基于工匠精神的傳感器原理與應(yīng)用課程教學(xué)改革*

劉國福 于海瀾

1 廣州商學(xué)院精確感知技術(shù)研究中心 廣州 511363 2 廣州商學(xué)院信息技術(shù)與工程學(xué)院 廣州 511363

0 引言

工匠精神（Craftsman’s spirit），是從匠人（手工業(yè)勞動者）精工細(xì)作的生產(chǎn)方式中凝練升華的精神理念，逐漸推廣至所有從業(yè)人員在工作過程中的職業(yè)價值取向和行為表現(xiàn)，對職業(yè)的態(tài)度和精神理念[1]。隨著時代的變遷，工匠精神漸漸演變?yōu)橐环N努力去發(fā)現(xiàn)問題，并且通過親身實(shí)踐來解決問題的文化，顯示出更強(qiáng)的現(xiàn)代性表征[2]。工匠精神生長于企業(yè)，卻萌芽于教育，因此，對應(yīng)用型地方本科院校來說，大力弘揚(yáng)工匠精神，培養(yǎng)各行各業(yè)的“大國工匠”已成為新時代的使命。

為培養(yǎng)大學(xué)生的工匠精神，很多高校都進(jìn)行了頂層設(shè)計，將工匠精神融入校訓(xùn)、校風(fēng)、學(xué)風(fēng)和教風(fēng)中，從課程設(shè)置到課程教學(xué)過程，從學(xué)校實(shí)訓(xùn)實(shí)踐到社會就業(yè)創(chuàng)業(yè)，都將工匠精神一以貫之，收到了很好的效果[3-4]。

但具體到某門課程，怎么將工匠精神融入課程實(shí)際教學(xué)中去，還需要任課教師去摸索和實(shí)踐。在此背景下，筆者所在高校承擔(dān)傳感器原理與應(yīng)用課程教學(xué)的幾位教師，帶頭踐行工匠精神，從課程隊(duì)伍建設(shè)、課程內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)方法改革、實(shí)踐能力培養(yǎng)等四個方面，培養(yǎng)上課學(xué)生的工匠精神，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和職業(yè)素養(yǎng)，為學(xué)生后期參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、參與教師科研、撰寫科技論文與報告以及進(jìn)一步深造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 培養(yǎng)大學(xué)生工匠精神的必要性

工匠精神的傳承和發(fā)展需要與時俱進(jìn)，且工匠精神的培養(yǎng)是一個漸進(jìn)式的過程，必須基于大學(xué)各專業(yè)的課程教學(xué)活動。這是因?yàn)榇髮W(xué)的專業(yè)是大學(xué)依據(jù)社會分工對人才進(jìn)行培養(yǎng)的一種組織形式，構(gòu)成專業(yè)的元素是課程，專業(yè)發(fā)展的核心則是教學(xué)，課程研究和教學(xué)活動在大學(xué)生對知識的掌握和成長過程中占據(jù)著中心地位。因此，需要將工匠精神的職業(yè)素養(yǎng)與課程教學(xué)進(jìn)行教育滲透，需要針對職業(yè)工作的需求和適用性進(jìn)行課程教學(xué)設(shè)計與課程內(nèi)容安排；既需要重視專業(yè)技術(shù)知識與能力培養(yǎng)，又需要培養(yǎng)專注、細(xì)致、精益求精、不斷探索、追求進(jìn)步的職業(yè)精神和素養(yǎng)。

傳感器技術(shù)是多種學(xué)科交叉的高新技術(shù)，是一種定量認(rèn)知自然現(xiàn)象的不可缺少的技術(shù)手段。自工業(yè)革命以來，為提高和改善機(jī)器的性能，傳感器發(fā)揮了巨大的作用。在當(dāng)今5G 及人工智能技術(shù)迅速發(fā)展的時代，傳感器在信息系統(tǒng)中起著感官的作用，已成為獲取信息的主要途徑和手段。大多數(shù)人工智能動作和應(yīng)用場景的實(shí)現(xiàn)，都要靠傳感器來完成，傳感器已成為人工智能和萬物互聯(lián)的必備條件和關(guān)鍵器件。智能傳感器技術(shù)是智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的先行技術(shù)，學(xué)習(xí)和應(yīng)用作為前端感知工具的傳感器技術(shù)具有非常重要的意義。

