基于工匠精神培育的传感器原理与应用课程验证型实验教学改革探索

摘 要 针对应用型本科高校传感器原理与应用课程实验教学以验证型实验项目为主的现状，提出基于工匠精神培育，对每个验证型实验项目重新审视和赋能，从纵向上增加每项实验的精确度测量内容和软硬件改进要求，从横向上增强项目间的有机联系和融合，从而充分挖掘现有课程实验平台的潜力。实践结果表明，改进后的验证型实验教学极大地拓展了学生的知识面和视野，增强了学生学习的主动性，为学生后续开展设计型实验、创新型实验以及专业综合实践、毕业设计奠定了良好的能力和心理基础。

关键词 传感器原理与应用；验证型实验；实验教学；工匠精神

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）19-00-04

0 引言

传感器技术是一种定量认知自然现象的不可缺少的技术手段，作为21世纪现代信息技术的重要支柱之一，已经成为高校仪器科学与技术、电子信息、自动化、物联网、人工智能等相关专业的基础课。由于传感器技术课程涉及内容广泛，实践性强，不容易取得好的教学效果，因此传感器技术类课程的教学改革一直是相关一线教师与教育工作者探索和关注的焦点[1-2]。经过多年的教学改革探索与实践，国内传感器技术类课程的理论教学部分已经比较成熟，各大工科名校纷纷在中国大学慕课、学堂在线等网络教学平台上推出传感器技术相关的视频课程，教学团队成员一般由国家级或省级教学名师领衔，为其他高校的传感器技术类课程教学提供了指导和借鉴。由于网络及其他相关技术条件的限制，传感器原理与应用课程的实验教学需要由各高校根据实际情况来设计与实施，而该课程的实验教学对学生直接掌握传感器特性和了解实际应用是非常重要的。

目前，传感器原理与应用课程的教学实验主要包括验证型实验、综合型实验和设计型实验。学术型本科高校多以综合型实验和设计型实验为主，验证型实验为辅；而应用型本科高校则多以验证型实验为主，综合型实验和设计型实验为辅[3-4]。由于人们认识上存在误区和受中小学实验教学思维惯性影响，将验证型实验简单地看作是在传感器实验台或实验箱上按照实验指导书机械简单地连几根导线，得到几个测量数据。这种思维认知和做法忽略了学生的创新思考，违背了验证型实验的初衷。验证型实验的重要作用是在理论知识指导下，通过严谨的实验操作、准确的实验结果与条理性的实验报告，内化传感器原理、测量机理和应用过程，培养学生扎实的基本技能和学科素质。能否做好课程验证型实验是学生开展综合型实验、设计型实验、专业综合实践、毕业实习和毕业设计的前提和基础。

应用型本科高校是我国本科高校最大群体，在大力推进高质量高等教育体系建设背景下，其发展速度影响着高等教育发展的整体速度，其教育水平影响着高等教育的整体水平。针对应用型本科高校传感器原理与应用课程的教学实验以验证型实验为主的现状，本文以广州商学院为例，提出以工匠精神为指导，对验证型实验的每个实验项目重新审视，在不增加硬件平台（经费）的情况下，增加项目的理论厚度、内容维度和项目间的有机联系，使验证型实验对学生的能力培养发挥最大限度的提高和促进作用。

1 传感器原理与应用课程验证型实验教学

存在的问题

广州商学院是一所地方应用型本科高校，传感器技术类课程之一的传感器原理与应用是人工智能专业、物联网工程专业学生的一门重要专业基础课。该课程实验教学采用SET-N型传感器实验仪，这种仪器是把多种传感器、电源、处理电路、显示仪表集于一体，组成了一个完整的测量系统。课程教学团队结合历年的实践经验，总结了该课程实验教学过程中存在的一些问题。

1.1 实验指导书简单

SET-N型传感器实验仪提供了配套的实验指导书，每个实验都列出了实验目的、实验原理、实验步骤、实验数据记录表格和实验注意事项。学生根据实验指导书列出的步骤对涉及的模块进行接线、上电、观察、记录实验数据等操作，然后在该实验项目的电子版中填写实验数据就算完成实验。如果实验指导书过于简单，没有深度，是很难让学生在实验过程中深入思考，并提高他们分析与解决问题的能力。

