基于混合式教学的《传感器原理与应用》课程改革

范秀伟 申沂明 姜守振

( 山东师范大学物理与电子科学学院，250358，济南 )

《传感器原理与应用》讲述传感器的工作原理及工程应用，是一门理论性、实践性、综合性和研究性很强的课程，在电子信息类专业的人才培养中占有重要的地位.因此，开展传感器课程教学改革，将对创新型人才的培养起到重要作用.

1 传感器课程教学存在的问题

近年来，社会调查显示大学毕业生的动手能力，创新能力不足.因而，如何提高教学质量，培养有创新意识、创新能力的人才成为高校教学研究的重要课题[1].通过包括学习问卷调查、毕业生考研调查、辅导员访谈等多种渠道调研[2]，发现在传感器课程教学中存在的一些不能被忽视的问题[3].

1.1教学内容陈旧目前传感器课程教学内容仍然以各种传统传感器的原理分析为主，且各类传感器知识相对独立.课程教学目标也仅要求学生学会力、热、电、光等传感器的基础知识，熟悉传感器的基本功能和工作原理、典型的测量电路等[4].虽然这种教学内容组织形式有利讲述各类传感器的原理与特性，但是整体教学内容存在松散、逻辑性不强的缺陷，这对授课教师提出更高的要求.教师需要精心组织教学内容的教授次序，通过提炼不同类传感器的共同点，建立各类传感器之间的联系，将各类传感器的原理、特性以及典型应用有机串联，使学生更好的理解知识，形成结构性记忆，使知识彼此相互紧密结合，形成一个有机的整体，这样不但教师讲授时逻辑清晰有条理，学生也能更好的理解教师讲授的内容.但是实际授课中，因为知识点分散，教学效果不佳.

当前社会正进入智能化时代，基于传感器动态感知和5G移动通信技术的新型应用模式蓬勃发展，传感器的应用领域不断拓展，新型传感器层出不穷.虽然教师在课堂教学中会根据技术发展及时更新教学内容，但是相关的教材、教学资源和综合实践教学项目建设严重滞后，比如无线传感技术、物联网技术等在很多传感器教材里没有涵盖.如果教师仍然按照陈旧教材教授传感器知识，不能将传感器技术的最新研究成果纳入到教学内容中，将导致学生知识陈旧，视野狭窄，与社会发展脱节，毕业后不能尽快融入与传感器相关的工作中，因此课程教学中一定要囊括那些具有巨大应用前景的传感技术[5].总之，传感器原理与应用是一门理论性、应用性和研究性很强的课程，综合了多学科的知识，亟待课程改革，系统建设教材、综合实践项目和网络资源等.

1.2教学模式单一在传感器课程教学中，有相当大比例的教师，教学方法依然采用“教师讲，学生听”的教学模式，教师在讲台上尽职尽责的讲课，学生处于被动接受知识的状态，学生不主动去提出问题，教师不明白学生的疑点，不能及时解释，导致学生上课中途“掉链子”，课下需要花费更多的时间才能补回来. 这种教师主导型的“填鸭”式的教学模式，虽然可以充分发挥教师的主导作用，但是不能充分调动学生的主体认知能力，师生之间缺乏互动，学生在课堂上很容易丧失学习的积极性[6，7].

目前高校基本已经普及了多媒体教室，大部分课程应用了幻灯片的教学方式，相比传统的粉笔板书教学极大的提高了授课效率，但是利用幻灯片进行教学也存在一些问题.首先，利用幻灯片教学相比于传统黑板教学，单节课时内的知识量陡增，学生上课需要一直集中精力，否则就会因为走神错过知识点，影响后续知识的学习，严重者会因为一时的疑难而放弃课程学习.这就对教师提出更高的要求，在讲授过程中，教师应根据教学内容，教学进度灵活授课，形成教师自己丰富的教学风格.但是，也有相当大比例的教师在应用幻灯片教学时，把幻灯片的放映当作是传统黑板教学的延续，往往都是文字加图例，没有动态的示意图，缺少循序渐进的过程，再加上缺乏教师的引导，这样的灌输式教学模式完全忽视了学生的自主学习能力，学生很容易在突然面临大量新知识时感到困惑，最终放弃努力，难以达到课程教学的目标.其次，幻灯片教学也存在一定的局限性，比如，教师想展示一个传感器的结构，虽然可以通过插入视频的形式学生了解其结构，但相较于实物展示，仍然不能带来最直观的触觉感受.因此，单一的采用播放幻灯片，教师教授法的教学模式实现不了培养高素质人才的培养目标.

