應(yīng)用型本科建設(shè)下《傳感器技術(shù)》的教學(xué)改革*

福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院 黃敏 黃淑燕 黃幼萍

《傳感器技術(shù)》是電子信息類的綜合性專業(yè)課，傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中存在理論性太強(qiáng)，教學(xué)實(shí)例抽象以及實(shí)踐以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主等不足之處。為了提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，現(xiàn)以應(yīng)用型本科專業(yè)建設(shè)思想為基礎(chǔ)，在理論教學(xué)方案實(shí)施過(guò)程中精簡(jiǎn)理論環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生在工程實(shí)例中傳感器的選取與使用的實(shí)踐能力培養(yǎng)；將傳感器實(shí)驗(yàn)由原來(lái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)展，具體包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析的能力訓(xùn)練、引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、加入綜合設(shè)計(jì)類實(shí)踐項(xiàng)目。這些教改舉措都將對(duì)學(xué)生在參加專業(yè)競(jìng)賽以及未來(lái)參加工作后的工程應(yīng)用都起到一個(gè)不可忽視的作用。

應(yīng)用型本科教育作為一個(gè)教育概念在我國(guó)提出的時(shí)間不長(zhǎng)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，國(guó)際高教界逐漸形成了一股新的潮流，那就是普遍重視實(shí)踐教學(xué)、強(qiáng)化應(yīng)用型人才培養(yǎng)。國(guó)內(nèi)的諸多高校近年也紛紛在教育教學(xué)改革的探索中注重實(shí)踐環(huán)境的強(qiáng)化[1]，因?yàn)槿藗円言絹?lái)越清醒的認(rèn)識(shí)到，實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，也是提高學(xué)生社會(huì)職業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。

傳感器技術(shù)，通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，在利用信息的過(guò)程中首先要解決獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段，其重要性不言而喻[2]。在培養(yǎng)應(yīng)用型人才的背景下，《傳感器技術(shù)》作為電子信息工程，光電信息工程，物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的一門專業(yè)必修課，培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重點(diǎn)應(yīng)該放在提高實(shí)踐動(dòng)手能力、分析問(wèn)題以及解決問(wèn)題的能力、創(chuàng)新能力以及綜合素質(zhì)等方面，使學(xué)生在掌握各類傳感器的原理基礎(chǔ)上會(huì)合理地選擇與使用傳感器，由此能夠設(shè)計(jì)一個(gè)傳感器系統(tǒng)來(lái)解決生活生產(chǎn)中實(shí)際問(wèn)題，為就業(yè)做好知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

1 現(xiàn)有教學(xué)方法的不足

目前《傳感器技術(shù)》課程教學(xué)過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題：

(1)現(xiàn)主流傳感器教材以及慕課平臺(tái)上的傳感器相關(guān)課程比較重視傳感器基礎(chǔ)理論的講解，與應(yīng)用型本科建設(shè)指導(dǎo)思想并不完全吻合。在側(cè)重理論的傳感器技術(shù)教材引導(dǎo)下，學(xué)生的實(shí)踐能力得不到很好的鍛煉[3]?！秱鞲衅骷夹g(shù)》屬于一門綜合性較強(qiáng)的課程，涉及光學(xué)、材料、電子、生物、半導(dǎo)體、信息處理等眾多領(lǐng)域，如果要在有限的課時(shí)內(nèi)面面俱到，難免學(xué)生聽(tīng)了覺(jué)得空泛，導(dǎo)致一個(gè)“老師難教，學(xué)生難學(xué)”的尷尬局面。

(2)現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)上的《傳感器技術(shù)》電子課件以及教材配套的電子課件在傳感器舉例與應(yīng)該這一塊，多數(shù)還是以比較簡(jiǎn)化的原理框圖為主，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中覺(jué)得抽象，難以對(duì)其有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。

(3)《傳感器技術(shù)》這門課實(shí)驗(yàn)以傳感器實(shí)驗(yàn)箱[4]為平臺(tái)，多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：針對(duì)某個(gè)傳感器測(cè)量參數(shù)由此得出此傳感器的靈敏度、線性度等指標(biāo)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中看到的是一個(gè)封裝好的傳感器，無(wú)法了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電路的連接也只是簡(jiǎn)單的插線，并沒(méi)有涉及到轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。

2 教學(xué)改革方案探討

教學(xué)方案中應(yīng)該減少理論推導(dǎo)在課程中教學(xué)占比。在側(cè)重理論的傳感器技術(shù)教材引導(dǎo)下，學(xué)生的實(shí)踐能力得不到很好的鍛煉?！秱鞲衅骷夹g(shù)》屬于一門綜合性較強(qiáng)的課程，涉及眾多領(lǐng)域，課程特性使得本課程在講授過(guò)程中無(wú)法面面俱到。若是每一方面都進(jìn)行梳理，難以避免“蜻蜓點(diǎn)水，浮于表面”。本教改執(zhí)行過(guò)程中，首先對(duì)原課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理，將理論基礎(chǔ)作為先知知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單概括性介紹即可，理論性太強(qiáng)的推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行省略。