1.2 教学方式陈旧

教师提前准备好实验项目的PPT，主要内容有本次实验的目的、原理、步骤和数据处理的方法，有的教师甚至在PPT上给出实验的接线图，学生只要参照连接就可以完成实验。这种教学方式除了让学生走过场似地完成实验外，对学生的动手能力和思维能力几乎没有任何提高。

1.3 实验过程机械

SET-N型传感器实验仪将多种传感器、接口电路、调理电路等进行了内部封装，对学生的开放程度较低，因此，学生对所用传感器、接口电路的原理及设计方法不够了解，他们也只能在上面通过接线、旋钮和观察记录来完成实验相关操作，很难达到与理论结合的目的。这种“名副其实”的以验证型为主的实验教学不利于培养学生的实验兴趣，也不利于培养学生的综合实践能力和创新能力。

1.4 实验考核片面

由于每次实验学生人数比较多，且实验主要以连线为主，学生之间互相“借鉴”现象比较严重，教师无法鉴定每位学生在课堂上的表现，只能通过实验报告来给学生评定分数。而实验报告仅体现了实验的最终结果，无法体现实验操作的准确性和熟练程度，可能会出现认真预习和完成实验的学生的分数还不如抄袭别人实验数据甚至实验报告的学生的分数高，严重影响了学生的学习主动性和积极性。

2 基于工匠精神培育的验证型实验教学改

革与实践

工匠精神，是指来源于匠人（手工业劳动者）在精工细作的生产方式中凝练升华的精神理念，逐渐推广至所有从业人员在工作过程中的职业价值取向和行为表现，以及对职业的态度和精神理念[5]。随着时代的变迁，工匠精神渐渐演变为一种努力去发现问题，并且通过亲身实践来解决问题的文化，显示出更强的现代性表征[6]。工匠精神生长于企业，却萌芽于教育，因此对于应用型地方本科高校来说，大力弘扬工匠精神，注重学生对知识的融会贯通能力和实验操作技能的培养和提高，训练学生精益求精、细致观察、综合分析判断的能力，培养各行各业的“大国工匠”已成为时代使命。

针对传感器原理与应用课程实验教学的现状，需要教学团队的教师以工匠精神为指导，以现有实验平台为基础，对验证型实验的每个实验项目重新审视，增加项目的理论厚度、内容维度和项目间的有机联系，重新编写实验指导书，改革教学方式、实验过程和考核方式，使验证型实验对学生的能力培养发挥积极的促进作用。

2.1 增加实验指导书要求难度

实验指导书是实验教学的指南，应将其置于与用于课程理论教学的教材同等的地位。笔者认为，传感器原理与应用课程实验教学中出现的主要问题都与对实验指导书的重视程度不够有关。或者说，实验指导书决定了实验的层次和质量。SET-N型传感器实验仪配套的实验指导书只是简单说明了该试验仪可以做哪些实验、怎么操作，实验教学教师必须在此基础上，根据实验仪的配置（传感器、接口电路和显示电路），重新编写实验指导书。新编写的实验指导书的实验项目名称和扩展要求如表1所示。

2.2 以启发式教学为主

随着实验难度的提升，学生实验前必须对相关理论知识进行学习或预习。比如，根据表1中金属箔式应变片实验的扩展要求，学生不仅需要熟悉金属箔式应变片、接口电路和测量电路的工作原理，还必须掌握误差、测量不确定度、数据处理等相关知识和概念，熟悉MATLAB软件的使用。

由于学生做了充分的实验准备，教师在实验课中只要强调本次实验的目的和注意事项即可，没必要像以前那样进行实验过程的演示，但对学生预习过程中弄不清楚的问题和实验过程中出现的问题，要及时给予启发式的指导。

对学生按期刊论文标准交上来的实验报告，每次评选10%左右的优秀实验报告，并让这些学生在课堂上介绍实验心得体会，总结优缺点，促进全班学生共同进步。

2.3 实验操作与理论思考结合

在实验指导书和教师的指导下，学生不再认为传感器原理与应用课程实验就是连几根线和记录几个数据，他们在实验操作时充满了探索和思考。还以金属箔式应变片实验为例，学生的实验操作和思考过程如下。

