新工科背景下傳感器與檢測技術實驗課程教學模式的探索與研究

摘"要：傳感器與檢測技術實驗是一門集理論與應用于一體的學科交叉型課程，涉及知識面廣、實踐性強。為響應新工科對學生能力的要求，培養(yǎng)其探索創(chuàng)新精神、主動學習習慣和團隊協(xié)作能力，文章針對傳感器與檢測技術實驗課程的特點，將教學內容按照解決工程問題的模式進行重組分析，教學模式采用“線上+線下”相結合，學生學習實行個人學習和小組學習相結合。經過一段時間的教學實踐，結果表明，采用此教學模式可以培養(yǎng)學生積極思考和團結合作的能力，提高學生實踐能力和應用創(chuàng)新意識，達到工程教育的目的。

關鍵詞：新工科；傳感器與檢測技術實驗；“線上+線下”相結合

中圖分類號：TP212-4""""""文獻標識碼：A"""""""文章編號：20959699（2024）03011905

“新工科”體系下所培養(yǎng)的工程技術人才應是具備工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、國際競爭力強的復合型人才[1]。因此，為了達到新工科對人才培養(yǎng)的要求，高校需要不斷提升學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。而在應用型本科教育過程中，學生工程實踐能力的獲取和提升大多是通過實驗實踐類課程來實現的，所以這類課程的建設是提升學生工程實踐能力的重要環(huán)節(jié)。

傳感器與檢測技術實驗課程主要是講授常用傳感器的工作原理和常見非電量參數的檢測方法等，由于不同種類的傳感器工作原理大為不同，后續(xù)的檢測電路涉及的檢測技術也比較復雜，因此所需要熟悉的專業(yè)知識點較多。由于應用場景不同，所需要的傳感器也各有不同，所以學習過程中也需要分析各種應用場景下的傳感器選擇及使用方案。而傳統(tǒng)的傳感器與檢測技術實驗教學多是教師講授各種原理和知識點，學生死記硬背，然后在某單一固定場景下完成實驗。整個教學過程中，學生被動式地學習，提不起興趣，懶得思考傳感器在其他場合下的應用情況，更不用說去創(chuàng)新實踐了。因此，為了讓學生積極主動地去了解和學習，同時逐步培養(yǎng)學生新工科所要求的工程能力，高校教師必須對此做出改變，創(chuàng)新教學方法，在有限的課堂教學中激發(fā)學生學習積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

1"教學現狀及存在問題

1.1"教學現狀

以工科院校傳感器與檢測技術課程為例，該課程屬于電子信息工程專業(yè)的基礎課程，主要教學內容包括傳感器的基本原理與應用和檢測技術兩大部分。該課程教學課時則采用“32課時理論教學+8課時實驗教學”模式，8課時實驗教學共4個實驗：直流全橋的應用——電子秤實驗、電容式傳感器的位移特性實驗、線性霍爾式傳感器位移特性實驗、溫度傳感器實驗。前三個均屬于驗證性實驗，驗證某個傳感器的某些特性，第四個屬于綜合性實驗，應用各種溫度傳感器進行溫度檢測電路的設計并實現。目前，實驗課程多以傳統(tǒng)模式進行教學，以教師為主導，學生跟著教師的腳步一步步來。學生的學習缺乏自主性，不去積極思考，該模式無法培養(yǎng)起學生的創(chuàng)新意識。

1.2"存在問題

對比新工科對學生能力的要求，傳感器實驗課程教學主要存在以下幾個問題：

（1）內容單一。傳感器與檢測技術實驗主要是利用實驗儀器和設備，以了解某種傳感器的某一性能，大多為驗證性實驗。

（2）被動操作。實驗課上，一般是教師按照操作手冊，將操作流程告訴給學生，學生則按照指導書進行操作，得到實驗數據。師生溝通交流較少，學生也容易消極思考操作步驟背后的原理和意義，從而無法將專業(yè)知識與實驗內容聯系起來，不利于培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和工程教育素養(yǎng)。

