智能傳感技術(shù)本科課程教學(xué)改革探討

0 引言

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是多學(xué)科交叉專業(yè)，涉及自動化、人工智能、微電子技術(shù)、儀器科學(xué)與技術(shù)等諸多不同的學(xué)科領(lǐng)域。智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)就是基于這些學(xué)科研究智能的本質(zhì)、產(chǎn)生、發(fā)展和消亡的規(guī)律，并構(gòu)建具有智能的機(jī)器和軟件系統(tǒng)。本專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)高層次研究人員，畢業(yè)的學(xué)生可以從事上述相關(guān)專業(yè)的科學(xué)研究和管理工作[1]。教育部于2010年批準(zhǔn)工業(yè)大學(xué)設(shè)立智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，并于2011年正式招生。目前，專業(yè)建設(shè)依托控制科學(xué)與工程學(xué)術(shù)碩士點(diǎn)、控制工程專業(yè)碩士點(diǎn)與人工智能專業(yè)碩士點(diǎn)。

智能傳感技術(shù)課程是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握智能傳感技術(shù)及系統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。課程以智能傳感技術(shù)與系統(tǒng)為背景，介紹傳感器的一般工作特性及其校準(zhǔn)、常用傳感器的工作原理、傳感器信號調(diào)理與處理、參數(shù)檢測、傳感器智能化的實(shí)現(xiàn)、智能技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用、通信功能與總線接口，以智能傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用為主、其他技術(shù)為輔，對智能傳感器的原理、相關(guān)的技術(shù)、特性、設(shè)計(jì)的原則和方法（包括算法）與應(yīng)用進(jìn)行論述，反映智能傳感和測試技術(shù)的最新發(fā)展。

課程的先修課程為自動控制原理、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用、人工智能基礎(chǔ)、智能優(yōu)化方法等專業(yè)基礎(chǔ)課程。其中，自動控制原理提供課程涉及的控制問題的基本理論，嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用為傳感器的軟件系統(tǒng)和硬件接口技術(shù)提供支撐，人工智能基礎(chǔ)與智能優(yōu)化方法給出熟悉本課程需要用到的一些算法原理。智能傳感技術(shù)課程是對其他專業(yè)課程在實(shí)際應(yīng)用方面的補(bǔ)充與擴(kuò)展，主要的后續(xù)課程包括智能數(shù)據(jù)建模、多源數(shù)據(jù)融合、嵌入式系統(tǒng)工程實(shí)踐、智能感知系統(tǒng)綜合實(shí)踐等，為這些后繼課程提供了基本的理論與設(shè)計(jì)思想。

由于智能傳感技術(shù)課程的理論內(nèi)容繁雜、不易理解，且實(shí)踐環(huán)節(jié)難度大，這就出現(xiàn)學(xué)生對課程學(xué)習(xí)不夠深入的問題。應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)要著重開發(fā)專業(yè)學(xué)生的動手與創(chuàng)新潛能，因此需要對課程教學(xué)改革進(jìn)行研究。本文全面分析目前智能傳感技術(shù)課程教學(xué)中出現(xiàn)的問題，提出相應(yīng)的教學(xué)改革措施，希望進(jìn)一步提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

1課程教學(xué)現(xiàn)狀

2018年，工業(yè)大學(xué)在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)增設(shè)智能傳感技術(shù)課程，通過五年的授課，發(fā)現(xiàn)教學(xué)效果不太理想，主要有以下幾個方面的原因。

1.1教學(xué)內(nèi)容不新穎

作為一個多學(xué)科交叉融合的專業(yè)，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)需要學(xué)習(xí)很多相關(guān)專業(yè)的知識，強(qiáng)調(diào)將智能科學(xué)相關(guān)的理論與技術(shù)應(yīng)用于各類研究對象。這就意味著課程內(nèi)容應(yīng)該側(cè)重于如何將智能技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，而不是僅僅介紹傳統(tǒng)的傳感器的各種原理。當(dāng)前的《智能傳感技術(shù)》教材過多地介紹傳感器的一般工作特性、傳感器信號調(diào)理與處理、參數(shù)檢測等基礎(chǔ)內(nèi)容，雖然對傳感器智能化的實(shí)現(xiàn)、智能技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用也有所介紹，但是這些智能技術(shù)相對比較陳舊，比如模糊技術(shù)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Kalman濾波等；其他的內(nèi)容如現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容介紹偏重于網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、協(xié)議以及通信過程等，忽視了智能技術(shù)在其中的重要性。此外，教材也缺少對這些智能理論、算法、模型的深入討論與分析，沒有給出其應(yīng)用于傳感器設(shè)計(jì)與開發(fā)中優(yōu)缺點(diǎn)的詳細(xì)介紹。這就使得課程結(jié)束之后，學(xué)生對課程內(nèi)容的理解僅僅停留在表面，無法深入了解最新的智能技術(shù)與傳感器相結(jié)合的進(jìn)展和成果。

