傳感器與檢測(cè)技術(shù)研究性教學(xué)方法研究

閆 蓓，高占寶，楊 波

（北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

傳感器與檢測(cè)技術(shù)是信息技術(shù)的重要組成部分[1]，國(guó)內(nèi)外許多高校電子信息類專業(yè)都開設(shè)有傳感與檢測(cè)類課程[1]。傳感器課程教學(xué)目前多數(shù)采用以課堂理論教學(xué)為主，采用多媒體PPT 形式，課程內(nèi)容多，跨多門學(xué)科，學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度較大，知識(shí)掌握困難，學(xué)生對(duì)課程知識(shí)體系認(rèn)知模糊，學(xué)習(xí)時(shí)學(xué)生缺少學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，課堂教學(xué)質(zhì)量不高[1]。

教育部提出的高等教育“兩性一度”的“金課”建設(shè)教學(xué)要求[2]，在課程教學(xué)實(shí)踐中，要求逐步落實(shí)對(duì)學(xué)生知識(shí)和能力素質(zhì)有機(jī)融合進(jìn)行培養(yǎng)，課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式要呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性，課程內(nèi)容要有難度，需要學(xué)生跳一跳才能夠得著，是課程改革的重點(diǎn)和核心所在。結(jié)合課程內(nèi)容，擬采用以學(xué)生為主體的研究型教學(xué)方法進(jìn)行課程教學(xué)改革[2]，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握。

研究性教學(xué)是國(guó)外普遍應(yīng)用的一種教學(xué)方法，這一教學(xué)形式的教學(xué)效果已經(jīng)得到了教學(xué)實(shí)踐的驗(yàn)證[2-3]，能夠激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造潛能，很好地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、解決問題的能力及團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

一、研究性教學(xué)方法

（一）研究性教學(xué)概念

所謂研究性課堂教學(xué)，強(qiáng)調(diào)學(xué)科原理的形成過程與師生互動(dòng)為主要特征的教學(xué)方式[2-3]。課程所學(xué)的知識(shí)都是科學(xué)家和工程師對(duì)許多特殊現(xiàn)象用科學(xué)思維方式進(jìn)行不斷分析與探究而得到的，研究性課堂教學(xué)方法從激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)與探索興趣出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，自主探索與體驗(yàn)解決問題的過程，還原科學(xué)思維活動(dòng)的真面目。研究性教學(xué)從教師的“教會(huì)知識(shí)”轉(zhuǎn)向?qū)W生的“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”，學(xué)生從被動(dòng)“接受”轉(zhuǎn)向主動(dòng)“創(chuàng)造”，體現(xiàn)了以學(xué)生的發(fā)展為本的思想。

研究性教學(xué)具有開放性，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和目的教師設(shè)計(jì)研究性的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生積極參與教學(xué)活動(dòng)，形成良好的師生互動(dòng)的局面，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，強(qiáng)化學(xué)生知識(shí)點(diǎn)，幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)體系。

在研究性教學(xué)中，教學(xué)的重點(diǎn)是學(xué)生，而不是知識(shí)本身。教師在融合貫通本門學(xué)科的基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生探究與思考，形成小組同學(xué)、師生共同思考的局面。只有當(dāng)學(xué)生研究探索的熱情被充分調(diào)動(dòng)，師生之間才能形成真正有效的互動(dòng)，才能使得研究性教學(xué)方法良好的教學(xué)效果顯現(xiàn)出來。

研究性教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、知識(shí)綜合應(yīng)用能力和復(fù)雜問題解決的綜合能力，教師的核心任務(wù)是組織教學(xué)，提高學(xué)生分組討論、探討知識(shí)的發(fā)現(xiàn)能力和解決問題能力與語言表達(dá)能力，因此對(duì)于高校教師教學(xué)的專業(yè)化程度要求比講授性教學(xué)明顯提高。