（3）師生互動少。課堂時間有限，教師需要講解傳感器基本原理、測量電路選取、量和量的轉換關系等。學生則需要完成實驗操作，記錄實驗數據等。課堂內容較多，而時間緊張，師生之間互動交流較少，教師也無法兼顧不同基礎的學生。

工程教育專業(yè)認證的教育目標特別強調學生解決復雜工程問題的實踐能力[1]。實驗課程也涉及復雜工程問題，由于實驗教學過程的教師主導、學生被動地按部就班操作等問題，也就使得大多數實驗課程并沒有完全實現工程教育的目標。

2"實驗教學模式改革探索

為了實現工程教育的目標，針對以上提出的傳感器實踐教學中存在的問題，教學內容和講授過程將按照解決工程問題的模式進行重組分析，教學模式采用“線上+線下”相結合，將有限的課堂教學時間延長，為學生提供預習和復習的平臺。

2.1"教學內容重組

根據涉及知識點與實踐操作能力訓練，將傳感器與檢測技術實驗的每個實驗項目的內容整理分成三大部分[4]：基本工作原理、實踐操作技能、優(yōu)化創(chuàng)新拓展。

基本工作原理主要是關于傳感器和檢測技術的基本理論，使學生熟悉實驗的理論知識，進一步鞏固所學專業(yè)知識，加深對實驗所涉及知識點的理解，方便進一步的實踐操作。

實踐操作技能部分主要是實驗操作部分，包括實驗儀器設備的特性分析與操作技巧、實驗電路的設計、實驗數據的記錄分析等，可以使學生了解專業(yè)知識向應用實踐轉化的過程，將所學專業(yè)知識與實驗項目聯系起來，并提高學生的動手操作能力。

優(yōu)化創(chuàng)新拓展則主要是課后拓展學習和復習鞏固，使學生進一步了解國內外傳感器的發(fā)展現狀和更新更尖端的前沿技術，進而培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和愛國強國信念。

一般在實驗教學過程中，這三個部分交叉并進，既保證專業(yè)知識量，又能培養(yǎng)學生實踐操作能力，提高解決工程問題的能力，同時注重引導和啟發(fā)創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力，滿足“新工科”的要求。

2.2"實驗過程解析

為了培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，實驗課程中的實驗項目將按照需要解決的工程問題來分析。根據解決工程問題的思路，實驗過程可以分解為：被測對象分析、傳感器特性分析、測量電路選取、實驗設備特性、電路接線調試、實驗結果分析、優(yōu)化拓展等。被測對象分析一般是分析待測物理量的特性，即傳感器輸入量的特性；傳感器特性分析是需要了解傳感器的基本原理、測量原理，傳感器輸出量與輸入量的關系等；測量電路則是對傳感器的輸出量進行轉換，轉換后的量更容易測量，測量電路的選取是傳感器與檢測技術實驗過程中較為重要的一步，選取合適的測量電路可以提高整個傳感器設計系統(tǒng)的精確性和可靠性，如電子秤的設計中，測量電路一般是直流電橋，直流電橋又分為單臂電橋、雙臂電橋、全橋電路等，針對不同要求可以選用合適測量電路；實驗設備特性是針對傳感器設備，一般包括電源模塊和測量儀表的特性分析等；電路接線調試是了解整個傳感器設計方案之后進行的實際接線調試，調試之前需要了解測量環(huán)境對整個系統(tǒng)的影響，傳感器實驗系統(tǒng)的測量范圍等；實驗結果分析是記錄各種實驗數據，計算相關參數，如誤差、線性度、被測量與輸出量特性曲線等，對整個傳感器實驗系統(tǒng)進行分析與評價；優(yōu)化拓展屬于課后延伸內容，根據之前的實驗結果分析，思考如何改善優(yōu)化設計，提高系統(tǒng)的可靠性與精確度等。

2.3"教學模式探索

為了更好地實現實驗教學目標，教學模式將采用“線上+線下”混合模式，如圖1所示。線上，教師為學生提供優(yōu)質的資源共享，根據實驗內容提前錄制微視頻等。教師錄制視頻時不是按部就班地根據指導書邊講解邊操作，將線下操作步驟搬到網絡上，而是要啟發(fā)學生主動思考為什么這么做，引導學生自覺地去掌握如何解決工程問題的能力。

