傳感器原理與設(shè)計(jì)“金課”建設(shè)

［摘 要］ “金課”建設(shè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要作用。主要介紹了課程團(tuán)隊(duì)在“傳感器原理與設(shè)計(jì)”“金課”建設(shè)方面的實(shí)踐和探索，圍繞“金課”的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度設(shè)計(jì)了課程的理論與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)充分挖掘思政元素、引入信息化教學(xué)手段、創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容和方法，將三級(jí)項(xiàng)目、討論課、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，構(gòu)建多元化考核和評(píng)價(jià)體系等方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、工程意識(shí)和道德素養(yǎng)，提高學(xué)生解決工程問(wèn)題的綜合能力，體現(xiàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)和能力的綜合評(píng)價(jià)。

［關(guān)鍵詞］ “金課”建設(shè)；傳感器原理與設(shè)計(jì)；項(xiàng)目式教學(xué)

［基金項(xiàng)目］ 2020年度燕山大學(xué)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目“‘傳感器原理與設(shè)計(jì)’教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐探索”（2020KCGG05）

［作者簡(jiǎn)介］ 楊麗麗（1982—），女，山西大同人，工學(xué)博士，燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院講師，主要從事傳感器原理與設(shè)計(jì)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）42-0107-04 ［收稿日期］ 2023-05-11

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。深化教育教學(xué)改革，必須把教學(xué)改革成果落實(shí)到課程建設(shè)上［1］?！皞鞲衅髟砼c設(shè)計(jì)”是燕山大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)核心課程，專業(yè)為優(yōu)化課程體系，將其與“嵌入式單片機(jī)原理與應(yīng)用”和“傳感器與單片機(jī)綜合課程設(shè)計(jì)”課程組建課程群，致力于打造學(xué)生認(rèn)可的“金課”。根據(jù)一流本科課程建設(shè)原則，針對(duì)目前課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，以O(shè)BE理念引領(lǐng)教學(xué)全過(guò)程，以深化拓展教學(xué)方法創(chuàng)新和深入挖掘課程思政元素為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和提高實(shí)踐動(dòng)手能力為目標(biāo)，從理論與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)出發(fā)進(jìn)行“金課”建設(shè)，使學(xué)生在提升自身素質(zhì)與綜合能力的同時(shí)，能夠充分體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的獲得感和成就感。

一、課程教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

“金課”是具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的課程，注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高階思維，創(chuàng)新具有前沿性和時(shí)代性的課程內(nèi)容、先進(jìn)性和互動(dòng)性的教學(xué)形式、探究性和個(gè)性化的學(xué)習(xí)結(jié)果，開(kāi)展具有挑戰(zhàn)度的教學(xué)［2］。

以“金課”為標(biāo)準(zhǔn)，“傳感器原理與設(shè)計(jì)”課程為優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與課程體系，對(duì)理論與實(shí)踐兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革。理論教學(xué)環(huán)節(jié)以課堂講授為主，通過(guò)挖掘思政元素、引入多種信息化教學(xué)手段和創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容與方法的方式進(jìn)行改革和優(yōu)化。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)包含三級(jí)項(xiàng)目、討論課和實(shí)驗(yàn)三部分，通過(guò)3個(gè)創(chuàng)新訓(xùn)練模塊、3次PPT匯報(bào)交流與討論、重要知識(shí)點(diǎn)的同步實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革與優(yōu)化。以學(xué)生為中心，以項(xiàng)目為主導(dǎo)，通過(guò)各環(huán)節(jié)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提升課程的高階性，突出課程的創(chuàng)新性，增加課程的挑戰(zhàn)度，全方位提高學(xué)生的綜合能力［3］。

