新工科背景下“传感器原理与应用”课程教学与探讨

杨柳 胡永明

摘要“传感器原理与应用”是一门以工程应用为目标的重要课程，在新工科教育背景下，以一流应用型人才培养为目标，更注重学生实践能力和应用能力的培养，使之成为符合社会和企业需求的人才。文章首先介绍了该课程的教学现状和存在的问题，针对问题，通过改革课堂教学和实验教学等环节，激发学生的学习兴趣，使学生能够独立完成传感器应用的研发，提高学生分析问题与解决问题的能力，真正做到学以致用，知行合一。

关键词 新工科；教学改革；传感器原理与应用

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.034

随着我国经济社会的快速发展，各行各业对于人才的需求不断增大。尤其随着产业智能化、机械化程度的不断加深，现有的人才培养體系已难以满足社会和经济的发展需要。2017年，教育部提出了发展新工科的概念，先后出台了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等文件，这些内容为适应新时代背景下的工程应用型人才培养指出了方向。

传感器作为智能化工程应用的基础，是人工智能与新一代信息技术的重要内容，也是现代化工业与器械的“眼睛”。随着人工智能的发展，出现了新一代的工科专业如“智能制造”“物联网工程”“机器人工程”等，传感器作为感知外部信息的重要单元，在这些专业和工程体系中具有举足轻重的作用[1]。然而，“传感器原理与应用”这门课需要的前置课程包括“C语言编程”“计算机原理”“模拟电路”“数字电路”“信号与系统”等基础课，要求学生在前置课程交叉融合的基础上进行综合应用和实践。此外，该课程知识点多且复杂，理论学习枯燥，缺乏系统性，并且很多时候由于实验条件等限制，使该课程大部分内容仅停留在理论层面，缺乏系统的实践环节[2-3]。因此，作者探索借助多元化的教学手段来提高“传感器原理与应用”课程的有效性，满足新工科背景下的教学要求。

1课程的教学现状

目前，湖北大学（以下简称“我校”）“传感器原理与应用”课程在授课过程中主要存在以下几方面的问题：

1.1实验内容与实验器械老旧

传感器原理这一门课程以现代信息技术的三大支柱在信息系统中担任着感官的作用。传感器也随着时代的发展不断前进，正从传统的分立式向集成化、智能化、数字化和系统化的方向发展。然而，由于实验教学资源有限，导致传感器及其测试设备更新缓慢，现存的实验仪器仍是十几年前的通用传感器，对于新型传感器基本没有涉及。随着科技的快速发展，新型的传感器不断迭现，实验用传感器未能与现代工业体系下的传感器相结合，内容更新较为缓慢，导致传感器实验跟不上时代发展的步伐。

1.2传感器实验环节安排单一

实验环节通常采用教师讲解―学生分组操作―数据处理―实验报告的模式进行，尽管这些步骤在一定程度上可以让学生将理论融入实践，提高动手能力，但是，一个分组往往有好几名学生，教师在实验过程中不能兼顾每一个学生，无法保证每一个学生的实践能力都得到提高。此外，学生实验为固定性的验证性实验，实验过程往往照本宣科，无法锻炼学生发现问题、解决问题的能力。

1.3教学安排重理论、知识点分散

目前，传感器原理的大部分学时仍然安排在理论课程，实验环节课程学时较少。教学大部分仍集中在各类传感器的部分理论解释，且解释过程过于抽象，难以让学生与实际应用相互对照。此外，传感器的理论部分过于枯燥、知识点分散，该课程集中了几十种传感器，每一种都存在不同的传感原理与应用环境，缺乏系统架构与梳理流程，仅从理论解释很难引起学生的兴趣。

1.4学生实验意识缺乏、水平有待提高

一些学生对于实验的认识不足，加之实验态度不端正，未认识到实验的重要性，因此对于实验中的仪器不够爱护。此外，学生由于缺乏实验基础，实验的技能和安全意识缺乏，容易因为实验失误造成自身损伤或者仪器损伤。

