新工科背景下传感器与检测技术课程教学模式探索与实践

李 静，艾志伟，杨春山，李树德

(桂林航天工业学院，广西桂林，541004)

2016年，教育部提出了高等教育新工科建设，旨在培养符合新形势、新经济、新要求的具有一定工程实践能力和创新能力的复合型人才。桂林航天工业学院(以下简称“我校”)也积极响应教育部的号召，对传统课程进行教学改革，使培养应用型、创新型的人才目标真正落地。传感器与检测技术是工程领域各种工业控制系统的首要组成部分，为系统获取数据提供有力支撑，是实现智能测控的关键环节。[1]该课程是我校自动化专业和测控技术与仪器两个专业的专业核心课程，主要讲授各类传感器的工作原理、工作特性、测量电路以及传感器的简单应用。然而，当前课堂上学生对这些枯燥乏味的原理、特性分析毫无兴趣，学习的积极性和主动性也都不高，不能积极参与到教学活动中来。课后，学生也只有少量书本后的习题作业，课堂教学与课后学习两个环节的脱离现象严重，学生思维活动较少，学习效果不理想。针对教与学中存在的问题，课题组对传感器与检测技术进行了教学模式的探索和改革。

一、以“学生为主体”的线上线下教学活动设计

教与学的主客体关系研究表明，教学过程是教师和作为学习主体的学生不断互动的过程，学生只有主动参与教学过程才能取得最佳的学习效果。[2]在教育信息化的背景下，我校教师借鉴慕课优势，积极创设“以学生为主体”的学习情境和教学活动，将线下学习和传统课堂有效结合，运用多样化的学习方式，深化学生对知识的理解、迁移与应用，促进学生的深度学习。[3]如针对红外传感器这章内容的教学，教师首先在课前发布“自动感应门”“公共场所感应水龙头”等学生熟悉的应用场景并提出问题，学生在线上根据场景自行阅读教材和参考书目，并通过慕课视频学习红外传感器这一章的工作原理，了解传感器的工作特性，制作学习PPT。课堂上，学生汇报红外传感器的相关知识点，教师只针对重难点和学生提出的问题展开讲解。为了检测学生线下的学习效果，教师在课后使用“雨课堂”向学生推题，学生在线答题，教师实时了解学生的学习情况，督促学生平时的学习。线上线下的教学活动让学生主动参与教学过程，发挥了学生的主导作用，把学生从被动学习变为主动学习，课堂气氛因此活跃起来，教学效果得到明显好转。线上线下教学活动过程如图1所示。

图1 线上线下教学活动图解

二、以“应用”为导向的项目式教学模式

传感器与检测技术是一门实践性非常强的课程，线下学生自主学完传感器的基本知识点，课堂上教师重点以项目形式讲解传感器的应用。教师主要从项目背景、项目方案、硬件电路设计、软件编写、项目仿真、测量数据处理、项目的改进与展望七个方面讲解，把抽象的思想变成具体的方案框图、电路原理图、程序代码、仿真演示等，形象地为学生展示传感器应用设计的过程。学生也只有通过这一具体设计过程才能加深对传感器工作原理和特性的理解。这一环节具体内容如下。

第一，介绍项目背景。在生产、生活中，传感器无处不在，应用领域非常广泛。教师选择传感器有代表性的应用背景，采用播放视频、动画等丰富的形式展开背景介绍，从而吸引学生的学习兴趣，激发学生探索的欲望。如“直流电机转速测量”，围绕机床中的电机、汽车的车速等提出转速测量，介绍背景的同时介绍目前常用的转速测量技术和转速测量意义。

第二，方案设计。方案设计主要是对传感器选型，引导学生至少提出可以检测物理量的三种传感器，通过对比三种传感器的性能、特点、使用场合、价格等，确定其中一种传感器，将其作为检测元件，最后画出系统设计方案框图。如转速测量，提出电涡流传感器、光电编码盘、霍尔传感器三种测量转速的方法，通过比较这三种传感器的特点，最后选用霍尔传感器测量电机转速，绘制的方案框图如图2所示。