基于傳感器技術(shù)如此重要的作用，傳感器原理與應(yīng)用課程是幾乎所有大學(xué)工科學(xué)生必學(xué)的一門課程，也是筆者所在高校人工智能專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。它為學(xué)生打開了一扇獲取物理世界信息的大門。因此，在課程的教學(xué)中，就要注重學(xué)生對知識的融會貫通能力和實(shí)驗(yàn)操作技能的培養(yǎng)和提高，訓(xùn)練學(xué)生精益求精、細(xì)致觀察、綜合分析判斷的能力，這些都是新時代工匠精神的素質(zhì)要求。因此，在傳感器原理與應(yīng)用課程教學(xué)中融入工匠精神不僅提高了傳感器原理與應(yīng)用的教學(xué)質(zhì)量，也培養(yǎng)了學(xué)生動手能力、創(chuàng)新思維能力，為學(xué)生后期參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、參與教師科研、撰寫科技論文與報告以及進(jìn)一步深造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 基于工匠精神的課程教學(xué)實(shí)踐

2.1 教師隊(duì)伍建設(shè)

在傳感器原理與應(yīng)用課程的隊(duì)伍建設(shè)過程中，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持以下三點(diǎn)。

1）每位教師都應(yīng)該是工匠精神的先行者和傳播人。從日常的工作、教學(xué)細(xì)節(jié)到專業(yè)領(lǐng)域的研究與實(shí)踐，從自身科學(xué)精神的培養(yǎng)到職業(yè)生涯的發(fā)展，教師都應(yīng)該具備將事情做到從60%提高到99%，從99%提高到99.99%的工匠精神和敬業(yè)態(tài)度。

2）加強(qiáng)教師任教能力的培訓(xùn)。針對部分教師是從高等院校畢業(yè)后直接任教的，缺少系統(tǒng)的專業(yè)實(shí)踐和示范能力的訓(xùn)練的實(shí)際情況，一方面請校內(nèi)外傳感技術(shù)專家為他們舉辦講座進(jìn)行培訓(xùn)，另一方面也定期或不定期地組織教師到相關(guān)單位頂崗實(shí)習(xí)、掛職鍛煉，鼓勵教師取得專業(yè)技能考評員資格，這些舉措極大地提高了教師的技能水平。

3）聘請企業(yè)的能工巧匠、行業(yè)達(dá)人進(jìn)校做演講、示范，甚至兼職，使全校師生在耳濡目染中漸漸變成具備、踐行和傳承工匠精神的人。

在上述思想指導(dǎo)下，經(jīng)過多年的隊(duì)伍建設(shè)，筆者所在高校的傳感器原理與應(yīng)用課程的教師團(tuán)隊(duì)由一位教授（有“雙一流”大學(xué)的教學(xué)經(jīng)歷和企業(yè)的研發(fā)經(jīng)歷）、一位副教授、兩位講師、兩位助教組成，其職稱結(jié)構(gòu)、學(xué)歷結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)以及學(xué)緣結(jié)構(gòu)相對合理，已能滿足課程研究和教學(xué)的需要。

2.2 課程內(nèi)容的優(yōu)化

筆者所在高校選用的教材是吳建平、彭穎兩編著的《傳感器原理及應(yīng)用》（第4 版），該書屬于高等院校精品課程系列教材，由機(jī)械工業(yè)出版社出版。該書內(nèi)容豐富，編著者推薦學(xué)時為80 學(xué)時及以上。而筆者所在高校該門課程的教學(xué)大綱計劃學(xué)時為54 學(xué)時，其中教學(xué)學(xué)時36 學(xué)時，實(shí)驗(yàn)學(xué)時18 學(xué)時。如果按照書中內(nèi)容一章章講下去，不僅教學(xué)學(xué)時不夠，學(xué)生也會覺得索然無味。這就需要教學(xué)團(tuán)隊(duì)從更高維度和更高知識層次的視角，對傳感器知識進(jìn)行內(nèi)容優(yōu)化，強(qiáng)調(diào)傳感器檢測電路和應(yīng)用中的共性，實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)之間的融會貫通與有機(jī)聯(lián)系。

1）從五個維度去理解每個傳感器：被測物理量的類型、被測物理量的大小、傳感器輸出信號的幅度、頻率、功率（能量）。然后對每個維度又進(jìn)行細(xì)分，如被測物理量的類型，可概括為八類，簡稱為COMETMAN（“彗星人”，其中C 代表化學(xué)量、O 代表光學(xué)量、M 代表磁場、E 代表電氣量、T 代表熱學(xué)量、M 代表機(jī)械量、A 代表聲學(xué)量、N 代表核輻射）；根據(jù)傳感器輸出信號的頻率，可將傳感器的基本特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性等；根據(jù)傳感器輸出信號的功率（能量），可將傳感器分為能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）和能量控制型（電參量型）。由這五個維度，決定了傳感器的適用范圍和檢測電路設(shè)計的難易程度。

