“传感器原理与应用”课程的高阶教学实施探索与实践＊

2022-09-17李丽华杜立峰

科技与创新 2022年18期

李丽华，杜立峰

（成都锦城学院电子信息学院，四川成都 611731）

“传感器原理与应用”是物联网专业的一门专业核心课程，传感器技术作为物联网感知层的重要技术，有着广泛的应用，也是物联网的必备关键技术之一。“传感器原理与应用”课程知识点多，涉及数字电路、模拟电路、单片机和程序设计方面的内容，具有很强的实践性和综合性。同时，这门课程还是后续学习传感网技术的基础，所以学好该课程是掌握物联网技术的关键。

为了适应新工科建设需要，推进课程教学创新，开展线上、线下混合式教学模式的改革，进行智慧教育，开展高阶教学工作的探索与实践成为了近几年的工作重点[1]。在传感器的高阶教学课程中，秉承强化课程实用性和高阶性的理念，以提升学生的核心竞争力为目标，在教学实践过程中按照“一基两轴，三阶递进”的教学目标，分类框架对教学活动进行精心设计，主要从以下几个方面进行了一系列的改革，取得了较为明显的成效。

1 教学内容与工程项目相结合

教学内容与工程项目相结合，教研相长。按照“以专业带动产业、以产业影响专业”的思路，以产教融合、校企合作为突破口，与产业、企业建立深入合作关系，在课程中纳入企业实际应用的项目，对项目进行深度剖析，找到课程结合点，以此拓展，设计融入课程的理论、实践、高阶教学中，努力做到课程内容与人才培养目标和培养标准对标，同时重视工程实践、素质培养、团队协作等非认知能力的培养。此外，在条件允许的情况下，将学生带进企业参观、调研、学习、实习，学习知识的同时为企业出一份力，努力做到学校、学生、企业三方受益，形成产学研的学习闭环。

2 教学内容与比赛相结合

教学内容与比赛相结合，以赛促学、教赛相长。传统的传感器教材是以讲解各种传感器的原理为主，举例说明传感器的实际应用，学生学完后，能对传感器有宏观的认识，但是实际的传感器并没有接触到，更谈不上具体工程应用时，如何去使用。在电子设计大赛、智能车、机器人、光电设计、飞行器大赛、科技制作等比赛中，传感器都是非常重要的组成模块，如陀螺仪、红外传感器等；同时，在物联网的工程应用领域中，传感器也有着大量、大面积的使用，如温湿度传感器、光敏传感器。因此，从比赛和专业应用2方面综合考虑，将这类典型的传感器纳入课程教学内容显得非常有必要。

以专业人才培养方案为根本，结合最新的专业岗位调查，关注课程对应的岗位，如传感器技术工程师、物联网硬件工程师等具体岗位对知识、技能、素养的要求，同时兼顾对近几年学科紧密相关的比赛真题分析，确定课程的重点、难点以及高阶教学的内容。课程内容的设置来源如图1所示。

图1 课程内容的设置来源

根据课程的连贯和知识的连贯性，一般课程的开设顺序大致为程序设计类课程、电路课程、单片机课程、传感器课程和无线传感网课程，整理课程链路鱼骨，会发现传感器课程在整个物联网专业的课程体系中，起着重要的承上启下作用。

因此，在传感器课程教学中，尤其在高阶实践教学中，融入对单片机的使用，让学生做一些实物制作和软件开发，既可以加强对前面课程知识的运用，又可以让传感器的应用性体现得更加明显。比如在做课程设计的时候，就可以借以单片机平台，做一些融合性的设计。高阶内容的相关课程如图2所示。

图2 高阶内容的相关课程

3 教师从“教知识”向“教思维”提升

教学手段向高阶跟进，教师从“教知识”向“教思维”提升。将翻转课堂和线上教学相结合，利用电子产品将学生在学习过程中的主体地位发挥至最大化，并将教师从传统意义上的教学主体转变为教学辅助地位，与传统的教师在台上说，学生在台下听的教学模式相反，注重培养学生主动学习的能力以及团队协作能力。

在实际操作过程中，教师虽然身份有所转变，偏向于辅助作用，但教师的主导地位不能被弱化。首先，教师必须设置好课程安排，对翻转的内容选择要做到难易适中、紧扣教学重点内容、以兴趣或者就业为驱动力。如笔者在高阶教学题目设计上，结合物联网专业学生的行业背景，采用智慧家居作为翻转题目，分任务难度等级布置给学生，要求学生在课程即将结束时，展示自制的智慧家居作品。

在翻转任务的实施过程中，教师的监管、进度的检查必不可少[2]，尤其对于一些缺乏积极主动性的学生要及时督促，对学生之间的讨论也要注意是否有效地解决了问题；在翻转课堂上，还要求教师有较强的控场能力，能做到画龙点睛、讲解关键内容、提升课堂高度。

4 学生从“被动学习”向“主动学习”提升

学生学习向高阶跟进，学生从“被动学习”向“主动学习”提升。在高阶翻转进行的过程中，从课前、课中到课后，学生都是主角。课前接受翻转任务，按照要求观看相应视频，查阅资料，形成实物制作的方案；课中将方案交给教师检查，从功能和可行性等方面共同修订方案；课后进行实物制作，逐个功能完成再叠加，并实时与教师进行互动，掌握进度并进行难点攻关，最后在翻转课上进行实物展示汇报。高阶教学过程如图3所示。

图3 高阶教学过程

结果表明，学生在完成综合设计的过程中，充分地提升了学生查阅资料、解决实际问题、分解复杂问题、举一反三、团队合作、软硬件动手、传感器知识运用、创新等能力。在整个高阶翻转完成的过程中，培养了学生的系统性、创造性、迁移性、关联性和批判性等思维。

5 实验配备向高阶跟进

在传统的传感器课程教学中，一般采用先讲理论、再进行实验的方式，实验配套如表1所示。

表1 传统实验内容

这些实验多着重于原理，让学生掌握到传感器的功能、特性、测量原理和测量过程。在实验过程中，有一些电路连线和对示波器的常规使用，能锻炼到学生的动手能力。但是在物联网的实际工程应用中，通常使用的都是一些产品化的传感器器件，需要利用它来快速实现感知的功能，并将数据通过一些设备显示出来，单片机与传感器的联合使用是目前的主流应用。因此对传感器课程进行升级、改革势在必行。

结合专业背景和传感器的使用场景，经过改革升级了部分实验设备后，增加开设的实验内容如表2所示。

表2 高阶教学实验内容

在这些实验中，可以让传感器的功能明显地呈现出来，让学生学会数据如何采集、如何处理、如何显示。并且学会了传感器与其他的控制器件如何搭配使用，解决一些真实场景下的实际问题。

6 高阶翻转阶梯式加深，实现全员提高

采用智慧家居项目作为传感器课程的高阶翻转内容，体现了与物联网行业的紧密结合，其中包含的知识点也与竞赛及一些硬件作品的制作方法紧密结合，但是对于大二年级的学生，之前没有做过较系统的设计，所以，做这项任务是具有较大难度的。鉴于此，对大项目进行分阶段的剖析和分层次的设计，配以阶段提示和阶段检查，一步步落实高阶翻转工作，显得非常有必要。高阶分阶段教学实施步骤如图4所示。