（二）研究性教學(xué)的形式

研究性教學(xué)通常有兩種形式，一種是課堂教學(xué)形式，一種是課內(nèi)和課外結(jié)合的形式。

課堂式研究性教學(xué)，教師在講授知識(shí)時(shí)，教師要立足于知識(shí)的引導(dǎo)，在知識(shí)講授時(shí)雖講授但是不全講授，主要是采用引導(dǎo)的方法，引導(dǎo)學(xué)生處于主動(dòng)而積極的思考狀態(tài)，帶動(dòng)學(xué)生進(jìn)入教學(xué)設(shè)置的教學(xué)情境，學(xué)生自己總結(jié)獲得知識(shí)及其蘊(yùn)涵的方法、思維等。

課內(nèi)和課外結(jié)合的研究性教學(xué)打破了課堂藩籬[2]，對(duì)研究性教學(xué)進(jìn)行了時(shí)空擴(kuò)展性創(chuàng)新，師生的身份和界限變得模糊，師生互動(dòng)的機(jī)會(huì)和話題得到了拓展，使學(xué)生能力培養(yǎng)向多渠道、開放式發(fā)展。師生交互的時(shí)間和空間都得到了擴(kuò)展，對(duì)學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)、能力和潛力的培養(yǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了課堂教學(xué)形式。

（三）研究性教學(xué)中師生互動(dòng)

研究性教學(xué)重點(diǎn)在于對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)，而不是一味地講授，依托師生的互動(dòng)來實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳遞，要積極鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行思維創(chuàng)新，即便是學(xué)生想法幼稚，不完整，依舊需要鼓勵(lì)學(xué)生表達(dá)自己的獨(dú)立見解甚至大膽質(zhì)疑，這是研究性教學(xué)的根本宗旨。在研究性教學(xué)活動(dòng)中教師的作用是主導(dǎo)作用，不是主宰，通過師生互動(dòng)、討論等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)的傳授和能力的培養(yǎng)。

二、研究性教學(xué)實(shí)踐

（一）課堂研究性教學(xué)實(shí)踐

課堂教學(xué)是知識(shí)傳遞的主渠道，但是教師不能局限于條理清晰地將知識(shí)教授給學(xué)生，知識(shí)講授時(shí)，采用引導(dǎo)式、探究式、討論式和啟發(fā)式的方法[4-5]，對(duì)知識(shí)的講解要有所保留，要給學(xué)生留出足夠的思維空間，營(yíng)造知識(shí)思考的空間和環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生思考，并在課堂上與教師互動(dòng)，達(dá)到較好的教學(xué)效果。在授課時(shí)可以采用引導(dǎo)式、探究式、討論式和啟發(fā)式提問，但是問什么、怎么問和什么時(shí)候問，直接關(guān)聯(lián)課堂互動(dòng)效果，課前根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，要在正確的時(shí)間提出討論性強(qiáng)、啟發(fā)性強(qiáng)的問題，這樣才可以刺激和引導(dǎo)學(xué)生思考、參與課堂互動(dòng)，才可以取得好的教學(xué)效果。

課堂研究性教學(xué)在學(xué)生引導(dǎo)和互動(dòng)上占用了一些課堂時(shí)間，教師授課時(shí)就需要精講課程內(nèi)容，講重點(diǎn)講核心內(nèi)容，講授內(nèi)容“少而精”，從課堂教學(xué)形式看，教師講授的時(shí)間減少了，但是學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握的程度提高了。

研究性教學(xué)在諧振式壓力測(cè)量時(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示，教學(xué)圍繞著核心教學(xué)內(nèi)容，諧振式測(cè)量原理展開，一共設(shè)計(jì)了6 個(gè)啟發(fā)式問題。

圖1 諧振式壓力測(cè)量研究性教學(xué)流程

課堂教學(xué)由問題1—問題6 串聯(lián)設(shè)計(jì)，反映了諧振式敏感測(cè)量原理的教學(xué)內(nèi)容講解的思路，也是掌握這部分知識(shí)的科學(xué)最佳路徑，采用這6 個(gè)問題的引導(dǎo)，整個(gè)教學(xué)過程由“啟發(fā)—引導(dǎo)—討論—講授—引導(dǎo)—探究—總結(jié)+引導(dǎo)”7 個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)組合，傳授這部分知識(shí)。