1.2 教學(xué)方式陳舊

目前，智能傳感技術(shù)課程的教學(xué)方式還是傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，學(xué)生通過教師的講授學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，即使在教學(xué)中引入PPT、視頻等，也還是存在一定的缺陷。教師無法及時了解學(xué)生是否真正理解了課程的內(nèi)容，無法將教學(xué)和人才培養(yǎng)有機(jī)統(tǒng)一。這種乏味的教學(xué)方法阻礙了學(xué)生創(chuàng)新能力與學(xué)習(xí)興趣的發(fā)展，影響了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，不利于學(xué)生知識體系的擴(kuò)展，對學(xué)生理解課程學(xué)習(xí)內(nèi)容沒有實(shí)質(zhì)性幫助。而且，陳舊、枯燥的教學(xué)方式也導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性降低，學(xué)生無法專心投入學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效果不理想。

1.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)作用小

目前，智能傳感技術(shù)課程教學(xué)共32學(xué)時，僅包括4學(xué)時的實(shí)踐環(huán)節(jié)。實(shí)踐環(huán)節(jié)的意義在于加深學(xué)生對于課堂理論知識的掌握，促進(jìn)理論應(yīng)用于實(shí)際，對于學(xué)生的設(shè)計(jì)、分析與總結(jié)能力的提升非常有益。通過實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生可以鍛煉調(diào)試與解決問題、報(bào)告規(guī)范書寫的能力。另外，課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，這就要求增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的課時。目前，實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容在新意與實(shí)用性上還有所欠缺，限制了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的提高。

1.4考核方式不合理

對于一門課程，考核環(huán)節(jié)是非常重要的，合理的考核能夠真正評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。在課程的考核成績中，期末考試是80分，實(shí)踐環(huán)節(jié)是20分，考試中基礎(chǔ)知識占比高，設(shè)計(jì)題占比少，無法綜合考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。期末成績所占比例過高，使得學(xué)生更加重視書本的理論知識學(xué)習(xí)而忽視實(shí)際操作能力提升，花費(fèi)大量時間背誦教材的基本概念而缺乏理解；實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告高度雷同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。這樣的考核手段必然會導(dǎo)致對學(xué)生學(xué)習(xí)效果判定不夠合理，造成學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培育力度不足。單純地給出一個分?jǐn)?shù)并不是課程考核的目的，而是需要能夠培養(yǎng)學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)課程內(nèi)容的素養(yǎng)。

2課程教學(xué)改革方案

對于智能傳感技術(shù)課程，其教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式需要做到按照外部與內(nèi)部環(huán)境的變化進(jìn)行修訂。進(jìn)一步提升學(xué)生的實(shí)踐能力是本專業(yè)教學(xué)改革的關(guān)鍵目標(biāo)，因此，教學(xué)中應(yīng)做到理論與實(shí)踐相輔相成。授課教師應(yīng)充分借助新穎的教學(xué)方法或手段，積極推進(jìn)課程教學(xué)改革，進(jìn)一步提升課程建設(shè)質(zhì)量。本文對此展開相應(yīng)討論。

2.1教學(xué)內(nèi)容改革

有效教學(xué)理論要求授課教師在授課過程中熟悉最新的理論與技術(shù)的發(fā)展，及時將這些前沿性的成果在課堂上結(jié)合授課內(nèi)容教授給學(xué)生[2]。對于智能傳感技術(shù)課程，可以介紹個人數(shù)字健康監(jiān)測傳感器、智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器、智慧倉儲物流傳感器的最新發(fā)展動態(tài)等。其他最新的智能理論與技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、監(jiān)督學(xué)習(xí)等理論，在課程體系中進(jìn)行介紹，利用數(shù)字化拓展資源隨時更新傳感技術(shù)新成果[3]。

將智能理論與技術(shù)融入傳感器實(shí)例，便于學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握。教師可以通過介紹智能傳感器在日常生活中的應(yīng)用來縮小授課內(nèi)容與學(xué)術(shù)之間的距離。例如：炎熱的夏天，智能汽車感知車主要乘車而提前啟動空調(diào)；智能照明系統(tǒng)根據(jù)光線和人員活動自動調(diào)節(jié)亮度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保；智能穿戴設(shè)備監(jiān)測人體生理數(shù)據(jù)，比如心率、血壓、運(yùn)動量等，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并提醒用戶或醫(yī)護(hù)人員；智能交通信號燈根據(jù)車流情況自動調(diào)節(jié)紅綠燈時間，減少交通擁堵；智能停車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動尋找車位和計(jì)時計(jì)費(fèi)，方便車主停車。這些鮮活的案例能夠幫助學(xué)生建立起理論知識與實(shí)際的關(guān)聯(lián)。

