傳感器課程的課堂教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)探索

袁 博

（南陽理工學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 南陽 473004）

0 引 言

傳感器課程作為高校電子信息類專業(yè)的核心專業(yè)課之一，內(nèi)容涉及大學(xué)物理、電子電路基礎(chǔ)、單片機(jī)原理與應(yīng)用等一系列專業(yè)基礎(chǔ)知識，是一門經(jīng)典技術(shù)與新技術(shù)相結(jié)合、理論與工程實踐相結(jié)合的重要課程，對于培養(yǎng)學(xué)生識別、分析、設(shè)計和仿真復(fù)雜工程問題的能力以及在工程方案設(shè)計中的創(chuàng)新意識具有重要支撐作用。該課程的特點可以概括為：知識點分散、應(yīng)用性強(qiáng)、技術(shù)更新迭代快[1-6]。而傳統(tǒng)的傳感器課堂教學(xué)內(nèi)容多數(shù)局限于選定教材的有限范圍，與行業(yè)現(xiàn)實脫節(jié)嚴(yán)重，既無法反映傳感器的最新技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，也不符合社會上用人單位的實際需求，難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，對培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神和團(tuán)隊合作能力作用較小，更缺乏對學(xué)生政治觀、價值觀、工程倫理和人文精神的培養(yǎng)，無法滿足“工程教育專業(yè)認(rèn)證”“新工科建設(shè)”和“課程思政”等高等教育改革方向的要求[7]。因此，需要對傳感器課程的課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新配置、改造和優(yōu)化，亦即對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)。

1 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)必要性

1.1 教材的必要補(bǔ)充

理想的傳感器教材內(nèi)容應(yīng)該同時具有正確性、實用性、時效性和啟發(fā)性，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)、思考能力和探索熱情，還要兼顧課程思政教育和工程倫理教育[8]。而由于教材篇幅與學(xué)時的限制、編者專業(yè)與知識面的約束以及教材編著和講授存在時間差，傳感器教材除了能夠滿足專家學(xué)者擬定課程標(biāo)準(zhǔn)和任課教師選定授課內(nèi)容之外，往往難以體現(xiàn)學(xué)生對傳感器課程的真實學(xué)習(xí)需求以及社會用人單位對高校學(xué)生在傳感器課程內(nèi)容掌握的最新要求和實際期望，同時缺乏課程思政教育和工程倫理教育，也缺乏學(xué)生之間、師生之間關(guān)于傳感器知識的交流互動。具體來說，傳感器在智能化、微型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化等方向的發(fā)展日新月異，而若干年前編著的教材往往難以及時、全面地反映行業(yè)的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢。傳感器領(lǐng)域的用人單位不僅需要畢業(yè)生了解傳感器的測量原理和組成，往往還要求具備傳感器方案評估選型、電路原理圖設(shè)計、傳感器測試計劃制定以及與供應(yīng)商的日常技術(shù)溝通等全方位的綜合能力，而教材中往往缺乏上述實際需求的內(nèi)容或一筆帶過。此外，多數(shù)教材在章節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)置方面過于強(qiáng)調(diào)傳感器的學(xué)科體系，忽視了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，對傳感器課程學(xué)習(xí)和理解過程中缺乏引導(dǎo)；提供的練習(xí)題主要強(qiáng)調(diào)記憶和理解能力，容易忽視對學(xué)生創(chuàng)造力和批判性思維的培養(yǎng)和激勵[9]。因此，重構(gòu)傳感器教學(xué)內(nèi)容，有利于對現(xiàn)有教材內(nèi)容進(jìn)行必要的補(bǔ)充和完善。

1.2 專業(yè)需求的適應(yīng)

目前，大量電子信息類專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)都開設(shè)有傳感器課程，這些專業(yè)對應(yīng)的行業(yè)特征、就業(yè)去向和社會需求各不相同，對傳感器課程的實際需求也各不相同。例如，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)偏重于利用傳感器進(jìn)行智能家居、智能物流、智慧交通等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面項目的開發(fā)；通信工程專業(yè)偏重于實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等傳感器與通信技術(shù)的融合；移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計專業(yè)偏重于設(shè)計開發(fā)具備環(huán)境參數(shù)感知功能和環(huán)境交互功能的手機(jī)APP；測控技術(shù)與儀器專業(yè)看重傳感器在精密測量系統(tǒng)中不可替代的作用；機(jī)械制造專業(yè)看重傳感器在精細(xì)零部件生產(chǎn)中的作用；自動化專業(yè)則更傾向于使用傳感器實現(xiàn)各種工業(yè)自動控制。而傳感器教材的內(nèi)容難免帶有編者專業(yè)背景或科研方向的烙印，很難滿足其他某個特定專業(yè)的個性化需求。因此，需要根據(jù)授課的具體專業(yè)，對傳感器課程內(nèi)容進(jìn)行針對性的重構(gòu)。