图2 霍尔传感器测量电机转速方框图

第三，硬件电路设计，分模块设计电路。一般的检测控制系统构成至少包括敏感信号的采集、数据的转换和控制以及系统的显示电路。教师在Protetuse里绘制出电路原理图，给学生讲解信号采集和电路工作的原理，信号采集时就把霍尔传感器如何检测转速、如何把速度转变成电信号的工作过程解释清楚。

第四，软件程序编写。教师利用虚拟仪器构建系统，指导学生学习 Lab VIEW 软件相关部分的内容，采用 Lab VIEW软件编写信号采集、处理、显示程序，实现人机交互及软硬件之间的信息交互，编写控制程序。

第五，项目仿真。验证设计方案并运行测试程序是极其重要的内容，从教学效果上讲，仿真环节将验证前面教学过程中涉及的所有分析、设计是否正确，电路图和程序是否正确，成功的测试结果将极大地激发学生的兴趣。

第六，测量数据处理。教师指导学生通过Excel、Matlab等软件对测量数据进行处理，生成传感器的静态特性曲线，再分析该传感器的灵敏度和非线性误差等指标，找出存在误差的原因。

第七，项目的改进与展望。这个环节是对整个项目所涉及传感器知识点的整理，旨在引导学生进行传感器应用过程中的规律总结和知识积累，最终实现课程体系的理论升华。

这种教学法以项目为载体，以应用为导向，通过教师课堂示范，引导和启迪学生线下自主完成教师布置的项目设计大作业。学生通过具体的项目设计，把理论与实践融合起来，培养了文献检索能力、硬件电路设计能力，学生学会了传感器选型方法、测量电路和变送电路设计及后续信号的处理，学会了熟练使用Matlab、Labview等仿真软件。学生的分析、设计能力和综合应用能力得以提高。

三、闭环式实验教学

我校开设了8个传感器与检测技术实验，目的主要是验证传感器工作原理，对测量电路设计和测量数据进行处理。学生参考实验指导书能较快完成实验，但通常表现是学生做完实验就下课，而学生很少在课后积极主动地思考实验过程中传感器的检测过程，导致学生撰写的实验报告数据出现错误，实验分析和总结内容空洞，言之无物。为了改善这一现状，在实验过程结束后，教师组织学生对本次实验内容进行讨论和反思，请学生讲述实验检测中信号转换的过程，提出实验过程中遇到的问题，并由学生讨论回答。实验结束后的提问、讨论、反思环节相当于是对实验教学过程的负反馈。通过这一环节，学生对本次实验目的和原理理解得更加深刻，对实验过程中遇到的各种问题都能大致找到原因，从实验报告来看，学生实验分析和总结都能结合实验的具体过程进行分析，内容变得详尽、充实、到位。实验教学过程如图3所示。

图3 闭环式实验教学过程图

四、注重过程评价，优化考核方式

原有的考核方式主要以期末卷面考核为主，考核结果只反映了学生对部分知识点的记忆能力和理解程度，考核方式单一，既不能体现完整的教学活动，也不能体现学生的综合应用能力。因此，我校建立了一套注重过程评价的学生成绩综合评价体系，把过程评价与期末卷面考核有机结合起来，综合反映学生的学习情况和学以致用的情况。在新的评价体系中，考勤、课堂汇报、课堂提问、在线答题、线下大作业、实验等内容均纳入平时成绩，从而体现出教学的全过程。其中，考勤占总评成绩的5%，课堂汇报占总评成绩的10%，课堂提问占总评成绩的5%，在线答题占总评成绩的5%，线下大作业占总评成绩的10%，实验占总评成绩的15%。由此可见，新的评价体系提高了平时成绩的比例，和卷面考核一样各占总成绩的50%。平时成绩全面反映了日常教学活动，以能力为本位评价了学生，与期末考试卷面成绩同等重要。

经过两年的探索与实践，传感器与检测技术课程的教学改革取得了明显效果。课堂上学生积极参与教学活动，主动提问，踊跃发言，课堂气氛明显活跃。课后的大作业、期末考试试卷中的应用类和综合类题目的学生错误率较低，完成情况良好，最近几次传感器与检测技术课程的综合成绩评定及格率都比往年提高，优良率也大幅上升。以“学生”为主体，以“应用”为导向是传感器与检测技术课程建设的核心思想，教师应在此基础上不断探索多元化的教学模式，培养具有一定工程实践能力和创新能力的人才。