1.啟發(fā)

問題1 首先啟發(fā)學(xué)生尋找身邊的諧振現(xiàn)象，從諧振現(xiàn)象中認(rèn)識(shí)諧振，對(duì)要開始諧振式測(cè)量產(chǎn)生好奇和思考。

2.引導(dǎo)

問題2 引導(dǎo)學(xué)生思考，諧振現(xiàn)象是否能夠用來測(cè)量。如果學(xué)生沒響應(yīng)，可以繼續(xù)啟發(fā)，如果彈性筒中的氣體壓力增大了，彈性筒的諧振頻率會(huì)不會(huì)變化？如果變化的話是怎樣變化的？那能不能利用這個(gè)頻率變化測(cè)量壓力呢？

3.討論

問題3 討論mkc 系統(tǒng)在正弦激振力作用下，質(zhì)量塊的振動(dòng)位移響應(yīng)問題，引導(dǎo)學(xué)生思考質(zhì)量塊振動(dòng)位移是什么。讓學(xué)生自己歸納出是二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)問題，振動(dòng)幅值跟mkc 系統(tǒng)特性有關(guān)系，再得到諧振測(cè)量時(shí)系統(tǒng)mkc參數(shù)的選擇、Q 值的選擇等，可以得到諧振式測(cè)量的原理。

4.講授

采用課堂講授的方法，詳細(xì)講解諧振式測(cè)量原理，這樣學(xué)生的理解就比較深刻了。

5.引導(dǎo)

掌握了諧振式測(cè)量原理之后，就可以按照問題4 引導(dǎo)學(xué)生分析諧振式測(cè)量原理的優(yōu)勢(shì)所在了。

6.探究

根據(jù)諧振式測(cè)量原理的諧振子、激振和拾振的關(guān)鍵點(diǎn)，探究學(xué)生分析振動(dòng)筒式壓力測(cè)量的原理。

7.總結(jié)+引導(dǎo)

問題6 引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)本節(jié)課重點(diǎn)內(nèi)容諧振式測(cè)量原理，另外為下節(jié)課諧振式流量測(cè)量進(jìn)行了引導(dǎo)。

教學(xué)時(shí)也不能夠盲目地追求研究性教學(xué)方法，教學(xué)方法的選用要適度，其中環(huán)節(jié)4 諧振式工作原理是這節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容，是學(xué)生需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)的知識(shí)，采用教師講授的方式講解，這樣便于學(xué)生全面掌握諧振式測(cè)量的核心知識(shí)。另外問題1—問題5 根據(jù)學(xué)生課堂現(xiàn)場(chǎng)的反饋，或者完全以學(xué)生為主體來回答，或者教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考回答，或者教師自問自答，這些問題課堂交互完成度越高，教學(xué)效果越好，課堂的教學(xué)效果既依賴于教師教學(xué)時(shí)的引導(dǎo)語言，也依賴于學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)習(xí)狀態(tài)。研究性教學(xué)的設(shè)計(jì)理念必將促進(jìn)交互式的課堂教學(xué)，取得較好的教學(xué)效果。

（二）大作業(yè)形式的研究性教學(xué)實(shí)踐

針對(duì)金課“高階性”培養(yǎng)的要求，采用研究性大作業(yè)的展示課[6]，是為了鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用課上學(xué)習(xí)的知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，開闊學(xué)生眼界，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力。

研究性大作業(yè)提前2 周布置，要求學(xué)生以小組協(xié)作的形式完成[7-8]，要求學(xué)生自己擬定題目，自主設(shè)計(jì)一個(gè)完備功能的測(cè)試系統(tǒng)，必須采用兩種及以上的傳感器，并撰寫測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告和匯報(bào)PPT，大作業(yè)教學(xué)流程如圖2 所示。

