基于工匠精神培育的傳感器原理與應(yīng)用課程驗證型實驗教學(xué)改革探索

摘 要 針對應(yīng)用型本科高校傳感器原理與應(yīng)用課程實驗教學(xué)以驗證型實驗項目為主的現(xiàn)狀，提出基于工匠精神培育，對每個驗證型實驗項目重新審視和賦能，從縱向上增加每項實驗的精確度測量內(nèi)容和軟硬件改進要求，從橫向上增強項目間的有機聯(lián)系和融合，從而充分挖掘現(xiàn)有課程實驗平臺的潛力。實踐結(jié)果表明，改進后的驗證型實驗教學(xué)極大地拓展了學(xué)生的知識面和視野，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，為學(xué)生后續(xù)開展設(shè)計型實驗、創(chuàng)新型實驗以及專業(yè)綜合實踐、畢業(yè)設(shè)計奠定了良好的能力和心理基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 傳感器原理與應(yīng)用；驗證型實驗；實驗教學(xué)；工匠精神

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）19-00-04

0 引言

傳感器技術(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，作為21世紀(jì)現(xiàn)代信息技術(shù)的重要支柱之一，已經(jīng)成為高校儀器科學(xué)與技術(shù)、電子信息、自動化、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課。由于傳感器技術(shù)課程涉及內(nèi)容廣泛，實踐性強，不容易取得好的教學(xué)效果，因此傳感器技術(shù)類課程的教學(xué)改革一直是相關(guān)一線教師與教育工作者探索和關(guān)注的焦點[1-2]。經(jīng)過多年的教學(xué)改革探索與實踐，國內(nèi)傳感器技術(shù)類課程的理論教學(xué)部分已經(jīng)比較成熟，各大工科名校紛紛在中國大學(xué)慕課、學(xué)堂在線等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上推出傳感器技術(shù)相關(guān)的視頻課程，教學(xué)團隊成員一般由國家級或省級教學(xué)名師領(lǐng)銜，為其他高校的傳感器技術(shù)類課程教學(xué)提供了指導(dǎo)和借鑒。由于網(wǎng)絡(luò)及其他相關(guān)技術(shù)條件的限制，傳感器原理與應(yīng)用課程的實驗教學(xué)需要由各高校根據(jù)實際情況來設(shè)計與實施，而該課程的實驗教學(xué)對學(xué)生直接掌握傳感器特性和了解實際應(yīng)用是非常重要的。

目前，傳感器原理與應(yīng)用課程的教學(xué)實驗主要包括驗證型實驗、綜合型實驗和設(shè)計型實驗。學(xué)術(shù)型本科高校多以綜合型實驗和設(shè)計型實驗為主，驗證型實驗為輔；而應(yīng)用型本科高校則多以驗證型實驗為主，綜合型實驗和設(shè)計型實驗為輔[3-4]。由于人們認(rèn)識上存在誤區(qū)和受中小學(xué)實驗教學(xué)思維慣性影響，將驗證型實驗簡單地看作是在傳感器實驗臺或?qū)嶒炏渖习凑諏嶒炛笇?dǎo)書機械簡單地連幾根導(dǎo)線，得到幾個測量數(shù)據(jù)。這種思維認(rèn)知和做法忽略了學(xué)生的創(chuàng)新思考，違背了驗證型實驗的初衷。驗證型實驗的重要作用是在理論知識指導(dǎo)下，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灢僮?、?zhǔn)確的實驗結(jié)果與條理性的實驗報告，內(nèi)化傳感器原理、測量機理和應(yīng)用過程，培養(yǎng)學(xué)生扎實的基本技能和學(xué)科素質(zhì)。能否做好課程驗證型實驗是學(xué)生開展綜合型實驗、設(shè)計型實驗、專業(yè)綜合實踐、畢業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。