1）初步验证阶段。通过直流激励金属箔式应变片半桥实验，获得感性认识。

2）提高性能阶段。为了提高检测系统的性能，此时学生开始思索两个问题：一是前一阶段的检测系统有什么优缺点？二是如何改进？本阶段的实验内容为直流激励全桥金属箔式应变片实验。

3）更高性能阶段。与第二阶段一样，还是思考同样的两个问题，学生可能会觉得越来越难，可能需要新的测量算法或理论。带着这样的期盼，本阶段的实验内容为交流激励全桥金属箔式应变片实验，同时引入相敏检波这个传感器检测系统中常用的经典电路。

4）超高性能阶段。与第三阶段一样，还是思考同样的两个问题，学生会觉得几乎不可能了。这时，系统改进的角度确实变了，就需要给学生讲清楚，由于检测电路中所用的元器件性能不一样，若仔细选择性能优异的元器件，还是可以提高检测电路的性能的。

2.4 实验报告以期刊论文格式为标准

以前的实验报告，学生只要在下发的实验指导书电子版相关实验上面填上记录的数据，简单地画张图就算完成本次的实验任务。笔者对此进行了改革，要求学生按照期刊论文格式撰写实验报告，也就是每篇实验报告必须有中英文题目、作者、中英文摘要、正文、致谢、附录、参考文献等期刊论文必备的要素，锻炼学生在结构严谨规范、思维系统完整、表达清晰准确以及分析清晰合理等方面的能力。

通过上述对验证型实验教学方法的改进，学生在追求提高动手能力的同时，还伴随着思维能力的提升，其收获感、幸福感都溢于言表，个人的学习境界得到了很大提升。甚至还有学生为了获得“超高性能”，将交流激励全桥金属箔式应变片实验的输出信号连接到他们刚学到的ARM微控制器上，通过数字补偿技术和数字信号处理技术来实现系统性能的更大提升。还有部分比较优秀的学生在这些实验的基础上成功申请到了国家、省和学校的大学生创新创业训练计划项目，并参加了各种校级和省级大赛，因此传感器原理与应用这门课程也被学生誉为双创大赛的“孵化器”。

3 结束语

学生的实践能力培养是课程教学的重中之重，实验教学可以培养学生严谨的工作作风、实事求是的态度，提高学生精密设计、细致观察、综合分析判断的能力，这些都是新时代工匠精神的内在要求。通过基于工匠精神培育的传感器原理与应用课程的验证型实验教学实践，学生的理论水平、知识融会贯通能力、实践操作能力和职业素养都得到了显著提升，也极大地提高了学生学习的自主性和积极性，为学生后期参加创新创业大赛、参与教师科研、撰写科技论文与报告以及进一步深造打下了坚实的基础。同时，在本课程的教学改革实践过程中，教师的研究能力和业务水平也得到了提升，真正实现了教学相长，这对于提升应用型本科高校的专业人才培养质量具有极其重要的意义和作用。

4 参考文献

[1] 孙红鸽，臧义，曹毅.工程教育背景下传感器实验教学模式改革探讨[J].实验室科学，2019，22（1）：100-103，108.

[2] 金莹，胡青，吴子春.基于传感器实验教学的线上线下一体化教学模式改革[J].黑龙江教育（理论与实践），2022（1）：79-80.

[3] 蒲贤洁，吴小志，胡陈果.自供能摩擦电传感器研究性实验设计[J].实验室研究与探索，2022，41（9）：170-173.

[4] 田有，李洪丽.基于科研融入实践教学的学生创新能力培养[J].实验室研究与探索，2023，42（3）：177-180，294.

[5] 陈道雷.新时代背景下工匠精神的哲学意蕴与当代价值[J].中国多媒体与网络教学学报，2021（6）：119-121.

[6] 邓旭升，何向东.应用型本科院校培育“工匠精神”的当代诉求、哲学维度及路径探索[J].教育探索，2017（5）：54-58.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.0

*项目来源：2022年广东省普通高校特色创新项目“非接触式电场耦合电压传感技术研究”（基金编号：2022KTSCX163）。

作者简介：刘国福，通信作者，博士，正高级工程师；梁建军，讲师。