如在講授無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，不單純地介紹網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、架構(gòu)與通信，而是以圖1所示的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)農(nóng)業(yè)與圖2所示的智能家居系統(tǒng)為例，講解傳感區(qū)域的各種信息如何被各類傳感器采集；信息采集過程中采用哪些合適的智能數(shù)據(jù)融合算法保證數(shù)據(jù)的可靠性；如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，如何選擇合適的智能插值算法補(bǔ)充缺少的數(shù)據(jù)；如何將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于數(shù)據(jù)軟測量過程來補(bǔ)充傳感器不易獲得的各類數(shù)據(jù)。這些知識點(diǎn)能提升學(xué)生對于實(shí)際智能傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用能力。

2.2 教學(xué)方式改革

在進(jìn)行智能傳感器理論講授之前，應(yīng)該借助現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)施，通過一些直觀的圖片或者視頻導(dǎo)入，將傳感器的應(yīng)用作為基礎(chǔ)，這樣能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其帶著好奇的心態(tài)去學(xué)習(xí)基本原理。教學(xué)采用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、多媒體與傳統(tǒng)板書相結(jié)合的方式。在課件制作中，授課內(nèi)容要簡明和清晰，需要包括例題演示和實(shí)驗(yàn)、仿真結(jié)果的呈現(xiàn)。也就是說，課件中既要包含教材內(nèi)容，又要囊括有利于理論講解與實(shí)際應(yīng)用的案例[4]

在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)全面應(yīng)用最新教學(xué)方法輔助教學(xué)，不斷借鑒新出現(xiàn)的技術(shù)成果，增強(qiáng)教學(xué)成效，開闊學(xué)生的視野[5]。不拘泥于傳統(tǒng)而要達(dá)到生動活潑、變化多樣的教學(xué)效果，這樣才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)積極性，使得課堂氣氛不再沉悶，最終幫助學(xué)生掌握智能傳感技術(shù)課程的核心知識點(diǎn)。

2.3實(shí)踐教學(xué)改革

實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該與教學(xué)過程各個環(huán)節(jié)相關(guān)聯(lián)，這樣才能夠使學(xué)生學(xué)以致用，真正實(shí)現(xiàn)做中教、做中學(xué)[6]。對于智能傳感技術(shù)課程，除了在課堂教學(xué)中突出實(shí)踐的重要性外，還需要在實(shí)踐操作中加強(qiáng)引導(dǎo)。如果教學(xué)中缺少足夠的實(shí)踐，僅僅介紹傳感器的各種轉(zhuǎn)換原理，就會使實(shí)踐內(nèi)容與智能傳感器失去相應(yīng)的聯(lián)系。最后的結(jié)果就是教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)過程的雙向枯燥。表1列舉了一些適合在課程中作為實(shí)踐環(huán)節(jié)的題目與對應(yīng)的研究內(nèi)容。

2.4考核方式改革

以往的考核中，教師單純從期末考試成績來評定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果是不全面的，沒有反映學(xué)生的創(chuàng)新與獨(dú)立思考能力[7]，有悖于智能傳感技術(shù)課程開設(shè)初衷。應(yīng)該采用多元化的考核手段，如采用分組答辯。在課程教學(xué)過程中，學(xué)生按照興趣分為不同的小組，并各自選擇與課程內(nèi)容相關(guān)的主題進(jìn)行研究，結(jié)合材料查詢、小組討論、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，提交報(bào)告并進(jìn)行答辯，給出自己的見解；針對智能傳感器發(fā)展的最新進(jìn)展，撰寫一篇關(guān)于智能理論與技術(shù)應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域的新成果的小論文，并提出自己對于這些技術(shù)的觀點(diǎn)。這樣的設(shè)計(jì)不僅可以開闊學(xué)生的視野，還能夠讓學(xué)生進(jìn)行學(xué)術(shù)論文寫作能力的鍛煉，對未來畢業(yè)論文的撰寫也非常有益[8]。期末仍然進(jìn)行卷面考試，但是增加對于學(xué)生綜合能力考核題型的比重。這種題型沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，重點(diǎn)考核學(xué)生對課程內(nèi)容的綜合理解應(yīng)用能力。

通過上述考核方式，能夠合理地評價(jià)學(xué)生是否實(shí)現(xiàn)了對課程基礎(chǔ)概念的理解，是否具備利用學(xué)習(xí)的知識對問題進(jìn)行分析和解決的能力。

3 結(jié)束語

本文對智能傳感技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題進(jìn)行分析，并提出一些有效的解決方案，這些方案有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的實(shí)踐動手能力，值得相關(guān)課程教師借鑒與學(xué)習(xí)。

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