智能檢測進(jìn)行調(diào)整。其中運(yùn)動控制的相關(guān)傳感器是基礎(chǔ)，如力、速度、加速度等物理量的檢測與過程控制中所用到的傳感器工作原理類似，通過微調(diào)即可滿足相關(guān)教學(xué)要求，如圖2的實(shí)線框所示;而機(jī)器人所獨(dú)有的視覺、觸覺、接近覺，可在原傳感器（如CCD、霍爾元件、電渦流、紅外等）基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)視覺、觸覺、接近覺的應(yīng)用即可，如圖2虛線小框所示。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)更注重機(jī)器人、大數(shù)據(jù)等人工智能相關(guān)的智能控制與決策、智能信息處理技術(shù)復(fù)合型應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，因此圖像感知、語音識別、運(yùn)動檢測和多傳感器信息融合分析成為新增的、核心的教學(xué)內(nèi)容，如圖2虛線方框內(nèi)容所示。理論課的教學(xué)需突出此部分內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)則可在我校剛配置的某型號機(jī)器人和某智能化物流平臺上進(jìn)行。

三、分層教學(xué)探索

鑒于我校自動化、智能科學(xué)與技術(shù)兩個專業(yè)均需開設(shè)傳感器與檢測技術(shù)課程，以及近年我校學(xué)生數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)較薄弱的事實(shí)和畢業(yè)生未來就業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向，本課程已在自動化專業(yè)行政班教學(xué)基礎(chǔ)上開展分層教學(xué)探索。在這個探索過程中，任課教師將傳感器基本特性、檢測技術(shù)基礎(chǔ)知識和檢測技術(shù)智能化發(fā)展趨勢等內(nèi)容設(shè)置為兩個專業(yè)的共同基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容開展合班教學(xué)，以夯實(shí)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)。因兩個專業(yè)的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)和特色不同而采用分班教學(xué)，即分為“過程控制”特色教學(xué)班級和“運(yùn)動控制”特色教學(xué)班級，以深度拓展各自專業(yè)應(yīng)用方向，同時根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)和興趣愛好不同而采取分層教學(xué)和考核，以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動性、創(chuàng)造性。

（一）教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求相同的課程內(nèi)容采用合班教學(xué)

自動化和智能科學(xué)與技術(shù)兩個專業(yè)的傳感器與檢測技術(shù)課程均會涉及傳感器測量的基本知識、誤差理論及分析、阻抗式（包括電阻式、電容式、電感式）、傳感器、壓電式傳感器、磁敏式傳感器以及傳感器與檢測技術(shù)智能化發(fā)展趨勢等相同或相近的基礎(chǔ)內(nèi)容。這些基礎(chǔ)知識可采用合班教學(xué)，約占理論教學(xué)課時的二分之一。這部分教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)突出以知識點(diǎn)的整合為主線，要求學(xué)生掌握這些傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、測量電路及應(yīng)用示例，夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)，具備分析這些傳感器性能的能力，掌握傳感器使用方法，掌握相關(guān)測量過程影響因素及校正方法，初步具備相關(guān)問題案例的綜合分析能力。

（二）教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求不同的課程內(nèi)容則采用分班教學(xué)

在應(yīng)用層面，針對過程控制需要進(jìn)行溫度、液位、流量、壓力、成分及物性檢測分析的特點(diǎn)， 自動化專業(yè)的課程應(yīng)在熱電式傳感器、檢測技術(shù)（包括溫度、液位、流量、壓力、成分及物性檢測）等方面突出過程控制應(yīng)用需求，強(qiáng)化相關(guān)測量儀表及電路應(yīng)用的環(huán)境特征，結(jié)合相關(guān)實(shí)際應(yīng)用示例和相關(guān)儀器儀表的維保案例進(jìn)行課程教學(xué)設(shè)計，增加傳感器與檢測技術(shù)在制藥、石油、化工、冶煉等行業(yè)應(yīng)用的典型案例分析，拓展學(xué)生應(yīng)用相關(guān)技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，可選用“過程控制”特色突出的教材[2-3]。針對機(jī)器人運(yùn)動控制和智能檢測需檢測機(jī)械臂和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的相關(guān)運(yùn)動參數(shù)，以模式識別或人工智能的方式感知所處的環(huán)境，識別環(huán)境中的語音，開展視覺、聽覺、接近覺、觸覺等多傳感器獲取信息的融合分析，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的智科課程教學(xué)應(yīng)增加CCD圖像、語音識別、多傳感器數(shù)據(jù)融合分析等教學(xué)內(nèi)容，并突出“運(yùn)動控制、智能感知與智能檢測”的特色;同時增加集群控制、圖像傳感器及數(shù)據(jù)處理、語音識別的典型案例分析，拓展學(xué)生對機(jī)器人運(yùn)動控制、工業(yè)應(yīng)用實(shí)際技術(shù)問題的分析解決能力。這部分應(yīng)用背景較強(qiáng)的內(nèi)容宜采取分班教學(xué)，根據(jù)技術(shù)應(yīng)用需求不同選取不同案例進(jìn)行深度教學(xué)。相關(guān)教學(xué)內(nèi)容需在運(yùn)動控制和某些傳感器與檢測技術(shù)教材的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新編寫[4-5]。