應(yīng)用型本科高校是我國本科高校最大群體，在大力推進高質(zhì)量高等教育體系建設(shè)背景下，其發(fā)展速度影響著高等教育發(fā)展的整體速度，其教育水平影響著高等教育的整體水平。針對應(yīng)用型本科高校傳感器原理與應(yīng)用課程的教學(xué)實驗以驗證型實驗為主的現(xiàn)狀，本文以廣州商學(xué)院為例，提出以工匠精神為指導(dǎo)，對驗證型實驗的每個實驗項目重新審視，在不增加硬件平臺（經(jīng)費）的情況下，增加項目的理論厚度、內(nèi)容維度和項目間的有機聯(lián)系，使驗證型實驗對學(xué)生的能力培養(yǎng)發(fā)揮最大限度的提高和促進作用。

1 傳感器原理與應(yīng)用課程驗證型實驗教學(xué)

存在的問題

廣州商學(xué)院是一所地方應(yīng)用型本科高校，傳感器技術(shù)類課程之一的傳感器原理與應(yīng)用是人工智能專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程實驗教學(xué)采用SET-N型傳感器實驗儀，這種儀器是把多種傳感器、電源、處理電路、顯示儀表集于一體，組成了一個完整的測量系統(tǒng)。課程教學(xué)團隊結(jié)合歷年的實踐經(jīng)驗，總結(jié)了該課程實驗教學(xué)過程中存在的一些問題。

1.1 實驗指導(dǎo)書簡單

SET-N型傳感器實驗儀提供了配套的實驗指導(dǎo)書，每個實驗都列出了實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄表格和實驗注意事項。學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書列出的步驟對涉及的模塊進行接線、上電、觀察、記錄實驗數(shù)據(jù)等操作，然后在該實驗項目的電子版中填寫實驗數(shù)據(jù)就算完成實驗。如果實驗指導(dǎo)書過于簡單，沒有深度，是很難讓學(xué)生在實驗過程中深入思考，并提高他們分析與解決問題的能力。

1.2 教學(xué)方式陳舊

教師提前準(zhǔn)備好實驗項目的PPT，主要內(nèi)容有本次實驗的目的、原理、步驟和數(shù)據(jù)處理的方法，有的教師甚至在PPT上給出實驗的接線圖，學(xué)生只要參照連接就可以完成實驗。這種教學(xué)方式除了讓學(xué)生走過場似地完成實驗外，對學(xué)生的動手能力和思維能力幾乎沒有任何提高。

1.3 實驗過程機械

SET-N型傳感器實驗儀將多種傳感器、接口電路、調(diào)理電路等進行了內(nèi)部封裝，對學(xué)生的開放程度較低，因此，學(xué)生對所用傳感器、接口電路的原理及設(shè)計方法不夠了解，他們也只能在上面通過接線、旋鈕和觀察記錄來完成實驗相關(guān)操作，很難達(dá)到與理論結(jié)合的目的。這種“名副其實”的以驗證型為主的實驗教學(xué)不利于培養(yǎng)學(xué)生的實驗興趣，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力。

1.4 實驗考核片面

由于每次實驗學(xué)生人數(shù)比較多，且實驗主要以連線為主，學(xué)生之間互相“借鑒”現(xiàn)象比較嚴(yán)重，教師無法鑒定每位學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)，只能通過實驗報告來給學(xué)生評定分?jǐn)?shù)。而實驗報告僅體現(xiàn)了實驗的最終結(jié)果，無法體現(xiàn)實驗操作的準(zhǔn)確性和熟練程度，可能會出現(xiàn)認(rèn)真預(yù)習(xí)和完成實驗的學(xué)生的分?jǐn)?shù)還不如抄襲別人實驗數(shù)據(jù)甚至實驗報告的學(xué)生的分?jǐn)?shù)高，嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。