二、以學(xué)生為中心的理論環(huán)節(jié)改革

1.緊密結(jié)合課程內(nèi)容，挖掘課程思政元素，實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)。從家國(guó)情懷、人文素養(yǎng)、科學(xué)精神出發(fā)，深入挖掘課程思政元素；以社會(huì)熱點(diǎn)、國(guó)際前沿、工程應(yīng)用、科技發(fā)展史以及國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略等內(nèi)容為切入點(diǎn)，將課程思政合理融入“傳感器”教學(xué)內(nèi)容中，使思政元素和教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合。在《緒論》部分，通過(guò)課前思考與內(nèi)容總覽引入思政內(nèi)容，讓學(xué)生了解在傳感器領(lǐng)域能做什么以及如何去做，突出傳感器在測(cè)控領(lǐng)域的重要性，激發(fā)學(xué)生對(duì)“傳感器原理與設(shè)計(jì)”課程的學(xué)習(xí)興趣與愛(ài)國(guó)熱情。在《電阻應(yīng)變式傳感器》部分，引入柔性應(yīng)變傳感器助力我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在火星成功著陸，以及港珠澳大橋等國(guó)家重大工程項(xiàng)目，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感與自信心。在《電容式傳感器》部分，通過(guò)民族企業(yè)的成功案例講述電容式傳感器改變了現(xiàn)代人機(jī)交互體驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生要自主創(chuàng)新、自主研發(fā)，為創(chuàng)造世界知名的中國(guó)品牌而努力奮斗［4］。在《壓電式傳感器》部分，引入新型壓電材料及應(yīng)用的國(guó)際前沿與創(chuàng)新案例，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)、預(yù)見(jiàn)未來(lái)，培養(yǎng)前瞻性與創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。通過(guò)講述壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，引出居里夫婦為科學(xué)奉獻(xiàn)的精神與感人事跡，鼓勵(lì)學(xué)生以飽滿的熱情努力學(xué)習(xí)，為國(guó)奉獻(xiàn)。在《熱電式傳感器》部分，引入社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的民族自豪感與使命感，培養(yǎng)學(xué)生濃厚的家國(guó)情懷與強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感。

2.引入信息化教學(xué)手段，增加課堂互動(dòng)環(huán)節(jié)，提高課堂管理效率。積極使用中國(guó)大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線、學(xué)習(xí)通和教學(xué)質(zhì)量管理平臺(tái)等信息化教學(xué)手段，建立混合教學(xué)模式。利用學(xué)習(xí)通平臺(tái)，課前發(fā)布課件、視頻等學(xué)習(xí)資料和相關(guān)鏈接、網(wǎng)站等擴(kuò)展閱讀資源，讓學(xué)生課前學(xué)習(xí)，提高聽(tīng)課效率；課上進(jìn)行隨機(jī)點(diǎn)名、課堂互動(dòng)、隨堂測(cè)試等環(huán)節(jié)，增加課堂互動(dòng)，提高上課效率；課后發(fā)布作業(yè)，設(shè)置提交截止時(shí)間，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。以上內(nèi)容可以在課后生成統(tǒng)計(jì)報(bào)告，作為平時(shí)成績(jī)計(jì)入期末總成績(jī)。利用教學(xué)質(zhì)量管理平臺(tái)，針對(duì)傳感器每章內(nèi)容難點(diǎn)及相關(guān)問(wèn)題發(fā)布調(diào)查問(wèn)卷，通過(guò)學(xué)生的反饋信息，及時(shí)了解并解決學(xué)生的問(wèn)題，同時(shí)有助于課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的持續(xù)改進(jìn)。

3.改革和創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容及方法，提高課堂學(xué)習(xí)效率。跟蹤傳感器前沿發(fā)展，在教學(xué)內(nèi)容中加入最新研究成果，并在課前或重要知識(shí)點(diǎn)引入與之相關(guān)的工業(yè)實(shí)例、歷史、人文、科技等知識(shí)，寓教于樂(lè)，活躍課堂氛圍，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生積極互動(dòng)、主動(dòng)探究。增加豐富的視頻及動(dòng)畫(huà)以展示各種傳感器的工作原理，加深理解。以具體問(wèn)題或工程應(yīng)用場(chǎng)景引出相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生明白各種傳感器的應(yīng)用價(jià)值，提高學(xué)習(xí)興趣。梳理傳感器知識(shí)點(diǎn)，將傳感器的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、差動(dòng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法、分類方法等知識(shí)點(diǎn)貫穿全課程，做到首尾呼應(yīng)。每章后，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)通平臺(tái)上提交本章思維導(dǎo)圖，形成清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu)，及時(shí)做到對(duì)本章內(nèi)容的復(fù)習(xí)、鞏固和升華［5］。

三、以項(xiàng)目為主導(dǎo)的實(shí)踐環(huán)節(jié)改革

課程實(shí)踐環(huán)節(jié)以三級(jí)項(xiàng)目模塊化訓(xùn)練為主，以實(shí)驗(yàn)為輔的形式，加深學(xué)生對(duì)傳感器基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，使其提高綜合運(yùn)用“傳感器原理與設(shè)計(jì)”課程知識(shí)分析和解決相關(guān)理論和實(shí)踐問(wèn)題的能力，鍛煉和提高交流、溝通和表達(dá)能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)、創(chuàng)新能力、責(zé)任感和職業(yè)道德素養(yǎng)。

