高校傳感器課堂教學(xué)改革措施初探

袁 博

（南陽(yáng)理工學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000）

0 引 言

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)工程、電氣工程及其自動(dòng)化等電子信息類專業(yè)的核心課程。近年來(lái)， “工程教育認(rèn)證”“新工科建設(shè)”和“思政教育”成為我國(guó)高等教育發(fā)展和改革的新方向，不僅需要注重對(duì)電子信息類專業(yè)學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新精神、實(shí)際動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，還要求學(xué)生具備正確的價(jià)值觀、工程道德和法律意識(shí)，這無(wú)疑對(duì)傳感器等電子信息類專業(yè)課程的教學(xué)提出了更新、更高的要求。因此，有必要對(duì)傳感器的課堂教學(xué)改革開(kāi)展新的探索。

1 傳感器課堂教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

作為現(xiàn)代信息系統(tǒng)的源頭，傳感器主要用于各類信息的獲取。目前，傳感器已被我國(guó)以及美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家視為與科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全密切相關(guān)的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，發(fā)展速度非?？?，相關(guān)的新技術(shù)、新材料和新應(yīng)用也層出不窮。傳感器的測(cè)量對(duì)象范圍很廣，包括力學(xué)量、光學(xué)量、電學(xué)量、熱工量和化工量等，涉及學(xué)科領(lǐng)域眾多，內(nèi)容繁雜且彼此間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過(guò)程中，講授內(nèi)容集中于各種傳感器的測(cè)量原理、制造材料、結(jié)構(gòu)特征、計(jì)算公式推導(dǎo)、測(cè)量電路分析、經(jīng)典應(yīng)用介紹以及誤差原因分析與補(bǔ)償措施等，不僅涉及抽象的物理、化學(xué)理論分析和數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，還包括大量的孤立知識(shí)點(diǎn)。繁冗枯燥的課程內(nèi)容對(duì)學(xué)生的理解和記憶都是很大的負(fù)擔(dān)，容易引起反感情緒，壓抑課堂氣氛，學(xué)生的實(shí)際收獲也不大。另外，傳感器的新技術(shù)、新應(yīng)用發(fā)展迅速，教材內(nèi)容更新明顯滯后，課堂講授內(nèi)容與行業(yè)現(xiàn)實(shí)情況脫節(jié)嚴(yán)重，難以反映傳感器的最新發(fā)展和用人單位的實(shí)際需求，與在校期間的其他學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)術(shù)活動(dòng)的契合度也很低，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情普遍不高，學(xué)習(xí)積極性不能充分調(diào)動(dòng)，難以獲得理想的教學(xué)效果。

2 明確學(xué)習(xí)目標(biāo)及加強(qiáng)思政教育和工程德育的具體方法

2.1 明確相關(guān)政策背景下的學(xué)習(xí)目標(biāo)

在“新工科建設(shè)”和“工程教育認(rèn)證”背景下，不僅要求學(xué)生熟悉各種傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、測(cè)量電路和性能特點(diǎn)等理論知識(shí)，還要能夠合理選擇和熟練使用各種傳感器的代表性產(chǎn)品，具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力；能夠把握傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，具備對(duì)傳感器新技術(shù)、新材料和新應(yīng)用的跟蹤、消化能力；還需要具備與傳感器相關(guān)的職業(yè)道德和法律意識(shí)，避免在傳感器的研發(fā)和使用過(guò)程中出現(xiàn)違反法律或社會(huì)公序良俗的情況發(fā)生。教師應(yīng)主動(dòng)將上述學(xué)習(xí)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為教學(xué)目標(biāo)，所有教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置和實(shí)施都要緊密圍繞上述目標(biāo)。