2 基于工匠精神培育的驗證型實驗教學(xué)改

革與實踐

工匠精神，是指來源于匠人（手工業(yè)勞動者）在精工細(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)，以及對職業(yè)的態(tài)度和精神理念[5]。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，并且通過親身實踐來解決問題的文化，顯示出更強的現(xiàn)代性表征[6]。工匠精神生長于企業(yè)，卻萌芽于教育，因此對于應(yīng)用型地方本科高校來說，大力弘揚工匠精神，注重學(xué)生對知識的融會貫通能力和實驗操作技能的培養(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，培養(yǎng)各行各業(yè)的“大國工匠”已成為時代使命。

針對傳感器原理與應(yīng)用課程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，需要教學(xué)團隊的教師以工匠精神為指導(dǎo)，以現(xiàn)有實驗平臺為基礎(chǔ)，對驗證型實驗的每個實驗項目重新審視，增加項目的理論厚度、內(nèi)容維度和項目間的有機聯(lián)系，重新編寫實驗指導(dǎo)書，改革教學(xué)方式、實驗過程和考核方式，使驗證型實驗對學(xué)生的能力培養(yǎng)發(fā)揮積極的促進作用。

2.1 增加實驗指導(dǎo)書要求難度

實驗指導(dǎo)書是實驗教學(xué)的指南，應(yīng)將其置于與用于課程理論教學(xué)的教材同等的地位。筆者認(rèn)為，傳感器原理與應(yīng)用課程實驗教學(xué)中出現(xiàn)的主要問題都與對實驗指導(dǎo)書的重視程度不夠有關(guān)?；蛘哒f，實驗指導(dǎo)書決定了實驗的層次和質(zhì)量。SET-N型傳感器實驗儀配套的實驗指導(dǎo)書只是簡單說明了該試驗儀可以做哪些實驗、怎么操作，實驗教學(xué)教師必須在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗儀的配置（傳感器、接口電路和顯示電路），重新編寫實驗指導(dǎo)書。新編寫的實驗指導(dǎo)書的實驗項目名稱和擴展要求如表1所示。

2.2 以啟發(fā)式教學(xué)為主

隨著實驗難度的提升，學(xué)生實驗前必須對相關(guān)理論知識進行學(xué)習(xí)或預(yù)習(xí)。比如，根據(jù)表1中金屬箔式應(yīng)變片實驗的擴展要求，學(xué)生不僅需要熟悉金屬箔式應(yīng)變片、接口電路和測量電路的工作原理，還必須掌握誤差、測量不確定度、數(shù)據(jù)處理等相關(guān)知識和概念，熟悉MATLAB軟件的使用。

由于學(xué)生做了充分的實驗準(zhǔn)備，教師在實驗課中只要強調(diào)本次實驗的目的和注意事項即可，沒必要像以前那樣進行實驗過程的演示，但對學(xué)生預(yù)習(xí)過程中弄不清楚的問題和實驗過程中出現(xiàn)的問題，要及時給予啟發(fā)式的指導(dǎo)。

對學(xué)生按期刊論文標(biāo)準(zhǔn)交上來的實驗報告，每次評選10%左右的優(yōu)秀實驗報告，并讓這些學(xué)生在課堂上介紹實驗心得體會，總結(jié)優(yōu)缺點，促進全班學(xué)生共同進步。

2.3 實驗操作與理論思考結(jié)合

在實驗指導(dǎo)書和教師的指導(dǎo)下，學(xué)生不再認(rèn)為傳感器原理與應(yīng)用課程實驗就是連幾根線和記錄幾個數(shù)據(jù)，他們在實驗操作時充滿了探索和思考。還以金屬箔式應(yīng)變片實驗為例，學(xué)生的實驗操作和思考過程如下。

1）初步驗證階段。通過直流激勵金屬箔式應(yīng)變片半橋?qū)嶒?，獲得感性認(rèn)識。

2）提高性能階段。為了提高檢測系統(tǒng)的性能，此時學(xué)生開始思索兩個問題：一是前一階段的檢測系統(tǒng)有什么優(yōu)缺點？二是如何改進？本階段的實驗內(nèi)容為直流激勵全橋金屬箔式應(yīng)變片實驗。