圖2 研究性大作業(yè)教學(xué)流程

大作業(yè)訓(xùn)練的過程中，教師跟學(xué)生隨時(shí)溝通，小組的組合、題目的擬定及傳感器的選擇方案等，都要求學(xué)生在小組內(nèi)部討論決定，如果有問題隨時(shí)與教師溝通交流。小組成員之間分工合作，完成設(shè)計(jì)工作，并撰寫報(bào)告和PPT初稿交給教師。教師要與學(xué)生溝通并修改學(xué)生的報(bào)告初稿，返給學(xué)生訂正，學(xué)生訂正后再次提交第一次修改稿，教師根據(jù)第一次修改稿情況和大作業(yè)的可討論性，確定大作業(yè)展示的名單。大作業(yè)課堂展示由學(xué)生自己組織，按照教師擬定的展示名單依次匯報(bào)大作業(yè)，小組匯報(bào)完成之后，是大作業(yè)的討論，學(xué)生自己組織，匯報(bào)小組現(xiàn)場(chǎng)回答，教師參加討論課，但是僅僅作為評(píng)委，總結(jié)和評(píng)價(jià)學(xué)生的大作業(yè)，再次提出表揚(yáng)和批評(píng)修改意見等，部分小組會(huì)需要第二次更改大作業(yè)，再次上交教師，教師進(jìn)行最后的評(píng)分。

大作業(yè)采用小組評(píng)分的方法[6]，對(duì)于組長(zhǎng)、在班級(jí)展示的大作業(yè)、課堂匯報(bào)的同學(xué)及小組里的核心創(chuàng)作同學(xué)都有不同程度的獎(jiǎng)勵(lì)和加分，這種評(píng)分的辦法，既能加強(qiáng)小組的討論和協(xié)作，也能激勵(lì)同學(xué)積極參加大作業(yè)的教學(xué)活動(dòng)。2021 年學(xué)生部分大作業(yè)題目見表1，學(xué)生課堂展示如圖3 所示。

圖3 大作業(yè)討論課堂

表1 2021 年學(xué)生大作業(yè)題目摘錄

大作業(yè)完成的形式是研究性設(shè)計(jì)報(bào)告，教學(xué)形式以學(xué)生為主體的課堂展示，鍛煉了學(xué)生知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。大作業(yè)在課外時(shí)間完成，打通了師生交流的課上課下的時(shí)空界限，學(xué)生完成大作業(yè)時(shí)，教師不再是課堂上的“獨(dú)裁者”，教師變成學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)者與輔導(dǎo)者。大作業(yè)的題目要求學(xué)生自己擬定，最大限度地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，學(xué)生從被動(dòng)地接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)和思考，師生之間更多地體現(xiàn)為合作與交流的關(guān)系，在自己擬定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生查閱文獻(xiàn)能力和學(xué)習(xí)能力都會(huì)得到鍛煉和提升，學(xué)生由此能夠獲得終身學(xué)習(xí)的能力。大作業(yè)以小組形式組織，加強(qiáng)了小組討論和學(xué)習(xí)，也很好地培養(yǎng)了學(xué)生的協(xié)作精神，引導(dǎo)學(xué)生掌握復(fù)雜問題解決的方法，鍛煉學(xué)生的綜合能力和高階思維。最后提交的研究性設(shè)計(jì)報(bào)告和匯報(bào)PPT，學(xué)生從提交初稿，第一次修改稿到第二次修改稿，也訓(xùn)練了學(xué)生報(bào)告的撰寫能力和PPT 匯報(bào)的技巧。在大作業(yè)最后的課堂匯報(bào)階段，學(xué)生們的報(bào)告能力也得到了提升，課堂學(xué)生們問題解答環(huán)節(jié)，再一次促進(jìn)了學(xué)生知識(shí)的綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)。

三、研究性教學(xué)的學(xué)生成績(jī)過程評(píng)價(jià)

為了確定學(xué)生在研究性教學(xué)活動(dòng)中教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度，必須客觀、科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程及其結(jié)果。