2.2 加強(qiáng)思政教育

通過(guò)在課堂上融入思政元素，實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力，促成從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變、從“學(xué)為小我”到“學(xué)為大我”的學(xué)術(shù)志向提升，使專業(yè)教育與思政教育相互促進(jìn)。傳感器課程的思政教育，既可以從我國(guó)目前在該行業(yè)的困境和風(fēng)險(xiǎn)角度切入，也可以從我國(guó)傳感器行業(yè)的歷史發(fā)展機(jī)遇和業(yè)已取得的多項(xiàng)突破談起。例如，介紹目前我國(guó)傳感器的制造工藝、制造設(shè)備、設(shè)計(jì)軟件、研發(fā)投入、應(yīng)用水平與世界先進(jìn)水平之間的差距以及大部分高端傳感器市場(chǎng)仍被國(guó)外占據(jù)的現(xiàn)狀，存在大量利潤(rùn)流向國(guó)外和少量關(guān)鍵領(lǐng)域隨時(shí)可能被卡脖子的問(wèn)題；也可以向?qū)W生說(shuō)明國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)大量綱領(lǐng)性文件和優(yōu)惠政策，正在大力推進(jìn)先進(jìn)傳感器行業(yè)的發(fā)展；介紹國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的傳感器企業(yè)，如歌爾聲學(xué)、大華股份、華天科技等，以及傳感器產(chǎn)品在各型號(hào)衛(wèi)星、火箭運(yùn)載工具和地面測(cè)控設(shè)備的航天電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)傳感器行業(yè)是挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存的，應(yīng)該讓學(xué)生感受到國(guó)家科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，激發(fā)民族自豪感，鼓勵(lì)學(xué)生弘揚(yáng)科學(xué)報(bào)國(guó)的光榮傳統(tǒng)，把個(gè)人理想自覺(jué)融入國(guó)家發(fā)展偉業(yè)，積極投身到我國(guó)先進(jìn)傳感器行業(yè)的發(fā)展建設(shè)中。

2.3 加強(qiáng)工程德育

工程德育是用工程、系統(tǒng)和理論的方法進(jìn)行工程師的道德教育，符合理工科學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)、認(rèn)知方式、成長(zhǎng)規(guī)律和現(xiàn)實(shí)需求，是高校思政教育的必要延伸，也是堅(jiān)持社會(huì)主義辦學(xué)方向、辦好讓人們滿意的教育的根本要求。教師可結(jié)合案例教學(xué)法，就傳感器在研發(fā)和使用過(guò)程中可能涉及的道德、法律和倫理問(wèn)題對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程德育。例如：智能手機(jī)APP可在用戶不知情且無(wú)須系統(tǒng)授權(quán)的情況下，利用手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器采集揚(yáng)聲器所發(fā)出聲音的振動(dòng)信號(hào)，竊聽(tīng)用戶語(yǔ)音；基于圖像傳感器的各類隱藏式針孔攝像頭大量被用于偷拍，嚴(yán)重侵犯了人們的隱私，毒化了社會(huì)風(fēng)氣；基于多種傳感器獲取的個(gè)人過(guò)往行為數(shù)據(jù)，可能被用于預(yù)測(cè)個(gè)人未來(lái)的犯罪行為和概率，預(yù)測(cè)結(jié)果能否作為對(duì)其提前采取強(qiáng)制措施的依據(jù)，引發(fā)了激烈的法律和倫理討論；使用內(nèi)設(shè)新型傳感器的腦機(jī)連接產(chǎn)品正在逐漸變成現(xiàn)實(shí)，在造福殘障人士的同時(shí)，也引發(fā)了人們對(duì)可能產(chǎn)生的隱私泄露、沖動(dòng)犯罪和電子毒品等問(wèn)題的廣泛擔(dān)憂。對(duì)上述真實(shí)案例的課堂講解和分組討論，有助于引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科技倫理、生命倫理等問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的法律意識(shí)、倫理意識(shí)、人文情懷和社會(huì)責(zé)任感。

3 注重知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的融合以及實(shí)用性學(xué)習(xí)和就業(yè)引導(dǎo)

針對(duì)第1章中提到的傳感器課堂教學(xué)中存在的問(wèn)題，教師在講解清楚傳感器的測(cè)量原理和工作特性等關(guān)鍵內(nèi)容的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)濾除學(xué)生普遍容易感到枯燥、晦澀的內(nèi)容，減輕學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，并利用節(jié)省出的課堂時(shí)間和精力，結(jié)合案例教學(xué)法，通過(guò)以下三個(gè)方面全方位改善教學(xué)質(zhì)量。

3.1 與電子信息類相關(guān)課程融合形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)