当然，教学方法除了讲授法，还有讨论法、直观演示法、练习法、现场教学法、自主学习法等教学方法，在合适的时机选择何种教学方法，激发学生的学习积极性与创造性，使学生更好的理解传感器教学内容，更好的掌握知识运用知识，这是高校教师应该思考的问题.

1.3课堂实验与社会实践脱节《传感器原理与应用》是一门综合实践性强的课程，大量的抽象理论需要实践才能准确理解和掌握.在教学中，理论教师和实验教师往往分别由不同的老师担任，课堂教学与实验开展不同步，常常实验开了，所涉及到的理论部分却还未讲到.另外，因为课时不足，实验教师只能将关注点放在如何让学生顺利完成实验，掌握仪器使用，了解注意事项，以及如何进行数据处理上.这样的实验教学模式造成学生在实验前“雾里看花”，实验中“照虎画猫”，实验后“眨眼就忘”，整个过程演变成机械化的追逐成绩，脱离了培养学生动手能力的实验本质.

课堂实验与社会实践脱节，首先表现在实验内容设置上，陈旧的实验项目，僵化的实验过程，不变的预期实验结果，统一模式的数据处理，种种永恒的套路，在很大程度上削弱了学生的实验兴趣，束缚了学生的主动性和创造力，不利于锻炼学生独立思考和解决问题的能力.其次，实验设置上功能单一，综合性较差，实验与实际应用脱节，导致学生缺乏思考，眼高手低.在创新大赛科技活动、实际生产中往往会遇到一点问题就变得不知所措.

另外，由于实验室条件的不足，学生在实验中不能有效的将想法付诸实践.通常一名教师需要同时指导几十名学生，无法对每一个学生作深入系统的指导，导致学生对某些知识和实验技巧理解不够深[8]，不利于学生创新能力的培养.因此在实验教学环节，要加大资源建设、创新实验项目和教学方法，比如，可以通过小组讨论与设计的方式开展综合设计类实验项目，培养学生团结协作能力和动手能力等.

1.4培养学生创新能力的方法不足创新型国家的根基在于创新型人才，目前高校本科生教学存在着培养学生创新能力的方法不足的问题.本科教学阶段，无论是课堂教学还是实验教学，往往是大班上课，一名教师同时面对数十人以上的学生，无法有针对性的对每一名学生进行系统深入的指导，更不可能为每一学生设计创新能力培养的方案.虽然有电子设计大赛等各种竞赛，但实际能参与的学生还是极少数，对学生创新能力的培养作用有限.对学生而言，从奠定理论基础、掌握实验技能，养成优良的科学素质，具备较高的创新能力，再到科研或生产中大显身手，是一个循序渐进，密不可分的过程.

目前，高校师资力量建设已取得长足进步，具有博士学位的教师占比逐年提高，大部分教师具有很高的科学素养，让本科学生深度参与教师的科研工作可以极大提升学生的创新能力.对于高校教师而言，教学与科研是两大核心任务.早在1809年，德国教育家洪堡就明确指出教学和研究之间是辩证统一、相辅相成、互相促进的关系，即教学是科研的基础，科研是教学的发展与提高.只有通过科研，教师才能形成新观点、新理论，不断提高自身学术水平；才能及时掌握学科发展最新动态，不断更新教学内容；才能对相关领域有更深理解，真正做到讲课高屋建领、深入浅出；才能养成创新思维习惯，从而在教学过程中对学生创新能力培养起到潜移默化的影响.但现实是大多数课程的实验教学和理论、科研各自局限在自己的范围内，不能有机的联系在一起.绝大多数学生基本还是局限在理论和简单的实验教学范畴内，不能深入到教师的科研领域.因此，亟待改革教学方法，把科研思维、科研方法和科研成果引入到教学中，开拓学生视野，增强科研兴趣，增加实践机会，培养学生创新能力.