1.3 教學(xué)魅力的提升

導(dǎo)致學(xué)生課堂學(xué)習(xí)積極性不高的主要原因往往在于教師對教材的過分依賴。傳感器課程同時涉及物理、數(shù)學(xué)、電子電路、機(jī)械、化學(xué)和生物等學(xué)科中的概念或原理，還包括每類傳感器的特性、結(jié)構(gòu)、材料、補(bǔ)償和應(yīng)用等大量孤立元素，如果按照教材固有內(nèi)容進(jìn)行照本宣科式的“念讀”或“解讀”，很容易給學(xué)生帶來一種既抽象難懂又凌亂難記的不良印象。加上部分內(nèi)容過時、真實的社會應(yīng)用需求不明確等因素，很容易使學(xué)生產(chǎn)生一種“聽著無趣”“學(xué)了沒用”“自學(xué)就行”的消極感受，極大地破壞了傳感器課堂教學(xué)應(yīng)有的魅力。因此，傳感器教學(xué)內(nèi)容不應(yīng)局限于教材的框架，只要與課程教學(xué)目標(biāo)相一致，同時又能夠提升課堂教學(xué)魅力、促進(jìn)學(xué)生知識獲取和能力提升的任何材料，都可以作為教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)的吸納對象。

綜上所述，傳感器是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，不僅需要學(xué)生對具體知識點進(jìn)行記憶和理解，更需要培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的工程素質(zhì)以及探索傳感器新原理、新材料、新應(yīng)用的創(chuàng)新意識。重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容對于改變記憶、理解式的傳感器學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生對傳感器的分析、應(yīng)用能力和創(chuàng)新熱情具有重要意義。

2 重構(gòu)原則

源于教材和高于教材、適應(yīng)學(xué)生需求和社會發(fā)展是許馳等人提出的兩項教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)的一般性原則[10]。本文借用這兩項重構(gòu)原則，針對傳感器課程特征對其進(jìn)行如下詮釋。

2.1 源于教材和高于教材

“源于教材”是指傳感器教學(xué)內(nèi)容不能脫離教材的邏輯體系、核心內(nèi)容和重點難點，要保持教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)大綱的一致性，以大綱中的課程目標(biāo)作為教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)的遵循規(guī)范和邊界約束條件；同時要保持教學(xué)目標(biāo)與工程教育專業(yè)認(rèn)證和專業(yè)培養(yǎng)方案中畢業(yè)要求的相關(guān)性，體現(xiàn)傳感器課程與單片機(jī)、電子電路基礎(chǔ)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)課程的關(guān)聯(lián)性和相互支撐，體現(xiàn)教科書上的教學(xué)重點、難點和能力要求。

“高于教材”是指傳感器教材上沒有的，但是與教材內(nèi)容相關(guān)、與教學(xué)大綱中教學(xué)目標(biāo)相關(guān)、與深入了解原理和對接技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容。這就要求教師要時刻關(guān)注和跟蹤傳感器相關(guān)的前沿理論、技術(shù)或方法，了解傳感器領(lǐng)域涉及的不同學(xué)術(shù)觀點或技術(shù)路線，補(bǔ)充用人單位要求員工掌握的傳感器相關(guān)技能和生產(chǎn)工具知識；凝練自身科研知識，積淀與傳感器相關(guān)的工程經(jīng)驗；搜集和整理傳感器領(lǐng)域有影響力的學(xué)者及其背景。在此基礎(chǔ)上，教師還應(yīng)該著力分析傳感器誕生的技術(shù)背景和時代背景，介紹其從最初發(fā)明到逐步完善的技術(shù)發(fā)展歷程，講述在傳感器領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的著名科學(xué)家、發(fā)明家或研究機(jī)構(gòu)的行業(yè)故事，分析傳感器目前存在的主要問題和局限，未來若干條可能的技術(shù)發(fā)展路線及各自的風(fēng)險挑戰(zhàn)等教材上沒有的、“高于教材”的內(nèi)容。

