傳感器與測試技術探究式課堂教學改革實踐*

◆徐惠敏

傳感器與測試技術探究式課堂教學改革實踐*

◆徐惠敏

針對傳感器與測試技術課程具有應用性強、內容多、更新快等特點，采用傳統(tǒng)課堂教學已無法適應現代工程教育需求，提出在傳感器與測試技術課堂教學過程中采用探究式課堂教學模式。通過對教學內容優(yōu)化配置，進行探究式課堂教學改革實踐，促使學生積極主動學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和協(xié)作意識。

傳感器與測試技術；探究式課堂教學；教學評價

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.114

1 前言

為適應我國企業(yè)對工程應用型人才的需求，教育部于2006年啟動了工程教育專業(yè)認證試點工作，開始構建工程教育質量監(jiān)控系統(tǒng)[1]。根據工程教育要求，各高校開始逐步推行專業(yè)課程教學改革。傳感器與測試技術課程是機械設計制造及其自動化、機電工程等本科專業(yè)的專業(yè)核心課程，具有課程內容多、更新發(fā)展快、應用性強，與工控類、電子類課程緊密相關等特點，因此，該課程教學質量特別是課堂教學質量，將直接影響其他專業(yè)課程的學習效果。

目前，傳感器與測試技術課程的課堂教學仍存在以教師為中心的傳統(tǒng)教學模式，輕視學生實踐探索活動能力，學生往往由于學習目的不明確引起學習興趣下降，學習主動性和創(chuàng)造性差，嚴重影響學生的未來發(fā)展。為了讓學生以主動的、實踐的方式進行學習，提出在傳感器與測試技術課程的課堂教學中采用探究式教學模式。該教學模式能充分激發(fā)和培養(yǎng)學生的學習興趣，轉變學生的被動學習方式，營造平等和諧的教學氛圍。

2 優(yōu)化教學內容，改革教學體系

調整教學內容，兼顧傳統(tǒng)，突出新型目前，傳感器技術與計算機技術、通信技術等被稱為當今信息技術的三大支柱，承擔信息技術的感官作用，是眾多學科相互交叉的綜合性和高新技術密集型前沿技術之一[2]。傳感器與測試技術課程涉及內容廣、知識面寬，與前期的高等數學、大學物理、電子技術、工程力學、材料科學和計算機科學等課程均有關聯(lián)，也與后續(xù)開設的數控技術、自動化控制系統(tǒng)、智能儀器、機電一體化系統(tǒng)設計等課程息息相關[2-3]。

課程內容主要由傳感器原理與應用和測試技術兩大部分組成：傳感器原理與應用部分的內容，要求在兼顧電阻式、電容式、電感式等傳統(tǒng)傳感器的基礎上，更要突出生物、數字式、微傳感器和智能傳感器等各種新型傳感器的應用；測試技術部分的內容要求既掌握傳統(tǒng)數據處理方法，又增加了數字信號處理、模糊識別、數據融合等現代信號檢測與處理內容，開拓學生的視野、激發(fā)學生的學習興趣，為培養(yǎng)創(chuàng)新性應用人才創(chuàng)造條件。課程教學內容經優(yōu)化調整后如圖1所示。

圖1 課程教學內容

傳感器與測試技術課程的總學時數為48學時，其中實驗教學8學時。由于課程學時數少，對課堂教學要求高。為結合探究式課堂教學需要，應將部分“測試技術”中的內容糅合入傳感器的原理與應用教學中。由于該課程中有不少枯燥的工作原理講解，為引發(fā)學生的學習興趣，可以結合現實生活中的傳感器與現代物聯(lián)網及無線傳感網絡，或實驗室中的工控自動化、汽車測控、機器人等多個領域的廣泛應用，設置相關的探究課題，強調學生在自主學習基礎上進行互動討論探究，培養(yǎng)學生工程應用能力、動手能力和獨立創(chuàng)新能力。