（三）根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)和需求不同采取分層考核方式，充分激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力

在同一行政教學(xué)班里，由于學(xué)生的數(shù)學(xué)物理知識基礎(chǔ)、電路基礎(chǔ)不同，學(xué)生對本課程的興趣點(diǎn)和關(guān)注點(diǎn)也有差異：基礎(chǔ)較好的學(xué)生更傾向于學(xué)習(xí)更多的案例分析方法，基礎(chǔ)稍差的學(xué)生更關(guān)注課程考核結(jié)果。因此，教師在課程教學(xué)過程中采取學(xué)生基礎(chǔ)能力考核相同、高階能力分層考核的探索，既使絕大多數(shù)學(xué)生都可通過此課程的學(xué)習(xí)達(dá)到課程教學(xué)目標(biāo)要求，同時又能充分激發(fā)部分學(xué)生的創(chuàng)造力。

本課程對基礎(chǔ)知識的考核按統(tǒng)一要求進(jìn)行，而對應(yīng)用層面的考核則采用可選的方式進(jìn)行。熱衷于掌握基本原理和基本設(shè)計的學(xué)生，需達(dá)到大作業(yè)要求。喜歡動手和分析的學(xué)生，可選設(shè)計項(xiàng)目進(jìn)行傳感器的應(yīng)用設(shè)計，讓他們通過解決實(shí)際設(shè)計問題來激發(fā)他們的創(chuàng)造力。而項(xiàng)目設(shè)計既可選控制工程類也可選運(yùn)動控制類，要求盡量貼近應(yīng)用實(shí)際[6-7]。

大作業(yè)和項(xiàng)目設(shè)計，要求學(xué)生分組討論，共同展示和評估。在學(xué)習(xí)成果展示方面，通過組織學(xué)生互評大作業(yè)和項(xiàng)目設(shè)計，讓學(xué)生積極參與問題思考、貢獻(xiàn)解決問題的思路和辦法;要求學(xué)生獨(dú)立完成相關(guān)任務(wù)，以保持其自身的原創(chuàng)性;最后，通過共同對比分析解決問題的思路和方法，促使學(xué)生主動思考和分析相關(guān)問題解決思路和方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

四、結(jié)語

本文從我校教學(xué)工作實(shí)際出發(fā)，初步分析論證了自動化專業(yè)和智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的區(qū)別和聯(lián)系。針對基礎(chǔ)性、通用性的傳感器及檢測技術(shù)學(xué)習(xí)需求，設(shè)計了統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)要求;針對不同特色和技術(shù)應(yīng)用場景的不同需求，設(shè)計了不同教學(xué)內(nèi)容和案例，突出了技術(shù)應(yīng)用層面問題教學(xué);針對不同基礎(chǔ)和需求的學(xué)生，通過設(shè)計不同深度的問題，要求學(xué)生分組獨(dú)立完成，相互評價解決問題的思路和方法，達(dá)到成果共享、共同進(jìn)步的學(xué)習(xí)目標(biāo)。從相關(guān)教學(xué)班級的初步實(shí)踐來看，上述教學(xué)內(nèi)容安排和教學(xué)方法嘗試，基本可實(shí)現(xiàn)我校自動化和智能科學(xué)與技術(shù)兩個專業(yè)的傳感器與檢測技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)。

教師在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生在組內(nèi)的實(shí)際貢獻(xiàn)不大，卻因?yàn)樗谛〗M水平較高而獲得相對較好的考核成績。在今后的課程考核實(shí)踐中需采用小組內(nèi)加權(quán)的方式，以將學(xué)生的實(shí)際貢獻(xiàn)客觀地反映出來。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 錢學(xué)森，于景元，戴汝為.一個科學(xué)的新領(lǐng)域：開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)及其方法論[J].自然雜志，1990（1）：3-10，64.

[2] 陶紅艷，余成波.傳感器與現(xiàn)代檢測技術(shù)[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[3] 黃英，王永紅.傳感器原理及應(yīng)用[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2016.

[4] 胡向東，李銳，徐洋，等.傳感器與檢測技術(shù)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[5] 胡福年，白春燕，丁啟勝，等.傳感器與測量技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2015.

[6] 董春利.傳感器與檢測技術(shù)實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[7] 錢裕祿.傳感器技術(shù)及應(yīng)用電路項(xiàng)目化教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：龐丹丹]

[收稿時間]2020-07-21

[基金項(xiàng)目]教育部2019年產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“人工智能相關(guān)專業(yè)的課程體系優(yōu)化探索”（201902084036）;四川輕化工大學(xué)2020年研究生課程建設(shè)項(xiàng)目“最優(yōu)狀態(tài)估計與系統(tǒng)辨識”（YZ202003）。

[作者簡介]張松柏（1976-），男，四川廣安人，博士，副研究員，研究方向：核探測技術(shù)。