傳感器與電路基礎(chǔ)、單片機(jī)、嵌入式和射頻識(shí)別等其他電子信息類課程聯(lián)系緊密，既存在大量交叉重疊的知識(shí)點(diǎn)，相互之間也是一種“你中有我，我中有你”的共存關(guān)系。例如，傳感器既可作為其他課程中系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，也可利用其他課程中的組件設(shè)計(jì)和搭建多功能傳感器系統(tǒng)。為培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)整合與綜合分析能力，教師可在課堂教學(xué)過(guò)程中將傳感器與相關(guān)電子信息類課程進(jìn)行有機(jī)融合，深入挖掘和分析傳感器與相關(guān)課程之間的內(nèi)在聯(lián)系，形成一個(gè)互聯(lián)、互通的有機(jī)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。例如：從單片機(jī)、嵌入式、射頻識(shí)別或無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等電子信息類課程的角度，分析傳感器在其他課程體系中的定位，介紹傳感器在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)、射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)以及其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中的接口關(guān)系和應(yīng)用流程，總結(jié)傳感器在電子信息類課程中的共性知識(shí)和通用方法。反過(guò)來(lái)，也可以分析單片機(jī)、嵌入式、通信原理等相關(guān)課程在傳感器課程體系和應(yīng)用系統(tǒng)中的定位和常用方法。通過(guò)將傳感器與電子信息類相關(guān)課程進(jìn)行有機(jī)關(guān)聯(lián)，引導(dǎo)學(xué)生將其在多門課程中獲取的孤立知識(shí)簇融合成一張完整、有序的知識(shí)網(wǎng)，提升學(xué)科交叉應(yīng)用能力。

3.2 介紹傳感器在學(xué)科競(jìng)賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的抽象和與現(xiàn)實(shí)生活的脫節(jié)，導(dǎo)致傳感器課程在大多數(shù)學(xué)生心目中的價(jià)值僅在于獲取對(duì)應(yīng)學(xué)分，缺乏其他現(xiàn)實(shí)意義。事實(shí)上，對(duì)于電子信息類專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，在校期間參加的學(xué)科競(jìng)賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中都會(huì)涉及大量的傳感器應(yīng)用，但大多數(shù)學(xué)生不具備在傳感器課程與競(jìng)賽、畢設(shè)之間自主建立有效聯(lián)系的意識(shí)和能力，教師在傳統(tǒng)課堂教學(xué)活動(dòng)中往往也缺乏這方面的專項(xiàng)引導(dǎo)。為改變上述狀況，使學(xué)生真正體會(huì)到傳感器課程的重要性和實(shí)用性，教師應(yīng)結(jié)合案例教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生了解不同傳感器在競(jìng)賽和畢設(shè)中的定位和常見(jiàn)用法。以基于單片機(jī)的畢業(yè)設(shè)計(jì)為例，多數(shù)以單片機(jī)為邏輯控制核心，利用不同傳感器獲取各類感興趣信息，并將獲取的信息通過(guò)有線或無(wú)線通信的方式傳遞給單片機(jī)，結(jié)合人機(jī)交互指令或參數(shù)設(shè)置，由單片機(jī)分析和處理接收到的信息，做出相應(yīng)的決策，然后把結(jié)果信息顯示到屏幕上，同時(shí)控制和驅(qū)動(dòng)動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作。例如：在基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，可以選擇利用溫濕度傳感器、有害氣體傳感器和可燃?xì)怏w傳感器獲取室內(nèi)的相應(yīng)信息，并將檢測(cè)結(jié)果在一塊屏幕上集中顯示；如果單片機(jī)判斷測(cè)得的溫濕度超過(guò)設(shè)定閾值，可利用WiFi或藍(lán)牙遠(yuǎn)程自動(dòng)打開(kāi)空調(diào)或關(guān)閉窗戶；如果檢測(cè)到濃度較高的有害氣體或可燃?xì)怏w，可立即進(jìn)行聲光報(bào)警，自動(dòng)打開(kāi)窗戶并開(kāi)啟排氣扇。這樣的課堂教學(xué)內(nèi)容和形式更貼近學(xué)生的真實(shí)需求和認(rèn)知規(guī)律，不僅對(duì)今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)有所幫助，還能提升學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性。