課堂教學(xué)形式的研究性教學(xué)活動(dòng)學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定，重點(diǎn)在于評(píng)價(jià)學(xué)生課堂的交互效果，學(xué)生在課堂上是否跟著教師提出的問題積極思考？是否有正確的回應(yīng)？一般采用雨課堂工具，設(shè)計(jì)一些選擇題、判斷題等，檢測(cè)學(xué)生課堂教學(xué)的參與情況和知識(shí)掌握的情況，同時(shí)也可以了解到學(xué)習(xí)困難的重點(diǎn)同學(xué)，便于課下與其及時(shí)溝通，2021年課程教學(xué)某次雨課堂課堂交互記錄如圖4 所示，成績(jī)?nèi)鐖D5 所示。同時(shí)也要鼓勵(lì)學(xué)生參與課堂教學(xué)活動(dòng)，對(duì)于課堂上積極響應(yīng)教師問題、積極思考的同學(xué)，會(huì)有課堂獎(jiǎng)勵(lì)分?jǐn)?shù)，激勵(lì)學(xué)生參與課堂教學(xué)活動(dòng)。

圖4 雨課堂教學(xué)交互

圖5 雨課堂交互過程成績(jī)

大作業(yè)形式的研究性教學(xué)活動(dòng)學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定，貫穿于大作業(yè)的全部過程，見表2。

表2 大作業(yè)成績(jī)綜合評(píng)定方法

大作業(yè)的評(píng)分細(xì)則，包含了教師對(duì)大作業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)所有的要求。首先鼓勵(lì)學(xué)生大作業(yè)內(nèi)容創(chuàng)新性，即便是學(xué)生想法幼稚，缺少可行性，但是只要有創(chuàng)新的點(diǎn)，都根據(jù)學(xué)生創(chuàng)新程度給予客觀的評(píng)分。由于這種激勵(lì)機(jī)制，學(xué)生才會(huì)出現(xiàn)表1 所列的輪胎3D 打印、醫(yī)護(hù)數(shù)字孿生行為映射及反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)、可穿戴式鼠標(biāo)等有創(chuàng)新性的題目。大作業(yè)設(shè)計(jì)的完整性、報(bào)告撰寫和報(bào)告修改，是大作業(yè)完成情況的重要表現(xiàn)，反映了研究性教學(xué)的成果，重點(diǎn)考查學(xué)生設(shè)計(jì)內(nèi)容的完整度，報(bào)告撰寫是否清晰、規(guī)范，教師批改修訂意見是否落實(shí)到位，從這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫和匯報(bào)PPT 撰寫能力得到訓(xùn)練和培養(yǎng)。大作業(yè)環(huán)節(jié)鼓勵(lì)小組內(nèi)的交流和學(xué)習(xí)，特別考查小組協(xié)作完成作業(yè)的情況。課堂大作業(yè)匯報(bào)和學(xué)生大作業(yè)互評(píng)，讓學(xué)生小組之間有了更多的學(xué)習(xí)和交流的機(jī)會(huì)，他們能從彼此的大作業(yè)中體會(huì)和學(xué)習(xí)到更多的知識(shí)。大作業(yè)教學(xué)活動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，最后的課堂展示也是由學(xué)生自己組織，教師參與的活動(dòng)，因此需要在這個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)置特別獎(jiǎng)勵(lì)分?jǐn)?shù)，鼓勵(lì)學(xué)生們參與，雖然最多只有5 分，但是對(duì)學(xué)生的激勵(lì)起到的作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止5 分。大作業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生們參與積極性和作業(yè)完成的情況都比較好，教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度高，2021 年學(xué)生大作業(yè)成績(jī)?nèi)鐖D6 所示。

圖6 2021 年學(xué)生大作業(yè)成績(jī)

四、結(jié)束語

研究性教學(xué)方法在傳感器與測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)等課程教學(xué)中已經(jīng)應(yīng)用了5 年，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生對(duì)這門知識(shí)的掌握和應(yīng)用的水平都得到了大幅的提高，課程教學(xué)受到了學(xué)生和教務(wù)處的好評(píng)，并且實(shí)現(xiàn)了課程跨院系開設(shè)。在課程教學(xué)中形成啟發(fā)式、探究式、討論式和參與式的研究性教學(xué)方法，適于在其他課程中廣泛推廣，能夠提高教學(xué)效率，為國(guó)家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。