2）傳感器原理基本上都是大學(xué)物理知識的具體物化，學(xué)生理解起來難度不大，但是檢測電路的理解和應(yīng)用卻是個難點(diǎn)。原因之一是這些電路不像電子技術(shù)教材中給出的原理電路，而是非常實(shí)用的電路，部分電路甚至就是實(shí)際產(chǎn)品中的原電路；原因之二是為抑制干擾和噪聲的影響，這些電路多數(shù)都是根據(jù)某種算法或理論來設(shè)計的，電路只不過是算法或理論的具體實(shí)現(xiàn)。學(xué)生要理解電路，首先得理解這些算法或理論，在某種程度上，這些算法或理論有時比傳感器本身的傳感原理還難弄清楚。舉例來說，講授CCD 圖像傳感器時，學(xué)生容易理解光電轉(zhuǎn)換原理，但是電路實(shí)現(xiàn)的CCD 的電荷轉(zhuǎn)移過程以及最后的信號輸出方式，學(xué)生理解起來就很吃力。再比如，講授渦流傳感器的變頻調(diào)幅式檢測電路時，同時用到了正弦波振蕩電路、調(diào)幅電路和調(diào)頻電路方面的知識，這些電路耦合在一起，如果前期課程沒有學(xué)習(xí)過調(diào)制電路的組成和原理，要理解渦流的檢測電路就會感覺很難。這就需要教師高屋建瓴，理論知識和實(shí)踐能力豐富，才能夠?qū)ΨN類繁多的傳感器內(nèi)部電路和檢測電路進(jìn)行分類概括，講解清楚電路設(shè)計的過程與本質(zhì)（算法的具體實(shí)現(xiàn)）。

基于以上對傳感器原理以及檢測電路的內(nèi)容優(yōu)化，學(xué)生對傳感器類型的多樣性不再感到懼怕，反而認(rèn)為這正反映了世界的豐富多彩，把傳感器看作是科學(xué)與自然的理性接觸，思想和思維都得到了升華。

2.3 課程教學(xué)方法改革

上節(jié)所述的優(yōu)化過的課程知識內(nèi)容，要被學(xué)生吸納，轉(zhuǎn)化為學(xué)生內(nèi)在知識體系的有機(jī)組成部分，還需要教師和學(xué)生“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色”，也就是教學(xué)雙方互不拘束、和諧相長。為實(shí)現(xiàn)這種潛移默化、潤物無聲，知識一點(diǎn)點(diǎn)吸收，學(xué)生心中為國為民的豪情一點(diǎn)點(diǎn)滋長壯大的教學(xué)模式，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在教學(xué)方法上進(jìn)行了改進(jìn)，主要采用了講座式的教學(xué)方法。教師不拘泥于課本、講義，自主選擇一個主題，從問題的不同方面進(jìn)行闡述，不一定完全按照教學(xué)的步驟進(jìn)行，學(xué)生也可以采取自主式學(xué)習(xí)[5-6]。

由于傳感器課程教學(xué)內(nèi)容的相對獨(dú)立，特別適合采用講座式的教學(xué)模式。優(yōu)點(diǎn)在于講座式授課可以每次選擇一個類型的傳感器進(jìn)行，教學(xué)內(nèi)容安排靈活；講座式教學(xué)有趣新穎，學(xué)生容易接受；講座內(nèi)容時代感強(qiáng)，一般都會涉及相關(guān)傳感器的新知識和最新發(fā)展動向，學(xué)生比較感興趣，也會認(rèn)真學(xué)習(xí)；師生互動性較強(qiáng)，教師主講的同時，學(xué)生可以提出問題與教師磋商。

由于講座式教學(xué)是開放式和公開式的教學(xué)活動，因此每次講座的前一周，教學(xué)團(tuán)隊(duì)會在學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)平臺、微信群和學(xué)習(xí)通上公布本次講座的內(nèi)容簡介和需要預(yù)先思考的問題，不僅是選課的學(xué)生，全校有興趣的師生都可以去聽，都能與教師進(jìn)行面對面的交流。