由于傳統(tǒng)課堂教學(xué)側(cè)重于講授各種傳感器的測(cè)量原理和特性參數(shù)，忽視了對(duì)市場(chǎng)上代表性傳感器產(chǎn)品的介紹，導(dǎo)致學(xué)生不清楚在具體應(yīng)用中該如何選擇和使用傳感器。因此，教師有必要就各種傳感器的代表性產(chǎn)品向?qū)W生多做介紹，包括傳感器的型號(hào)、外形、售價(jià)、主要引腳及其與單片機(jī)等的連接、調(diào)試方法和典型應(yīng)用案例，幫助學(xué)生在今后的競(jìng)賽、畢設(shè)和工作中快速上手各類型傳感器。

3.3 開(kāi)展傳感器方向的就業(yè)引導(dǎo)

畢業(yè)后的就業(yè)崗位、待遇及發(fā)展前景是學(xué)生都非常關(guān)注的話題。傳感器作為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)應(yīng)的工作機(jī)會(huì)多集中在大城市的高科技園區(qū)，有大量高薪崗位，行業(yè)發(fā)展前景也十分廣闊，對(duì)電子信息類專業(yè)畢業(yè)生具有較大的吸引力。學(xué)生在校期間，普遍對(duì)就業(yè)市場(chǎng)和傳感器相關(guān)崗位的認(rèn)知程度不足，教師可搜集和整理校招、招聘網(wǎng)站等多方渠道中與傳感器有關(guān)的就業(yè)崗位及待遇信息，開(kāi)展就業(yè)指導(dǎo)，為學(xué)生分析用人單位對(duì)各類型傳感器崗位的具體需求，展望傳感器行業(yè)的就業(yè)動(dòng)態(tài)和發(fā)展前景，吸引學(xué)生的興趣，提高學(xué)習(xí)積極性。

教師還應(yīng)結(jié)合典型工程案例，引導(dǎo)學(xué)生了解教材中很少體現(xiàn)的常見(jiàn)工程問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生必要的工程意識(shí)，增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。例如，在課程實(shí)驗(yàn)或畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳感器通常可以直接使用，且無(wú)須考慮成本、美觀度、性能和周圍環(huán)境因素的干擾，只需實(shí)現(xiàn)其基本功能即可。而在實(shí)際工程項(xiàng)目中，傳感器首先需要經(jīng)過(guò)封裝、標(biāo)定等流程，轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ㄝ敵鲋剖降臉?biāo)準(zhǔn)元件，才能用于搭建實(shí)際工程系統(tǒng)；使用過(guò)程中也必須關(guān)注性價(jià)比、體積、功耗以及環(huán)境等復(fù)雜因素。例如，在使用光電傳感器根據(jù)透光率的變化檢測(cè)管道內(nèi)水體化學(xué)成分的過(guò)程中更需要關(guān)注的實(shí)際工程問(wèn)題是：如何去除管道中油污對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響；對(duì)于玩具廠商來(lái)說(shuō)，在玩具設(shè)計(jì)過(guò)程中傳感器的成本、體積和功耗可能比其性能高低更重要。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文中的傳感器課堂教學(xué)改革措施，一方面有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)報(bào)國(guó)情懷、工程職業(yè)道德和法律意識(shí)，塑造符合“新工科建設(shè)”和“工程教育認(rèn)證”要求的人才；另一方面可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)好傳感器知識(shí)對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽和職業(yè)生涯都具有現(xiàn)實(shí)助益，可能的多重回報(bào)將極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而改善教學(xué)效果，并使學(xué)生真正從課堂受益。近年來(lái)，在所在高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程中對(duì)教學(xué)改革措施進(jìn)行小范圍試行，已取得初步成效，學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)積極性比往年有明顯改善，綜合考核成績(jī)也有所提升。下一步需要結(jié)合國(guó)家政策導(dǎo)向、傳感器行業(yè)的最新發(fā)展和學(xué)生的反饋信息改進(jìn)和細(xì)化上述教改措施，持續(xù)提升課堂教學(xué)質(zhì)量。