在“線上+線下”教學模式的具體實施過程中，為了更好地激發(fā)學生積極性，培養(yǎng)學生團隊意識，將學生分成幾個小組，采用分組式的學習，每組約4～6名學生，個人學習和小組合作學習相結合。不同內容模塊分別布置不同的學習任務，基礎知識模塊屬于個人學習任務，每個人都需要完成；應用創(chuàng)新模塊則屬于小組任務，大家集思廣益，分工進行，共同完成。個人學習和小組合作學習相結合，共同完成學習任務。個人學習可激發(fā)自身學習積極性，主動去完成學習任務，提升自身創(chuàng)新意識和能力；小組合作互助學習可以培養(yǎng)團隊協(xié)作，掌握溝通技能，提高解決復雜工程問題的能力，滿足“新工科”對學生能力的要求。

實驗教師提前將相關專業(yè)知識模塊和實踐操作模塊內容發(fā)布在網絡平臺，或通過智慧教學工具，供學生隨時登錄學習，并布置相關個人學習任務和小組學習任務。教師在課前對學生的預習效果進行監(jiān)督和檢查，了解不同學生的學習情況，發(fā)現學生知識的薄弱點，以便在課堂上重點教學。線上提前學習也可以讓學生回顧并鞏固實驗所涉及的專業(yè)知識，厘清實驗項目所用到的知識點，了解實驗項目所用到的實驗器材和使用方法，熟悉實驗步驟和相關接線要點，并且?guī)е鴨栴}走進實驗室。學生在預習實驗項目時，既學習了理論知識又進行了實踐操作，實現了理論與實踐的有效結合。另外，線上學習一般不拘泥于網絡資源和教師自制資源，也可以利用虛擬仿真軟件進行仿真設計，讓學生更加直觀地了解傳感器相關原理，熟悉實驗流程。實驗數據的處理與分析也可以引導學生使用相關軟件如MATLAB，可以更加快捷獲得參數特性曲線，了解相關傳感器特性參數。

由于課前學習了相關專業(yè)知識，熟悉了實驗操作步驟，那么在課堂教學時教師有更多的時間與學生互動，引導學生主動思考解決問題的方法。實驗數據測量完之后，引導學生分析實驗結果、產生問題的原因，同時還可以引導學生思考在實際應用時應該如何優(yōu)化電路設計減少誤差，提高電路可靠性等。

課后教師布置相關思考題和小組任務，讓學生鞏固所學知識。小組任務一般是與實驗相關的實際生產生活中的問題，將實驗項目進一步優(yōu)化與拓展，引導學生培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提升創(chuàng)新意識，并主動思考遇到實際工程問題如何解決。在完成任務的過程中學會團隊合作以及與人溝通交流的能力。

2.4"以電容式傳感器的位移特性實驗為例

課前，教師通過超星學習通網絡教學平臺布置線上學習任務：了解電容式傳感器基本工作原理，電容變換器工作原理，測微頭的使用方法等。該任務屬于個人學習任務，要求每位同學在線上提前完成，若有問題可以直接與教師溝通反饋。

線下課堂時，教師首先抽查學生完成情況，給出本次課堂任務：測試電容式位移傳感器的位移特性；實驗目標：加深了解電容式傳感器的工作原理，熟悉差動式電容位移傳感器的結構、電容變換器原理、常用的數據測量與處理方法等。

教師講解此次實驗原理時重點講解電容變換器的核心部分——二極管環(huán)形充、放電電路，如圖2所示。使學生充分理解并掌握一個周期內電容的充、放電過程，四個二極管D3、D4、D5、D6的工作過程，ac支路的平均電流與電容的變化量之間的函數關系等。