講座式教學(xué)在筆者所在高校已經(jīng)開展了兩年，教師在備課時需要查閱大量資料，有時還要結(jié)合自己的科研情況，給出一些實(shí)用的案例。講座內(nèi)容還需和教材相結(jié)合，要符合專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，這就要求教師在準(zhǔn)備講座內(nèi)容時，花費(fèi)大量的時間和精力。不過，這也正是工匠精神在教師身上的體現(xiàn)。教師只有在講座中注入了自身的學(xué)識、修養(yǎng)和情感，展現(xiàn)了自己內(nèi)心世界，才能潛移默化地影響學(xué)生。

采用講座式教學(xué)方法后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣普遍高漲，對每次上課都非常期待，期待能得到知識的澆灌和洗禮，期待能表達(dá)自己的思想，期待能和老師實(shí)現(xiàn)自由暢快的交流。

2.4 實(shí)踐能力培養(yǎng)

學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)是課程教學(xué)的重中之重，通過實(shí)驗(yàn)課教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)、實(shí)事求是的態(tài)度，提高學(xué)生精密設(shè)計、細(xì)致觀察、綜合分析判斷的能力，這都是新時代工匠精神的素質(zhì)要求。因此，如何利用好這有限的寶貴的18 個實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，成為教師團(tuán)隊(duì)不斷思考和摸索解決的問題。

由于傳感器及其檢測電路是整個測量系統(tǒng)的前端，其性能的優(yōu)劣決定了整個測量系統(tǒng)的性能。由此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)從傳感器及其檢測電路的精度和準(zhǔn)確度兩個性能指標(biāo)的改善提高入手，對課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重組，每個實(shí)驗(yàn)都經(jīng)歷驗(yàn)證—提高性能—更高性能—超高性能……幾個階段。這里，教學(xué)團(tuán)隊(duì)摒棄了驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)這些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分類名稱，而以追求更高性能為目標(biāo)，這點(diǎn)燃了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的激情，提高了學(xué)生的應(yīng)變能力和探究能力。

根據(jù)上述改革思路，教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計了金屬箔式應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)、典型傳感器（電容式、電感式、渦流式）的位移測量實(shí)驗(yàn)等六大實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和追求極致性能的精益求精的工匠精神。下面以基于經(jīng)典的金屬箔式應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)為例，介紹具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路和方法。

1）驗(yàn)證階段。這一步主要是讓學(xué)生獲得感性認(rèn)識，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為直流激勵單臂金屬箔式應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)、直流激勵半橋金屬箔式應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)。

2）提高性能階段。從這一階段開始，為了提高檢測系統(tǒng)的性能，要讓學(xué)生思索兩個問題，一是前一階段的檢測系統(tǒng)有什么優(yōu)缺點(diǎn)，二是如何改進(jìn)。本階段的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為直流激勵全橋金屬箔式應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)。

3）更高性能階段。和第二階段一樣，還是思考同樣的兩個問題，學(xué)生會覺得越來越難，可能需要新的測量算法或理論了。帶著這樣的期盼，本階段的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為交流激勵全橋金屬箔式應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)，同時引入相敏檢波這個傳感器檢測系統(tǒng)中常用的經(jīng)典電路。

4）超高性能階段。和第三階段一樣，還是思考同樣的兩個問題，學(xué)生會覺得幾乎不可能了。這時，系統(tǒng)改進(jìn)的角度確實(shí)變了，就需要給學(xué)生講清楚，由于檢測電路中所用的元器件性能不一樣，因此，若仔細(xì)選擇性能優(yōu)異元器件，還是可以提高檢測電路的性能的。

通過上述對實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)，學(xué)生在追求性能提高的同時，還伴隨著思維能力的提升，其收獲感、幸福感都溢于言表，個人的學(xué)習(xí)境界得到了很大提升。甚至還有學(xué)生為了獲得“超超高性能”，將交流激勵全橋金屬箔式應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)的輸出信號連接到他們剛學(xué)到的ARM 微控制器上去，通過數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)性能的更大提升。還有部分比較優(yōu)秀的學(xué)生，在這些實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上成功申請到了國家、省或?qū)W校的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目，并參加了各種校級和省級大賽，因此這門課程也被該校學(xué)生譽(yù)為雙創(chuàng)和大賽的“孵化器”。

3 結(jié)束語

通過對工匠精神引領(lǐng)下的傳感器原理與應(yīng)用課程的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的知識融會貫通能力、實(shí)踐操作能力和職業(yè)素養(yǎng)都得到了加強(qiáng)和提升，學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性也極大提高。同時，教師的研究能力和業(yè)務(wù)水平也得到了很大的提升，真正實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長，這對于提高應(yīng)用型本科院校專業(yè)人才培養(yǎng)有著極為重要的意義和作用。