教學(xué)課件中配套形象演示動(dòng)畫(huà)與工程應(yīng)用實(shí)例。目前網(wǎng)絡(luò)上的《傳感器技術(shù)》電子課件以及教材配套的電子課件在傳感器舉例與應(yīng)用這一塊，多數(shù)還是以比較簡(jiǎn)化的原理框圖為主，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中覺(jué)得抽象，難以對(duì)其有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。應(yīng)用型本科教育宗旨是培養(yǎng)具有實(shí)踐動(dòng)手能力的青年一代，學(xué)生在脫離工程實(shí)踐的場(chǎng)合無(wú)法對(duì)抽象框圖和文字進(jìn)行消化和想象，更別提轉(zhuǎn)化成自身知識(shí)來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐。但是實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，也無(wú)法進(jìn)行實(shí)際場(chǎng)景教學(xué)，如何解決這一矛盾，在課堂教學(xué)中若融入形象生動(dòng)的工程動(dòng)畫(huà)以及視頻演示可以達(dá)到一個(gè)較好的效果。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案旨在提升學(xué)生動(dòng)手能力、工程應(yīng)用能力培養(yǎng)?！秱鞲衅骷夹g(shù)》這門課實(shí)驗(yàn)以傳感器實(shí)驗(yàn)箱為平臺(tái)，這些實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行的過(guò)程中學(xué)生接觸到的是一個(gè)封裝好的傳感器，無(wú)法了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，傳感器的外圍電路設(shè)計(jì)也已經(jīng)做好封裝在實(shí)驗(yàn)箱面板下方，并沒(méi)有讓學(xué)生真正涉及到轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。原本驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步加強(qiáng)理論課上相應(yīng)類型傳感器的性能指標(biāo)的理解，但是無(wú)法涉及到將傳感器放在某個(gè)工程實(shí)踐中該如何使用。本著應(yīng)用型本科注重動(dòng)手能力的宗旨，需要加入綜合性工程設(shè)計(jì)類的傳感器實(shí)驗(yàn)，包括傳感器系統(tǒng)的編程實(shí)踐與傳感器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)實(shí)踐以及對(duì)傳感器系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試[5]。

3 改革實(shí)施方案

3.1 理論教學(xué)實(shí)施

在應(yīng)用型本科建設(shè)的指導(dǎo)思想下，針對(duì)目前上述《傳感器技術(shù)》課程教學(xué)過(guò)程中主要存在的問(wèn)題，教改實(shí)施的過(guò)程修改與完善了《傳感器技術(shù)》教案。

結(jié)合教材保留理論部分，但是精簡(jiǎn)這部分內(nèi)容，例如在傳感器的一般特性這一章中省略最小二乘法推導(dǎo)過(guò)程，直接給出結(jié)論公式并配套計(jì)算實(shí)例，讓學(xué)生快速上手接入工程應(yīng)用。在電阻式傳感器章節(jié)中省略引起溫度誤差因素的公式推導(dǎo)，重點(diǎn)說(shuō)明和講解在工程應(yīng)用中使用的補(bǔ)償方式-電路補(bǔ)償。類似上述處理在每一章中都進(jìn)行了梳理。

注重從實(shí)際工程項(xiàng)目的導(dǎo)入。根據(jù)具體工程中所需實(shí)現(xiàn)的功能選取傳感器類型，再結(jié)合具體的環(huán)境指標(biāo)和參數(shù)比較選定傳感器型號(hào)。工程項(xiàng)目可以來(lái)自于公司的實(shí)際產(chǎn)品，也可來(lái)自于學(xué)生專業(yè)競(jìng)賽例如“電子設(shè)計(jì)大賽”“單片機(jī)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”“智能車大賽”等。每一章最后一部分內(nèi)容都有大量的工程應(yīng)用實(shí)例來(lái)豐富和擴(kuò)展學(xué)生對(duì)于傳感器在實(shí)踐中的應(yīng)用[6]。

結(jié)合視頻可以讓理論知識(shí)點(diǎn)深入淺出，從一個(gè)宏觀的角度讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到傳感器看似高深的文字描述原理，動(dòng)圖描繪的工程實(shí)例讓學(xué)生體會(huì)到傳感器系統(tǒng)是切實(shí)的身邊存在的。目前傳統(tǒng)教材和主流課程所羅列的傳感器很大一部分都比較“高大上”，學(xué)生平時(shí)就沒(méi)遇到過(guò)，再加上課本里的圖片和原理都很抽象和簡(jiǎn)略，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中找不到“共鳴”，難免覺(jué)得枯燥。故視頻與動(dòng)畫(huà)大多從網(wǎng)絡(luò)資源中收集，同時(shí)在科研進(jìn)行中對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行拍攝、并進(jìn)行后期剪輯處理。視頻演示以及動(dòng)圖的展示方式則幾乎在每一章都有體現(xiàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