总之，根据国家培育创新型人才的需要，充分利用互联网技术，开展基于混合式教学的《传感器原理与应用》课程改革，将实验教学当作理论教学和科研的桥梁，把课堂由线下延伸到线上，通过创新大赛类科技活动、创新创业项目和科研兴趣小组，将教师的科研工作和学生进行广泛、深度接轨，开拓学生视野，增加实践机会，培养学生创新意识、科学思维和探索精神.

2 改革具体措施

混合式教学理论出现后，传感器课程教学有了新的改革方向，混合式教学是一种可以将线上教育和传统的课堂教学的优势互补的一种新型教学模式[9]，它的最终目的是使大部分学生的学习深度得到提高.混合式教学改革没有统一的模式，改革是否成功的标准就是，教学是否能充分发挥线上和线下两种形式教学的优势，这就为一线教师提供了广阔的发挥空间，教师可以根据自己希望达成的目标来具体设计实施方案[10].混合式教学实施主要体现在课前丰富知识点、课中设计交互点、课后拓展实践点和结课构建评价点这四个环节[11]，根据对目前传感器课程教学存在问题的分析结果，基于混合式教学的《传感器原理与应用》课程改革措施包括以下几个方面.

2.1线上资源建设线上资源是开展混合式教学的前提，在课堂教学开始之前需要建立完备的线上资源，如图1所示.具体资源建设包括分解课程、创建课程知识点，根据知识点修改PPT课件，录制知识点微课，整理学习资料、参考文献，编排课程学习导航单，设置课前学习目标、完成知识点重难点介绍，推荐学习策略，开发学习效果检测习题，完成课程网站建设并上传所有相关资料.布置线下课堂教学前需要完成的任务，使学生在线下课堂教学开始之前对教学内容有一个大致认识，激发学生的好奇心，让学生主动去了解知识[12].对于那些相对容易理解、学习的知识点，由学生自主通过线上学习完成，尽可能让每个学生以较好的知识基础走进课堂，在课堂上教师仅仅针对重点和在线学习过程中学生遇到的共性难点问题进行讲授，从而充分提升课堂教学质量，促使学生深度学习.

图1 线上资源的组成

2.2教学实施方案传感器课程改革前计划教学54学时，其中18学时实验课， 36学时理论课.开展混合式教学改革后，学生线上学习拟设置为18学时，可根据不同专业学生实际情况，灵活调整线上、线下和实验教学学时分配，但必须保证实验课中有4学时用于小组项目实验，4学时用于小组创新实验.课程教学的实施包括以下四个环节：线上学习、线下课堂讲授、翻转课堂、线下课堂作业[13].

线上学习要求学生在课程开始前在教学平台上学习教师发布的相关资料，在规定时间之内完成学习，不理解的地方学生可以通过平台向教师提问，或与同学一起讨论问题，这样做不但有利于教师在上课之前就可以了解学生学习的难点，更好的了解学生，提前做好充分的上课准备进行重点教学，也可以提高学生的学习积极性，激发学生的学习兴趣.

线下课堂讲授拟采用50人为一班的小班教学，实验课可将理论课上课班级的人数一分为二，每次上课控制班级中人数在25人左右，更方便教师与学生沟通交流，学生提出问题，教师解答疑惑并重点讲解，教师引导学生进行课堂讨论，加深学习的深度.实验教学过程中，引导学生通过小组讨论、团结协作的方式创新实验方法，并根据实验结果改进实验，在实验过程中培养学生的创造性思维和动手能力.