2课程教学改革探索

2.1优化课程内容与安排

优化课程安排。针对该课程理论授课内容较多、实验安排较少的问题，加强实验课的学时分配，将部分理论课程的讲授放在实验环节。在实验过程中，进行理论知识的传输，利用实验的过程、仪器、场景对传感器的理论进行深入剖析，同时引导学生将理论融入实践，读万卷书不如行万里路，多思考、多动手，在实验过程中锻炼学生分析和解决问题的能力。此外，除了实验和课堂内容外，还可以开展一定学时的传感器应用环境的实际考察与探索，例如，调研油气管道、输电线路，对现行线路监测的位置、参量、传感器类型等多个方面进行考察，重点让学生了解监测的目的和意义，明白传感器实际应用的重要性，激发学生对于该课程的学习兴趣。

优化课程内容。目前本校的传感器课程主要集中在传统教学讲授过程中，讲授的传感器类型较多，原理各不相同，理解相对复杂，但是传感器部分原理相通，因此，本课程将各类传感器进行综合划分，重点讲解某一种传感器，从原理、效应、器件设计到系统规划进行充分讲授。由于学生已经在前置课程中学习了多种专业知识和基础课程，传感器这门课程的重点不再是简单的对于所有传感器理论的分析，而是转移到提高学生实际解决工程问题的能力，也是学生从学习阶段向社会就业或者研究生项目培养阶段的转变。因此，在某一类相同传感器中选择一种传感器，让学生自己进行讲解，学会自己分析、选择所需传感器，实现从理论教授到方法讲授的转变，授之以鱼不如授之以渔，进而达到触类旁通的目的。

2.2以实践为向导探索传感器实验教学的新模式

从应用实际出发，设计传感器实验新模式。多途径提升传感器实验的效果，摒弃传统的传感器验证性实验，根据课程理论的讲解和前期多门公共课和基础课的学习，探寻从理论到实践的升华。首先，打破传统验证性的实验方案，实现开放型实验架构。本课题组根据教师自己的研究内容，结合企业需求，设计不同的实验方案，在给定的应用环境下，实现传感器系统化、主动化、差异化的实验体系，真正的学以致用，如智能温室大棚、视觉机器人、智能水质管理等。以水质检测为例，本课题组结合环境水质的监测课题，设计了对于水质的多参量监测；学生需要结合水质监测的特点和参量特性，根据所学的传感器原理和参数特点，选择合适的传感器，如温度传感器、pH值传感器等。分析该传感器的具体理论、传感机理、灵敏度等具体数据，结合数据采集与处理装置，实现传感器的实际应用。这样做，学生不仅可以掌握本课程的课堂理论知识，还可以巩固相关传感器理论、数字电路、模拟电力、数字信号处理等基本知识，提高自己实际解决问题的能力。

优化实验流程。传统实验的流程一般是按照既定的验证性的试验方案，课前预习―理论讲解―动手操作―实验报告，该过程只要学生按照实验手册的步骤和流程一步步操作基本不会出现其他问题，也不存在思考与分析，对于学生的实践能力没有明显的提升。本教研组按照场景设计―理论分析―实验方案―传感器选择―电路设计―软件设计―数据采集预处理―实验后分析与探讨等几个方案进行优化，从问题出发，以解决问题为目的，让每一个学生能够依据所学知识，主动思考，针对场景选取合适的方案和处理流程，也会发现通常实践中与理论相互不匹配的问题，把抽象的理论向具体的方案转变，加深学生对于传感器的理解和认识，提高学生发现问题、解决问题的能力。