教師將實驗部分理論基礎知識講解完后，注意歸納總結，將量與量的轉換過程梳理清楚，讓學生對知識有系統(tǒng)化的認識，如圖3所示。

講解示范實驗步驟時，教師著重講解此次實驗重點步驟，如儀表量程范圍選擇、測微頭使用等。在此次實驗中，電壓表量程選擇±2V，測微頭使用時注意仔細、緩慢調節(jié)。提醒學生在實驗過程中注意數據變化，如有問題及時發(fā)現并解決。

課后，教師發(fā)布小組任務，設計一款簡易液位測量裝置。任務描述：利用電容式傳感器、單片機等制作簡易液位測量裝置。任務目的：加深了解電容式傳感器的作用，熟悉電路原理及調試方法，進一步了解電容式傳感器在生產生活中的實際應用。

最后，在授課過程中注意引入思政教育元素，引導學生多維度思考問題，學會學以致用，掌握理論指導實踐的方法，引導學生要有探索精神，敢于嘗試不同的科學實驗方法。

2.5"教師團隊建設

傳感器與檢測技術實驗課程教學需要實驗課程教師和理論課程教師多溝通交流，全面了解學生對課程知識的掌握情況和學習效果。因此為了更好地建設傳感器與檢測技術課程體系，把授課教師組織起來，建立一支教師團隊，定期開展課程教學溝通交流會，可以更好地將理論教學和實驗教學結合起來。這樣的話，實驗教學老師可以更為清楚地了解學生對專業(yè)知識的掌握情況，及時調整授課重難點，及時發(fā)現問題并解決問題。教師團隊的成立提供了老師們相互溝通交流的平臺，新晉教師可以向經驗豐富的優(yōu)秀教師學習經驗，為年輕教師提供了學習進步的機會。

3"結語與展望

傳感器與檢測技術實驗課程教學改革是一個長期的過程，將教學內容重組，課堂教學采用小組競技，并利用“線上+線下” 相結合的教學模式，其核心就是以學生作為主體，教師作為引路人，啟發(fā)引導學生主動去思考，培養(yǎng)學生探索創(chuàng)新的精神、主動學習的習慣和團隊協(xié)作的能力。教學內容直接與工程問題相聯系，把解決問題的思路在教學中滲透給學生，培養(yǎng)學生的工程思維和創(chuàng)新意識。教師團隊的建設讓傳感器與檢測技術課程理論與實踐有機結合，讓課程建設可以不斷地完善和進步。

參考文獻：

[1]周開發(fā)，曾玉珍.新工科的核心能力與教學模式探索[J].重慶高教研究，2017，5（03）：2235.

[2]鄭春嬌，趙越嶺.《傳感器與檢測技術》課程復合型教學模式的探索與實踐[J].遼寧工業(yè)大學學報（社會科學版），2019（02）：111114.

[3]曹修全，陳艷.新工科背景下“傳感器與工程測試技術基礎”課程教學改革探索[J].黑龍江教育（理論與實踐），2022（02）：9092.

[4]劉利秋，盧艷軍.基于OBE理念的傳感器綜合實驗教學設計與實現[J].中國現代教育裝備，2021（07）：9092.

責任編輯：周瑜

The Exploration and Research of the Teaching Mode of Sensor and Detection TechnologyLaboratory Course under the Background of Emerging Engineering Education

ZHANG Xiaorui

（Faculty of Engineering， Anhui Sanlian University， Hefei 230601， China）

Abstract： The experiment of sensor and detection technology is an interdisciplinary course integrating theory and application， encompassing a wide range of knowledge， and featuring strong practicality. In order to respond to the requirements of Emerging Engineering Education on students' ability， cultivate students' spirit of exploration and innovation， habit of active learning， and ability of teamwork， based on the characteristics of the course， the teaching content is reorganized and analyzed according to the mode of solving engineering problems， the teaching mode of combination of online and offline is adopted， and students' learning integrates individual learning and group learning. After a period of teaching practice， the result indicates that adopting this teaching mode can cultivate students' ability of positive thinking， unity， and cooperation， enhance students' practical ability and application innovation consciousness， and achieve the purpose of engineering education.

Keywords： "Emerging Engineering Education; sensor and detection technology experiment; combination of online and offline