翻转课堂要求教师根据课堂教学内容，将学生分成多个5～6人的小组，组织学生选择课题，引导学生运用合适的方式方法去完成.完成之后各个小组将其成果投影到全班屏幕上进行展示，引导学生课堂讨论，就教学的疑点难点与同学、教师进行讨论，教师及时点评讲解，从而提高学生的主动性，活跃课堂气氛，激发学生学习的好奇心和热情.

线上习题偏向于检查学生对课程基本知识了解和掌握程度，检查结果作为线下教学安排的依据.线下课堂作业不同于线上检测习题，线下课堂教学内容通常是课程的难点和重点知识，课后作业应侧重于引导学生深度学习，可视为课堂教学内容的延伸，作业内容可适当引入前沿的传感技术，引导学生自主搜集资料，协作完成作业,培养学生团队协作能力、发散思维和创新能力.为方便学情分析，线下作业也可在教学平台上布置，根据课后作业统计分析的结果，微调教学计划和教学方法，提高教学质量.

图2 传感器课程混合式教学的实施流程

2.3课堂实验的延展传感器技术的抽象理论和传感器的应用场景离不开实验，具体开发和建设的实验项目可以分为线上虚拟仿真实验、线下实验室课堂实验和创新设计类实验三个模块，教学计划学时按照6:8:4比例，总计18学时.对于基础性、适宜简易操作类实验，基于仿真软件开发线上虚拟仿真实验，录制上传实验操作技巧教学微视频，由学生直接在线上自学，在线完成线上仿真实验.线上虚拟仿真实验突破了时间、空间的限制，可以弥补传统教学手段和条件的不足，但是离开具体的实物实验仪器，不利于培养学生的动手能力，也不利于学生熟悉和操作各类实验仪器.开发的综合类实验项目仍然按照传统教学方式，在实验室由教师面对面直接指导完成.线下实验室课堂实验重点培训学生熟练操作各类实验仪器，实验数据的记录和分析处理，在独立或者小组协作完成实验的过程中，锻炼学生独立思考和解决问题的能力.结合教师科研工作，同时引导学生调研传感器的社会需求，开发创新设计类实验项目，也可由学生自定项目，每个实验项目由5～6人的实验小组合作完成，教师提供指导，延长开放实验室，提供必要的实验设备，鼓励学生自主探索实验方案，引导学生深度学习，培养其团队精神和创新能力.

2.4学习成绩综合评价混合式教学其中一个特点就是线上和线下教学的过程和结果都需要开展评估，都给予学生及时的学习反馈，通过相互的反馈，使教师和学生都能及时了解学生学习状态，激发学生主动学习，使教学更具有针对性，促使学生深度学习，提升教学质量.对学生线上和线下学习过程和结果评估可作为成绩评价的重要依据，避免了传统的一次期末考试定分数的评价方式，可以更真实的反映学生的学业水平.具体评价指标应多元化，适当加大平时成绩的比例，在总成绩中线上学习占比20%，只要通过对任务点的完成情况和在线测评的成绩决定；课堂表现占比10%，由上课回答问题和小组交流讨论获得，以此来激发同学们课堂活力，提高学习积极性；实验成绩占比25%，需要靠学生小组协作完成，综合程度较高；课后作业占比5%，作业由学生个人独立完成；期末考试占比40%.以此来促使学生均衡发展，强调理论课的同时不忘记对实验的重视，锻炼了学生之间团结协作的能力，整个学习评价过程不只由考试决定，而是对学生多个角度的考察得出的结果，更能反映学生学习传感器课程的效果.

图3 传感器课程教学和考核模式

3 结 语

相比 “教师讲，学生听”的传统教学和在线教学，混合式教学是一种将二者优势结合在一起的“线上”+“线下”的教学模式.将两种教学形式的有机结合，对两种教学过程和结果都开展评估并反馈给教师和学生，促使教师优化教学方案，充分发挥学生学习的主体地位，培养学生的自主学习能力，引导学生由浅到深地实现深度学习，提升课程教学质量.本文通过对高校传感器课程教学现状存在的问题分析，基于混合式教学，提出在线上线下资源建设、教学实施方案、课堂实验的延展和学习成绩综合评价四个方面对传感器课程教学进行改革.