重構探究式課堂教學體系，實現高效課堂探究式課堂教學體系是指在教學過程中以現有教材為探究內容，以學生生活和實習實踐事物為參照對象，在教師主導下，學生獨立自主學習和合作討論，充分自由表達、質疑、探究、討論問題，通過小組、集體等多種釋疑活動，將所學知識應用于解決實際問題的一種新型教學體系[4]。探究式課堂教學能充分調動學生的學習積極性，促使他們自己去獲取知識、發(fā)展能力，做到自己發(fā)現問題、提出問題、分析問題、解決問題。教師作為探究式課堂教學的主導者，應根據教學內容要求，在重點特別是難點內容上，重視應用性和理論性的結合，教學和科研成果相結合，設置合理的探究情境，構建探究氛圍，推動探究開展，同時應把握探究深度。學生作為探究課堂的主體，通過大量收集材料，對設置的探究情境問題所涉及的原理進行探索、分析和研討，在教師的啟發(fā)下解決疑問，從而學會解決學習生活中和生產實際中與傳感器和測試技術有關的問題。

探究式課堂教學體系要求在教學方法上采用討論式、啟發(fā)式和項目式等多種教學法，教學過程從導入內容到應用延伸，整個過程注重由淺入深、循序漸進，同時將理論課堂教學與實踐教學相結合、課內教材與拓展材料相結合。將課堂教學與課后學生自主創(chuàng)新實踐活動相結合，提高課堂教學活動的趣味性和競爭性，吸引學生的注意力，提高學習興趣，帶領學生主動學習，在探究過程中獲取能力提升和成就感，實現高效課堂。

3 探究式課堂教學改革實踐

課堂教學是教師直接向學生傳授知識最重要的、不可或缺的教學環(huán)節(jié)，是教師與學生共同活動的“探究互動”過程。教師作為探究式課堂教學的引導者，首要任務是為學生的學習創(chuàng)設探究情境，充分調動學生的學習積極性，接下來必須營造探究氛圍，促使學生通過自己的努力獲取知識、發(fā)展能力，然后應采用多種教學法促進探究開展，把握探究深度，讓學生通過自己發(fā)現問題、提出問題、分析問題并解決問題，最后與學生一起評價探究成效。學生作為探究式課堂教學的主人，根據課堂教學和實踐的條件，明確探究目標，思考探究問題，掌握探究方法，敞開探究思路，交流探究內容，總結探究結果。

講好課程教學第一課，做好探究準備俗話說：“良好的開端是成功的一半?！本w論課是課程教學的第一課，是學生與教師第一次接觸，在整個課程的教學過程中具有非常重要的作用。在緒論課的教學過程中，最主要的是要讓學生知道“為什么學”“學什么”“如何學”“如何考核”等內容，需要教師精心準備內容，采用多種教學方法呈現出來，是考量一個教師教學能力的重要一課。

在討論“為什么學”這部分內容時，可以結合平時學生愛玩游戲這一特點，以一段“Wii健身運動游戲”的開場視頻迅速吸引學生的眼球，讓學生知道傳感器已經與人們的日常生活密不可分了；在“學什么”這部分內容，將人體測控系統(tǒng)與傳感器測試系統(tǒng)作比較，自然引出課程教學內容，讓學生知道課程各部分內容及各內容之間的關系與要求；在“如何學”這部分內容，明確提出探究式課堂教學思路及過程；在如何考核這部分內容，要明確課程的考核方式，考核成績的組成等。

一堂好的緒論課可以直接啟動學生對課程的學習動機，激發(fā)學生的學習興趣，可以起到事半功倍的效果。為了進一步發(fā)揮學生的主動性和學習興趣，可以在緒論課后先布置第一次探究小作業(yè)，讓學生分組調查手機、電冰箱、空調、汽車、智能樓宇控制、數控機床、三坐標測量儀和工業(yè)機器人等學習和生活中常見物品的傳感器應用情況，并在下次課進行討論交流。

創(chuàng)設自主探究學習情境，激發(fā)學習興趣美國教育學家杰羅姆·布魯納認為：“創(chuàng)設問題情境，能引發(fā)學生對知識產生興趣和認知的需要，激發(fā)學生自主探究的學習動機。”[5]傳統(tǒng)的課堂教學是教師滔滔不絕地講，學生死氣沉沉地聽，幾乎完全抹煞了學生的主觀能動性，影響了學生的創(chuàng)造性思維和開拓意識的發(fā)展，教學效果較差。要進行探究式課堂教學，師生應共同為進入探究式教學在知識上、心理上、物質上做準備活動。教師要選擇教學材料，掌控學生特征，準備教學材料呈現的設計和相關的教學手段；學生則應在教師指導下復習相關知識，拓展閱讀參考資料等。