1.三級(jí)項(xiàng)目實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)包括電子秤設(shè)計(jì)模塊、接近開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與制作模塊以及溫度傳感器的設(shè)計(jì)與制作模塊三部分。組織形式按班級(jí)以3人為一組，每組有一名負(fù)責(zé)人，通過(guò)組內(nèi)討論明確任務(wù)分工和個(gè)人貢獻(xiàn)，每個(gè)模塊結(jié)束后提交項(xiàng)目報(bào)告并進(jìn)行討論課匯報(bào)。（1）電子秤設(shè)計(jì)模塊包括電橋電路基本特性仿真和電子秤實(shí)際制作兩個(gè)部分。針對(duì)多種不同類型電橋電路，以Matlab、Multisim等仿真工具作為載體進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步使學(xué)生加深了對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握程度，理解了理論模型、電路仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)之間的區(qū)別。通過(guò)應(yīng)變片粘貼訓(xùn)練、電橋與放大調(diào)理電路的設(shè)計(jì)、輸出測(cè)試、測(cè)量數(shù)據(jù)評(píng)定及誤差分析，使學(xué)生進(jìn)一步掌握了電阻應(yīng)變式傳感器的相關(guān)理論知識(shí)，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。（2）接近開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與制作模塊主要以電容、電感等傳感器為基本內(nèi)容進(jìn)行理論設(shè)計(jì)、實(shí)物制作、測(cè)試與應(yīng)用。通過(guò)自行查閱資料、擬定應(yīng)用背景，鼓勵(lì)采用大膽、新穎的方案和奇思妙想。學(xué)生積極創(chuàng)新，應(yīng)用不同種類的傳感器，實(shí)現(xiàn)了不同的功能應(yīng)用。比如，通過(guò)自制電感線圈，實(shí)現(xiàn)了金屬探測(cè)；通過(guò)設(shè)計(jì)電容式傳感器，實(shí)現(xiàn)了手勢(shì)識(shí)別；通過(guò)設(shè)計(jì)電容式觸摸按鍵，在OLED上實(shí)現(xiàn)了觸摸按鍵游戲，即通過(guò)電容按鍵控制小鳥(niǎo)的上移和下移，通過(guò)障礙物可得分，碰到障礙物后游戲結(jié)束等。通過(guò)該模塊訓(xùn)練，進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)接近傳感器應(yīng)用的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。（3）溫度傳感器設(shè)計(jì)與制作模塊主要以熱電偶的實(shí)際制作為訓(xùn)練內(nèi)容，設(shè)計(jì)制作熱電偶、測(cè)量電路和溫度補(bǔ)償變送環(huán)節(jié)，完成單片機(jī)采集與溫度顯示。通過(guò)熱電偶絲的焊接、溫度補(bǔ)償和放大電路的設(shè)計(jì)與制作、電路部分的設(shè)計(jì)與制作、輸出的測(cè)試與誤差分析等，進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)熱電偶測(cè)溫原理與應(yīng)用的理解。

2.討論課是以學(xué)生為主體，進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和相互學(xué)習(xí)的過(guò)程。主要針對(duì)三級(jí)項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容，通過(guò)以小組為單位進(jìn)行PPT匯報(bào)和問(wèn)題探討，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性和參與性，提高了學(xué)生的交流與表達(dá)能力。使學(xué)生能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題，并在相互學(xué)習(xí)過(guò)程中取長(zhǎng)補(bǔ)短、不斷進(jìn)步。

3.課程實(shí)驗(yàn)以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主。與理論課教學(xué)內(nèi)容同步進(jìn)行，使學(xué)生能夠及時(shí)用科學(xué)的方法對(duì)所學(xué)理論及應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠采用科學(xué)的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)預(yù)期和結(jié)果做出合理的判斷和解釋，得出合理有效的結(jié)論。

四、課程考核與評(píng)價(jià)

1.課程考核由四部分構(gòu)成，分別為結(jié)課考試（50%）、平時(shí)成績(jī)（10%）、三級(jí)項(xiàng)目（30%）、實(shí)驗(yàn)（10%）。（1）結(jié)課考試題型包含綜合題和設(shè)計(jì)題，在涵蓋大部分知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，重點(diǎn)考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用和遷移能力。（2）平時(shí)成績(jī)以隨堂測(cè)試的形式進(jìn)行，及時(shí)考核學(xué)生對(duì)每章內(nèi)容的掌握情況。（3）三級(jí)項(xiàng)目依據(jù)項(xiàng)目報(bào)告、實(shí)物制作與演示、討論課PPT匯報(bào)三部分綜合成績(jī)作為該項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)成績(jī)，團(tuán)隊(duì)成員的個(gè)人成績(jī)按照?qǐng)F(tuán)隊(duì)成績(jī)的等級(jí)和個(gè)人貢獻(xiàn)比例進(jìn)行分配。項(xiàng)目報(bào)告在基本設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加了項(xiàng)目中遇到的問(wèn)題和解決辦法、工作日志兩部分，要求學(xué)生按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成規(guī)定任務(wù)，按學(xué)時(shí)撰寫詳細(xì)工作日志，提高學(xué)生時(shí)間規(guī)劃的能力、分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。（4）實(shí)驗(yàn)考核在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基礎(chǔ)上，增加了實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范程度、實(shí)驗(yàn)完成匯報(bào)和驗(yàn)收兩個(gè)過(guò)程考核指標(biāo)，從根本上解決了“實(shí)驗(yàn)就是抄報(bào)告”的問(wèn)題。