將原有的只基于CSY教學(xué)儀器的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)這一部分?jǐn)U展成三部分，分別如下：

(1)基于CSY教學(xué)儀器的傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)。此部分實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主，主要是學(xué)生測(cè)量傳感器輸出的一系列數(shù)據(jù)。此前教學(xué)多數(shù)以學(xué)生測(cè)完數(shù)據(jù)用筆計(jì)算和畫(huà)出相關(guān)特性曲線。在本次教改實(shí)施過(guò)程中這部分教學(xué)加入關(guān)于數(shù)據(jù)處理部分的計(jì)算機(jī)處理方法，例如用Excel擬合特性曲線，并直接由軟件算出特性參數(shù)。此部分具體實(shí)施如表1實(shí)驗(yàn)1-實(shí)驗(yàn)5所示。

(2)基于虛擬仿真儀器的傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備CSY系列傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)重在使學(xué)生對(duì)傳感器工作原理及測(cè)量電路方面得到更多的直觀認(rèn)識(shí)和理解，內(nèi)容單一枯燥、硬件設(shè)備容易損壞。而虛擬儀器則不存在傳統(tǒng)儀器設(shè)備的缺點(diǎn)，它將顯示內(nèi)容與數(shù)據(jù)處理的過(guò)程都在計(jì)算機(jī)上完成。本項(xiàng)內(nèi)容實(shí)施主要使用的Protues。實(shí)驗(yàn)“超聲波傳感器的使用與測(cè)距仿真”是基于虛擬仿真儀器的傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施。此部分具體實(shí)施如表1實(shí)驗(yàn)6所示。

(3)傳感器實(shí)踐項(xiàng)目。以興趣為引導(dǎo)學(xué)生自主選擇做出能夠解決實(shí)際問(wèn)題的含有傳感器的系統(tǒng)。教改實(shí)施過(guò)程中選取了一個(gè)具有代表性的實(shí)踐項(xiàng)目：激光測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)利用4個(gè)學(xué)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生完成系統(tǒng)中主要傳感器TOF傳感器的使用，并利用模塊電路與主控單片機(jī)進(jìn)行連接調(diào)試和編程，最終實(shí)現(xiàn)具體的測(cè)距系統(tǒng)。此部分具體實(shí)施如表1實(shí)驗(yàn)7所示。

表1 《傳感器技術(shù)》實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案簡(jiǎn)表Tab.1 Brief list of the experimental implementation scheme of"Sensor Technology"

4 結(jié)語(yǔ)

本次教改的成果特色主要是將《傳感器技術(shù)》課程的教學(xué)側(cè)重點(diǎn)由理論講授轉(zhuǎn)為注重培養(yǎng)應(yīng)用型人才的實(shí)踐能力。主要體現(xiàn)在精簡(jiǎn)理論環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生在工程實(shí)例中傳感器的選取與使用的實(shí)踐能力培養(yǎng)；將傳感器實(shí)驗(yàn)由原來(lái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)展，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用軟件如Excel等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的能力，并引入虛擬仿真軟件Protues讓學(xué)生能夠?qū)鞲衅麟娐泛途幊逃懈逦睦斫?。加入綜合設(shè)計(jì)類實(shí)踐項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工程應(yīng)用能力，在傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中深入回顧與應(yīng)用到一些前導(dǎo)課程理論如模擬電子線路、數(shù)字電子線路、單片機(jī)等課程所學(xué)過(guò)的知識(shí)，從而達(dá)到一個(gè)綜合性專業(yè)素養(yǎng)的提升。本門課所涉及到的實(shí)際工程范例將對(duì)學(xué)生在參加專業(yè)競(jìng)賽以及未來(lái)參加工作后的工程應(yīng)用都起到一個(gè)不可忽視的作用。

引用

[1] 李晉,陸勇.論新工科理念下地方應(yīng)用型本科高校的特色發(fā)展[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(高教研究版),2020,24(6):9-14.

[2] 沈敏,余聯(lián)慶.基于多學(xué)科融合的傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2021,4(7):107-109.

[3] 潘敏.能力本位教育視閾下新建本科院校實(shí)踐教學(xué)探討[J].廣西教育,2020,4(31):56-57+70.

[4] 王俊波.傳感器綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2020,10(8):114-115+118.

[5] 付克蘭,張玲.創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的傳感器實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)研究[J].福建電腦,2019,35(4):65-66.

[6] 黃敏,張榮輝.專業(yè)競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)下單片機(jī)課程改革:以“合泰杯”為例[J].科技資訊,2018,16(28):162-164.