3）更高性能階段。與第二階段一樣，還是思考同樣的兩個問題，學(xué)生可能會覺得越來越難，可能需要新的測量算法或理論。帶著這樣的期盼，本階段的實驗內(nèi)容為交流激勵全橋金屬箔式應(yīng)變片實驗，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。與第三階段一樣，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)改進的角度確實變了，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，若仔細(xì)選擇性能優(yōu)異的元器件，還是可以提高檢測電路的性能的。

2.4 實驗報告以期刊論文格式為標(biāo)準(zhǔn)

以前的實驗報告，學(xué)生只要在下發(fā)的實驗指導(dǎo)書電子版相關(guān)實驗上面填上記錄的數(shù)據(jù)，簡單地畫張圖就算完成本次的實驗任務(wù)。筆者對此進行了改革，要求學(xué)生按照期刊論文格式撰寫實驗報告，也就是每篇實驗報告必須有中英文題目、作者、中英文摘要、正文、致謝、附錄、參考文獻等期刊論文必備的要素，鍛煉學(xué)生在結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范、思維系統(tǒng)完整、表達(dá)清晰準(zhǔn)確以及分析清晰合理等方面的能力。

通過上述對驗證型實驗教學(xué)方法的改進，學(xué)生在追求提高動手能力的同時，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“超高性能”，將交流激勵全橋金屬箔式應(yīng)變片實驗的輸出信號連接到他們剛學(xué)到的ARM微控制器上，通過數(shù)字補償技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)性能的更大提升。還有部分比較優(yōu)秀的學(xué)生在這些實驗的基礎(chǔ)上成功申請到了國家、省和學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，并參加了各種校級和省級大賽，因此傳感器原理與應(yīng)用這門課程也被學(xué)生譽為雙創(chuàng)大賽的“孵化器”。

3 結(jié)束語

學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)是課程教學(xué)的重中之重，實驗教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)、實事求是的態(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，這些都是新時代工匠精神的內(nèi)在要求。通過基于工匠精神培育的傳感器原理與應(yīng)用課程的驗證型實驗教學(xué)實踐，學(xué)生的理論水平、知識融會貫通能力、實踐操作能力和職業(yè)素養(yǎng)都得到了顯著提升，也極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，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一步深造打下了堅實的基礎(chǔ)。同時，在本課程的教學(xué)改革實踐過程中，教師的研究能力和業(yè)務(wù)水平也得到了提升，真正實現(xiàn)了教學(xué)相長，這對于提升應(yīng)用型本科高校的專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量具有極其重要的意義和作用。

4 參考文獻

[1] 孫紅鴿，臧義，曹毅.工程教育背景下傳感器實驗教學(xué)模式改革探討[J].實驗室科學(xué)，2019，22（1）：100-103，108.

[2] 金瑩，胡青，吳子春.基于傳感器實驗教學(xué)的線上線下一體化教學(xué)模式改革[J].黑龍江教育（理論與實踐），2022（1）：79-80.

[3] 蒲賢潔，吳小志，胡陳果.自供能摩擦電傳感器研究性實驗設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2022，41（9）：170-173.

[4] 田有，李洪麗.基于科研融入實踐教學(xué)的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索，2023，42（3）：177-180，294.

[5] 陳道雷.新時代背景下工匠精神的哲學(xué)意蘊與當(dāng)代價值[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報，2021（6）：119-121.

[6] 鄧旭升，何向東.應(yīng)用型本科院校培育“工匠精神”的當(dāng)代訴求、哲學(xué)維度及路徑探索[J].教育探索，2017（5）：54-58.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.0

*項目來源：2022年廣東省普通高校特色創(chuàng)新項目“非接觸式電場耦合電壓傳感技術(shù)研究”（基金編號：2022KTSCX163）。

作者簡介：劉國福，通信作者，博士，正高級工程師；梁建軍，講師。