2.課程評(píng)價(jià)由教學(xué)質(zhì)量管理平臺(tái)發(fā)布的調(diào)查問(wèn)卷和結(jié)課考試后形成的課程考核分析報(bào)告兩部分構(gòu)成。根據(jù)學(xué)生反饋與課程指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成情況，分析確定各環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)與不足，有助于課程的持續(xù)改進(jìn)。針對(duì)“傳感器原理與設(shè)計(jì)”課程的上述教學(xué)改革措施，將其應(yīng)用于我校2019級(jí)測(cè)控專業(yè)4個(gè)教學(xué)班級(jí)，共106名學(xué)生，如圖1所示的調(diào)查問(wèn)卷及評(píng)分結(jié)果顯示，學(xué)生綜合評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)較上一教學(xué)周期有所提高，學(xué)生普遍反饋良好，達(dá)到預(yù)期效果，主要體現(xiàn)如下：（1）實(shí)現(xiàn)了價(jià)值引領(lǐng)和立德樹(shù)人。將愛(ài)國(guó)主義情懷、社會(huì)責(zé)任、職業(yè)道德、科學(xué)探索精神、創(chuàng)新精神、工程倫理及職業(yè)道德等思政內(nèi)容與課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)緊密結(jié)合，關(guān)注職業(yè)素養(yǎng)與專業(yè)知識(shí)的融合，給予了學(xué)生積極的思想指導(dǎo)。（2）提高了學(xué)生的上課效率和教師的課堂管理效率。信息化教學(xué)手段的引入和教學(xué)方法的創(chuàng)新，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使無(wú)故缺課、遲到以及課堂上玩手機(jī)、打瞌睡、走神的學(xué)生明顯減少，積極參與課堂互動(dòng)的學(xué)生明顯增加，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性逐漸增強(qiáng)。有效的調(diào)查問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果幫助教師及時(shí)掌握了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)和學(xué)習(xí)效果，有助于課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的持續(xù)改進(jìn)。（3）提高了學(xué)生分析與解決工程問(wèn)題的綜合能力。多學(xué)時(shí)“三級(jí)項(xiàng)目”的開(kāi)展，彌補(bǔ)了理論教學(xué)的不足，使學(xué)生不僅掌握了儀器、器件的操作和使用方法，還學(xué)會(huì)了如何進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作、開(kāi)展具體的項(xiàng)目、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題，增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，增強(qiáng)了學(xué)生的自信心與獲得感，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣與實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值的信心。

結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了“傳感器原理與設(shè)計(jì)”課程在“金課”建設(shè)過(guò)程中的具體實(shí)施方案、考核評(píng)價(jià)體系與實(shí)施效果。通過(guò)理論與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的優(yōu)化與創(chuàng)新，堅(jiān)持知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)與價(jià)值引領(lǐng)相統(tǒng)一，將課程內(nèi)容與思政元素有機(jī)融合，引入信息化教學(xué)手段與創(chuàng)新教學(xué)方法，完善課程考核評(píng)價(jià)體系，保證實(shí)踐項(xiàng)目與教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)性，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情與奉獻(xiàn)精神，落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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Construction of Gold Class of Sensor Principle and Design

YANG Li-li

（School of Electrical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao， Hebei 066004， China）

Abstract： The construction of gold class plays an important role in realizing student-centered teaching， and improving the quality of talent training. This paper mainly introduces the practice and exploration of the course team in the construction of the gold class of Sensor Principle and Design， and designs the theoretical and practical teaching of the course around the high-order， innovation and challenge of the gold class， which can stimulate the students’ interest in learning， cultivate students’ innovative thinking， engineering awareness and moral quality， improve students’ comprehensive ability to solve engineering problems， and reflect the comprehensive evaluation of students’ knowledge and ability by fully exploring ideological and political elements， introducing information-based teaching means， innovating teaching contents and methods， combining three-level projects， discussion courses and experiments， and building diversified assessment and evaluation system.

Key words： construction of gold class; Sensor Principle and Design; project-based teaching