2.2 適應(yīng)學(xué)生需求和社會發(fā)展

傳感器是國家重點支持和大力發(fā)展的十大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，就業(yè)前景好，創(chuàng)業(yè)潛力大。目前社會上已經(jīng)有了大量傳感器相關(guān)的就業(yè)崗位，如傳感器研發(fā)崗位、傳感器技術(shù)支持崗位、傳感器網(wǎng)絡(luò)工程師崗位、傳感器銷售崗位和傳感器工藝崗位等，且大部分工作地點位于大城市，待遇優(yōu)厚，當(dāng)然其中也蘊(yùn)含著大量的自主創(chuàng)業(yè)機(jī)會。學(xué)好傳感器就能增加畢業(yè)生加入傳感器從業(yè)隊伍或自主創(chuàng)業(yè)的機(jī)會。因此，傳感器課程是一門與學(xué)生就業(yè)耦合程度較緊的課程。

“適應(yīng)學(xué)生需求”是指在教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)過程中應(yīng)滿足學(xué)生對傳感器課程的學(xué)習(xí)期望，關(guān)注學(xué)生畢業(yè)后在傳感器相關(guān)領(lǐng)域的就業(yè)能力和未來發(fā)展?jié)摿?，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并使其真正從傳感器課堂上受益。

在進(jìn)行教學(xué)重構(gòu)之前，需要進(jìn)行學(xué)情分析，具體作用如下：一是了解學(xué)生在傳感器基礎(chǔ)方面的薄弱之處，便于在重構(gòu)過程中進(jìn)行針對性地強(qiáng)化；二是了解學(xué)生對傳感器課程的學(xué)習(xí)存在哪些共性期望和個性需求，便于指導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)過程；三是可以與課程結(jié)束后的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行對照，便于了解傳感器課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成情況。

在教學(xué)重構(gòu)過程中，首先應(yīng)加入教材上沒有但與傳感器就業(yè)崗位核心能力需求相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，包括傳感器方案評估選型、傳感器集成電路設(shè)計、傳感器性能測試與評估等，使學(xué)生熟悉和初步掌握傳感器就業(yè)崗位的常用技能。其次要加入能夠激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛力、促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行傳感器方向的自主創(chuàng)業(yè)的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，例如傳感器技術(shù)的用戶需求、技術(shù)背景、迭代歷程、技術(shù)分支以及未來發(fā)展方向等，使學(xué)生了解傳感器技術(shù)發(fā)展的內(nèi)因、規(guī)律和趨勢。然后需要針對不同專業(yè)的學(xué)生調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。例如，在為移動互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生講授傳感器課程時，著重講述傳感器在手機(jī)APP中的功能、配置和開發(fā)流程，以及Android Studio等主流APP開發(fā)環(huán)境中的傳感器編程案例，這些內(nèi)容是絕大多數(shù)傳感器教材上沒有的，但與該專業(yè)學(xué)生的真實需求密切相關(guān)，對增強(qiáng)就業(yè)競爭力的助益顯著。

“適應(yīng)社會發(fā)展”是指在教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)過程中，需要關(guān)注當(dāng)前社會與傳感器相關(guān)的最新技術(shù)和應(yīng)用，改造或剔除教材中與之不符的過時內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生思考和討論傳感器技術(shù)發(fā)展給人們和社會帶來的影響，使課程內(nèi)容貼近傳感器行業(yè)所涉及的理論、技術(shù)和方法，盡可能與社會實際需求接軌。例如，智能化是傳感器未來發(fā)展的主要方向，2021年11月在鄭州舉行的第三屆世界傳感器大會上提出要將鄭州打造成“中國智能傳感谷”，建設(shè)成為全國重要的特色智能傳感器產(chǎn)業(yè)基地和國際知名的智能傳感器應(yīng)用示范城市。因此，為順應(yīng)社會發(fā)展需求和國家戰(zhàn)略規(guī)劃，應(yīng)在教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)過程中，引入當(dāng)前大多數(shù)傳感器教材所缺少的智能化相關(guān)內(nèi)容。此外，MEMS、集成化和網(wǎng)絡(luò)化也是傳感器的重要社會需求和發(fā)展方向，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)引入相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。

3 重構(gòu)方法

教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)的方法很多，下面對其中應(yīng)用較廣的四種重構(gòu)方法分別進(jìn)行討論。