2.3开通线上线下教学―实验模式

教学过程是教师和学生不断互动的过程，只有让学生加入日常教学活动中，才可以最大限度激发学生的学习兴趣，提高学生的学习能力。对于“传感器原理与应用”这门课，由于其中聚集的知识点较多、较杂，仅仅靠课堂教学显然难以满足传感器整体知识的传授，因此，应结合现有的多种教学手段，如多媒体、慕课等手段，补充课堂学习。比如，对于光纤传感器这一传感器的讲解，其中涉及光学、光纤、信息处理等多门学科的知识，仅仅靠课堂上的讲解显然不足以将这一部分内容讲解透彻，学生听不懂，学不会，必然导致教学效果不好。本教研室将光纤传感器这一部分的大部分知识，包括光纤原理、光学信息损伤、信息处理技术等多种前置内容放到线上；在课堂上，教师布置光纤光栅传感器的学习要求，并提出具体的温度传感应用场景，学生在线上对内容进行复习、研讨，了解该传感器的原理与细节，教师抽取随机分组，由学生进行讲解、分析与应用。教师只针对学生汇报的相关知识点进行查缺，对重点难点和学生提出的问题展开讲解。通过该种方式，让学生不再局限于被动地接受知识，发挥了学生的主体作用，教学效果明显好转。

开通线上虚拟实验的混合模式。虽然经过前述的教学和实验方式的优化，可以提升学生的实践能力，但是不可否认，每一次的实践都会消耗大量的时间。此外，受限于学校的实验环境，教学实验仪器更新换代缓慢等问题，本教研室借助多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上模拟现实中传感器实际制作和操作的实例，将课程中受限于实验条件和实验时间等问题的传感器实验在网上运行，学生可以根据自己的兴趣和爱好，结合自身关心的应用环境，在线上进行虚拟实验来补充实际应用实践的不足，提高学生对于传感器原理的理解和动手能力。

2.4完善考核机制

我校的“传感器原理与应用”这门课的考核机制主要采用考试和实验报告综合评价方案，难以满足现在的应用需要，也难以体现学生的学习能力。传统的实验按部就班，实验结果千篇一律。学生在实验过程中依照实验报告进行实验步骤，能够快速完成实验和编写实验报告。然而，学生课后很少思考本次实验所用到的传感器的实验原理、实验机制、设计思路等，实验结果千篇一律，也不存在实验可能存在的误差，因此，实验分析和总结报告空洞，言之无物。教师打分也仅仅是根据实验报告和操作过程中的观察情况，不能给出一个综合的考查结果。为了提升学生对于实验的主观能动性，教师可以在实验过程中留下1―2个关键问题，让学生在实验过程中受阻，然后组织学生对于这些问题进行探讨和反思，深入了解传感器的原理以及传感器设计及系统安排中的关键点，激发学生实验的兴趣。实验结束后，不应仅仅停留在纸面的实验报告，应增加学生的讨论环节，学生对每组实验过程中遇到的问题进行深入讨论，共享实验技巧。比如，光纤传感实验过程，传统原理采用人眼进行实验刻度的读取环节，然而模糊的实验场景较难实现刻度的精确性，有的同学采用多组镜头和手机摄像结合的方式，实现了复杂数据的简单读取，提升了实验效率。最终，将这几部分的研讨和解决问题的环节纳入最终的成绩，全面反映学生处理问题和分析问题的能力。

3结论

在当前“新工科”发展的背景下，围绕培养符合国家发展战略的应用型人才为目标，建立应用型本科院校，以培养能够将成熟的技术和理论快速应用到实际生产中的技能型人才为宗旨，文章对“传感器原理及应用”这门课的教学和实验环节存在的问题进行剖析，提出采用优化课程内容、实践为导向的实验规划、线上―线下综合教学、完善考核机制等多种手段，来激发学生的学习兴趣，提升学生理论结合实践的能力，完善学生分析问题、解决问题、处理问题的能力。通过改革，传感器原理与应用取得了一定的成效，学生课堂的注意力显著提升，学生参与讨论与实验设计的能动性明显提升。通过该课程设计，进一步提升了我校对于“新工科”背景下应用型人才的培养质量。

基金项目：湖北大学教学研究项目（030017644）。

参考文献

[1]叶楠.利用多种教学手段优化传感器课程教学[J].电气电子教学学报，2020，42（1）：87-90.

[2]丁超，李刚俊，苏睿.新工科背景下“传感器原理与应用”课程教学改革初探[J].成都工业学院学报，2020（2）：105-108.

[3]王亚姣，李丽宏，彭宏丽，等.新工科背景下“传感器原理与检测技术”课程實验教学探究[J].科技创新与生产力，2019（5）：89-91，96.