實踐證明，當學生有興趣時學得最好。那么如何提高學生的學習興趣呢？在教學中，教師應努力營造良好的探究氛圍，讓學生置身于一種探究問題的情境中，以激發(fā)學生的學習欲望和興趣，從而調動學生的學習積極性。如在電阻式傳感器章節(jié)的教學過程中，以學生日常生活中常見的電子秤作為導入。準備好桿秤、彈簧秤和電子秤等多種稱量工具，要求稱量同一種重量的物品，先請幾位學生進行稱量體驗，看不同原理的秤稱出的物品重量有何不同？

稱量結果發(fā)現，電子秤稱量物品方便準確，這其中的原因是什么呢？學生針對上述現象會將三種秤的結構和稱重原理進行類比，從而進入很有吸引力的探究氛圍中，他們的情緒和思維就可以先調動起來，接下來思考電子秤所用的傳感器的敏感元件是什么？工作原理如何？

探究完這些內容后，教師要注意適時引導出下一問題：電子秤在稱物品的重量時，是否一定要將物品放在稱盤的中央才能稱量準確呢？讓學生進而去討論探究電子秤中不同彈性轉換元件，結合所學工程力學的內容進行分析，緊接著試著將應變片粘貼在雙孔型梁、等強度梁、等截面梁、S形雙彎曲梁和薄壁圓環(huán)上組成各種各樣的測力傳感器，學習不同的彈性元件上應變片的粘貼方法，最后闡述各種力傳感器的應用。

在探究式教學過程中，教師為學生學習設置探究情境，建立探究氛圍，有利于促進探究的開展，充分調動學生的學習積極性和興趣。

采用多種互動教學方法手段，訓練學生探究能力在建立了自主探究學習情境的基礎上，學生的積極性和興趣明顯提升，這時就需要教師提供嘗試機會，繼續(xù)推動學生探究能力的發(fā)展。因此，教師在設計教學內容時應盡量開放，探究過程中應采用啟發(fā)式、討論式和項目式等多種教學方法，為學生提供進一步探究的機會，把學習的主動權交還給學生，這有利于學生主動再創(chuàng)造。承接上述已經建立學習情境的電阻式傳感器，其中的測量電路—電橋部分內容主要有電橋的概念、直流電橋和交流電橋、平衡電橋和不平衡電橋、單臂電橋、半橋和全橋等，重點內容是單臂電橋、半橋和全橋的應變片的布置和輸出電壓的計算。

在這部分內容中，可結合電工學中的內容讓學生自己探究以下內容：

1）什么是電橋？直流電橋和交流電橋的區(qū)別是什么？

2）平衡電橋和不平衡電橋分別用于哪些場合？

3）直流電橋中單臂電橋、半橋和全橋中應變片的不同布置輸出電壓和靈敏度有何變化？

4）交流電橋中電容電橋、電感電橋在布置四個橋臂時，如何布置才能實現平衡？

5）交流電橋的單臂電橋、半橋和全橋中應變片的不同布置，其輸出電壓和靈敏度有何變化？

上述探究內容的難度由易到難、逐級遞增，這些內容可在教師的引導和啟發(fā)下，讓學生通過理論演算、動畫演示、團隊討論等多個環(huán)節(jié)來完成整個探究過程，讓學生真正積極主動地參與探究過程。

在探究式課堂教學過程中，應注意處理好教師引導和學生主動探究的關系。上述探究內容中處理交流電阻電容電橋或交流電阻電感電橋的輸出電壓的計算，教師需要進行適時點撥，提示需要在進行阻抗計算時，注意該類電橋平衡條件、阻抗的匹配等，否則學生會覺得無所適從。所以課堂教學過程要注意師生之間、學生之間的互動與交流，發(fā)展學生個體的交往能力及團隊合作能力。

通過教學反思，增進課堂教學效果教學反思是教師和學生對自己在課堂教學實踐過程中所做出的行為、決策以及由此產生的結果進行審視和分析的過程。一堂真實的課堂教學總是存在或多或少的遺憾與不足，這就需要教師進行科學有效的反思，在以后的教學過程中不斷進行彌補與修繕。