3.1 增加

“增加”是傳感器教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)活動中最重要、最常用的方法。所謂“增加”，可簡單理解為加入任何教材上沒有但具備實際價值的教學(xué)內(nèi)容的過程?？梢钥紤]增加的教學(xué)內(nèi)容包括但不限于：各類型傳感器的前沿技術(shù)、應(yīng)用模式和應(yīng)用場景，傳感器知識與學(xué)生專業(yè)背景之間的交叉點，關(guān)于某類型傳感器的不同學(xué)術(shù)觀點或技術(shù)流派，傳感器領(lǐng)域的著名科學(xué)家、技術(shù)領(lǐng)軍人物及其相關(guān)研發(fā)經(jīng)歷，教師自身與傳感器相關(guān)的科研積淀、工程經(jīng)歷或心得體會，能夠激發(fā)學(xué)生家國情懷、科研報國熱情、大國工匠精神或誠實守信品質(zhì)的傳感器課程思政元素，能夠提高學(xué)生環(huán)保意識、社會責(zé)任感和人文情懷的工程倫理元素。

舉例如下。在講授光電式傳感器中的“光生伏特效應(yīng)”時，可以引入我國青海省塔拉灘光伏產(chǎn)業(yè)園建設(shè)全球最大光伏發(fā)電基地的案例，一方面創(chuàng)設(shè)情境，自然引出“光生伏特效應(yīng)”的概念和相關(guān)教學(xué)內(nèi)容；另一方面使學(xué)生受到潤物無聲的思政教育和工程倫理教育。具體來說，該案例通過使學(xué)生了解到我國光伏技術(shù)和光伏產(chǎn)業(yè)目前在世界上的領(lǐng)先地位，喚起學(xué)生的民族自尊心和科技自信心；通過介紹產(chǎn)業(yè)園的“牧光互補(bǔ)”和“水光互補(bǔ)”創(chuàng)新模式及其在環(huán)境保護(hù)、牧民增收方面的積極作用，激發(fā)學(xué)生的科技創(chuàng)新意識和創(chuàng)新熱情，提高學(xué)生的環(huán)保意識和社會責(zé)任感；通過描述案例中“水光互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)”研發(fā)的困難程度與日常運(yùn)行維護(hù)的復(fù)雜程度，提倡學(xué)生堅守嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實作風(fēng)和一絲不茍、精益求精的大國工匠精神；通過分析和討論案例中水光互補(bǔ)光伏電站創(chuàng)造的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益，以及其對于我國順利完成碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)，成功實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)升級、綠色可持續(xù)發(fā)展乃至中華民族偉大復(fù)興的積極意義，喚起學(xué)生的歷史使命感、社會責(zé)任感和科研報國熱情。

3.2 改造

在教學(xué)過程中， 要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)，注意引發(fā)和維持學(xué)生的注意力。照本宣科式的教學(xué)方式、單純強(qiáng)調(diào)記憶和理解的教學(xué)思路，屬于Bloom教育目標(biāo)分類理論（從低到高依次為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造）中的最低層級，難以引發(fā)和維持學(xué)生注意力，更談不上對其余四種中高級教育目標(biāo)的實現(xiàn)。想讓學(xué)生思考起來，就要與教材內(nèi)容有所不同。因此，教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)中的“改造”就是基于教材內(nèi)容中的原理和需求，構(gòu)造出與教材不同的分析角度、實現(xiàn)邏輯和組成結(jié)構(gòu)，從而形成一定的知識散度，激發(fā)學(xué)生的思考熱情和學(xué)習(xí)興趣，使應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)造這四種中高級教育目標(biāo)的實現(xiàn)成為可能。例如，針對轉(zhuǎn)速的測量，如果教材上介紹了遮斷式光電轉(zhuǎn)速表，授課時就可以轉(zhuǎn)而介紹反射式光電轉(zhuǎn)速表或電渦流式轉(zhuǎn)速表，并分析遮斷式測量方式和反射式測量方式的優(yōu)缺點，對比光電傳感器和電渦流傳感器的優(yōu)劣性和適用范圍；針對距離的測量，如果教材上介紹了超聲波測距傳感器，授課時就可以轉(zhuǎn)而介紹紅外測距傳感器，分析和對比超聲波與紅外兩種測距方式各自的優(yōu)缺點，并結(jié)合具體應(yīng)用需求凝練技術(shù)實施方案的擬定原則。

此外，還需要從適應(yīng)不同專業(yè)學(xué)生的不同需求的角度，對教材內(nèi)容進(jìn)行基于專業(yè)方向的改造。例如，針對教材中傳感器的行業(yè)應(yīng)用內(nèi)容，在面對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生時，就應(yīng)該著重介紹傳感器在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用；面對通信工程專業(yè)學(xué)生時，就應(yīng)該著重介紹傳感器在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用；在面對移動互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生時，就應(yīng)該著重介紹傳感器在手機(jī)APP中的應(yīng)用。這樣才能真正體現(xiàn)課程內(nèi)容重構(gòu)中“適應(yīng)學(xué)生需求”的基本原則，使學(xué)生學(xué)有所用。

3.3 刪除

“刪除”也是教材內(nèi)容重構(gòu)的常見方法。任課教師為學(xué)生選定的教材，有可能面面俱到，明顯超出教學(xué)大綱鎖定的范圍；有可能篇幅過多，與某些先修課程的內(nèi)容重復(fù)，也可能與有限的課時沖突；有可能出版時間較早，收錄了部分已經(jīng)嚴(yán)重過時甚至被證明為錯誤的知識點；也有可能作者的專業(yè)背景、研究方向和當(dāng)前授課班級的專業(yè)大相徑庭，使得教材中部分帶有專業(yè)傾向的內(nèi)容顯得有些“水土不服”。上述與教學(xué)大綱不一致，不能服務(wù)于教學(xué)目標(biāo)的內(nèi)容應(yīng)該全部刪除。

3.4 存疑

所謂“存疑”，就是暫時保留疑問不做定論，留待日后探索和解決。大學(xué)教學(xué)既是認(rèn)識真理的過程，也是探索真理的過程，應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的批判性、探索性思維，鼓勵學(xué)生關(guān)注和發(fā)現(xiàn)傳感器領(lǐng)域存在的各種懸而未決的問題，包括傳感器領(lǐng)域尚未解決的世界性技術(shù)難題、現(xiàn)有技術(shù)方案的局限性、我國與世界傳感器技術(shù)先進(jìn)國家之間的差距、傳感器技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用可能或已經(jīng)帶來的法律和倫理問題等。例如，如何使生物傳感器真正實現(xiàn)微型化、智能化和商業(yè)化，從而在健康監(jiān)測和智慧醫(yī)療領(lǐng)域更好地造福人類；如何看待手機(jī)中加速度傳感器可能造成的竊聽問題，是否需要進(jìn)行相關(guān)立法；基于大數(shù)據(jù)和多傳感器數(shù)據(jù)融合的犯罪預(yù)測結(jié)果，是否可作為警方限制潛在犯罪嫌疑人行動自由的有效依據(jù)；如何通過研發(fā)新型傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)人腦和機(jī)器之間的“腦機(jī)連接”，以此造福殘障人士，同時避免陷入與基因編輯相似的倫理難題，避免淪為新型犯罪手段或電子毒品。上述問題往往短期內(nèi)難有定論，同時又蘊(yùn)含著巨大的科技、經(jīng)濟(jì)價值和深刻的社會意義。將上述與傳感器課程密切相關(guān)且尚未解決的重要內(nèi)容納入教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行關(guān)注、發(fā)現(xiàn)和探索，比單純要求學(xué)生記憶和理解教材上經(jīng)過反復(fù)驗證的經(jīng)典內(nèi)容更為重要，更能促進(jìn)學(xué)生的進(jìn)步，也更能體現(xiàn)出大學(xué)培養(yǎng)學(xué)生求知探索精神、推動科技發(fā)展和社會進(jìn)步的深層辦學(xué)要求。

4 結(jié) 語

教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)是持續(xù)提升傳感器課堂教學(xué)質(zhì)量的必要措施。本文分別從教材的必要補(bǔ)充、專業(yè)需求的適應(yīng)和教學(xué)魅力的提升三個方面對重構(gòu)的必要性進(jìn)行了分析，指出教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)是培養(yǎng)學(xué)生對傳感器的分析、應(yīng)用能力和創(chuàng)新熱情的必由之路；詳細(xì)詮釋了傳感器教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)原則——源于教材而高于教材、適應(yīng)學(xué)生需求和社會發(fā)展；最后，分析和討論了增加、改造、刪除和存疑這四種方法在傳感器教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)中的應(yīng)用。