電阻式傳感器探究式課堂教學完成后，需要教師反思教學理念、教學方法和教學細節(jié)過程。如課堂教學過程從導入到開始探究電阻式傳感器的原理、各種力傳感器等，學生非?；钴S，但在測量電路電橋部分時，就相對安靜沉悶些，究其原因是電橋部分內容枯燥抽象、學生對電路內容較生疏等。教師通過反思可以知道本堂課的成功之處和不足之處，將探究教學反思成果及時應用于后續(xù)課堂教學。

通過課外探究專題作業(yè)，鞏固探究成果布置作業(yè)的目的是讓學生理解和鞏固所學知識，訓練運用知識解決實際問題的能力，是課堂教學的補充和延伸，直接影響學生的學習效果。為了進一步鞏固前期探究性課堂教學成果，盡可能將理論聯(lián)系實際，訓練學生運用所學知識解決實際問題能力，結合實驗實訓設備情況，針對不同的章節(jié)設置不同的課外探究專題，如電阻式傳感器章節(jié)設置應變式傳感器在衡器中的應用，電感式傳感器章節(jié)設置電渦流安全門的應用等，如圖2所示。做探究專題時需要教師引導學生合理使用網絡資源，采用小組團隊協(xié)作完成，根據完成設計任務要求情況計算成績，并計入總分。該方法有效地激發(fā)了學生的學習熱情，提升學習主動性，使學生能自主探索并解決問題。

圖2 課外探究專題

4 創(chuàng)設探究式課堂教學評價體系

為促進鞏固探究式課堂教學成果，必須創(chuàng)設有效的課堂教學評價體系。由于探究式課堂教學模式是以開發(fā)學生的創(chuàng)造潛能、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力為基本宗旨的創(chuàng)新型教學模式，要求突出學生的主動性、自主性和獨創(chuàng)性，體現學生學習的主體地位[5]。學生的總評成績由期末成績和平時成績兩部分組成，其中期末成績是通過期末考試獲得，占總成績的60%；平時成績是由課堂教學過程成績（30%）和課外探究專題作業(yè)成績（10%）組成，占總成績的40%。課堂教學過程包括理論教學和實驗教學兩部分，在探究式課堂教學過程中將理論教學和實驗教學進行交融，整體評定課堂教學過程成績。為體現課堂教學評價的公正合理，評價標準根據教學內容從教學方法手段、教師的表現和學生參與度等制定標準，建立教師評價、學生自評和學生互評的多層面評價體系。

教師評價是教師需要對學生課內外的自主參與行為、學習能力和態(tài)度、表現能力及合作精神等做出評價，占平時成績的50%；學生自評是由學生自我檢查、自我核對后作出的自我評價，占平時成績的25%；學生互評是學生對參加小組合作團隊中成員參與情況和實踐情況等進行綜合評價，占平時成績的25%，這樣就能較客觀地全面地評價每一位學生。

5 結語

將探究式課堂教學模式應用于傳感器與測試技術課程，使教學活動真正建立在學生主動探索的基礎上，有效地激發(fā)學生的求知欲望，課堂上絕大部分學生能積極主動參與教學過程，同時通過課外探究專題作業(yè)訓練，鍛煉學生的團隊管理能力、溝通能力與交流能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力，為今后的學習和工作打下良好基礎。目前，衢州學院機械工程學院的傳感器與測試技術課程的探究式教學模式已經經過兩屆本科學生的改革實踐，建立了教師與學生的互動探究機制，教學效果良好。

[1]都昌滿.對我國工程教育專業(yè)認證試點工作若干問題的思考[J].高等工程教育研究,2011(2):27-32.

[2]錢裕祿.傳感器技術及應用電路項目化教程[M].北京:北京大學出版社,2013.

[3]華亮,張齊,王勝鋒,等.提高傳感器與檢測技術課堂教學效果的研究與實踐[J].中國教育技術裝備,2013(12): 122-123.

[4]任長松.探究式學習:學生知識的自主構建[M].北京:教育科學出版社,2005.

[5]樓嫏嬛,馬曉銳.探究式教學模式下課堂教學評價的探索[J].產業(yè)與科技論壇,2011(10):214-215.

G642.0

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1671-489X(2016)02-0114-04

*項目來源：衢州學院校級課堂教學改革項目“《傳感器原理與測試技術》課堂教學改革與實踐”（項目編號：KG201209）。

作者：徐惠敏，衢州學院機械工程學院副教授，研究方向為機電一體化、電氣自動化、智能控制研究與教學（324000）。