遞進式《傳感器原理及應用》課程項目化改革與實踐

郭亮

摘要：傳感器原理及應用是自動化、儀器儀表等相關理工科專業重要的專業基礎課程，對理論、實踐能力和工程意識的培養均有很高的要求，項目化教學模式的應用十分必要。本文針對剛進入專業課程學習及初次接觸項目化教學模式的高校學生，提出了傳感器課程的遞進式項目化教學方法，給出了三階段式項目遞進教學實施方案，以及階段性和綜合性過程化考核方法。實踐證明該教學法可顯著提高學生的理論學習和綜合實踐能力。

Abstract： Principle and application of sensors is an important basic course of automation， instrument and relative engineering majors. It has relatively high requirements for the training of theory， practice ability and engineering consciousness， so the applications of project-based teaching method is necessary. In this paper， a progressive project-based teaching method of sensor course is proposed for college students who have week professional foundation and no experience in project-based teaching mode. The implementation plan of three-stage progressive project teaching method and the process assessment way combined with periodical and comprehensive results are given. Practice has proved that the teaching method can significantly improve the theoretical learning ability and comprehensive practical ability.

關鍵詞：傳感器原理及應用；項目化教學；遞進式

Key words： principle and application of sensors；project-based teaching mode；progressive

中圖分類號：G423.07 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）03-0256-03

0 引言

隨著信息時代的到來，傳感器已成為獲取自然和生產領域信息的主要途徑與手段。傳感器技術已廣泛應用于工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程等生產生活的各個領域，尤其在工業生產過程中，傳感器是生產參數監視和控制的基礎部件，其性能指標直接制約著現代工業生產的發展水平。因此傳感器的原理及其應用是高等院校機電類、自動控制類、儀器儀表類、電子信息類專業學生均必須具備的專業知識。目前很多高校開設了“傳感器”系列課程，學者們也針對如何提高教學成果的問題展開了很多教學改革研究和實踐工作[1～4]。

在浙江理工大學，“傳感器原理及應用”課程同樣是機械與自動控制學院和信息學院多個專業的基礎課程，傳感器教學團隊每年授課人數超過400人，其課程的重要性可見一斑。但不同于蘇州大學[3]、江南大學[4]、山東師范大學等高校，浙江理工大學測控技術與儀器等專業中“傳感器原理及應用”被設定為基礎類課程，授課對象為初入二年級的本科生。這些學生剛接觸專業知識、工程思想薄弱，還保留了一些“被動”的學習習慣，這些特點都給基于CDIO的“項目化”教學方法的推進帶來了困難。因此教學團隊通過數年的教學探索，參考兄弟院校教學經驗，結合各專業培養目標和社會需求，提出了符合初接觸專業知識的低年級學生特點的遞進式項目化教學模式，并取得了較為良好的教學效果。

1 遞進式項目化教學的提出背景

隨著CDIO工程教育模式的推廣和專業認證的迫切要求，各高等院校紛紛加強了以學生為中心的工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力的培養。浙江理工大學“傳感器原理及應用”課程在測控技術與儀器等專業的CDIO課程體系中處于基礎地位，不僅需要在有限的課時內教授學生關于傳感器和檢測的基礎知識，還需初步建立學生的工程思想和系統意識，為后續的學習和科研起到導向作用，因此項目化教學模式的實施成為必然。但對于面向習慣“填鴨”式教學大二學生來說，項目化教學模式的忽然引入帶來的一系列課程內容多樣化、課時安排緊湊化、課外作業復雜化等問題，一時難以接受和解決。前期嘗試結果表明：項目化教學模式的推進雖旨以提高學生的學習主動性，但剛接觸專業知識的學生易顧此失彼，部分學生會因為一兩次項目化作業的延遲或失敗產生抵觸和畏難情緒。

德國教育學家戈·海納特曾說：“向學生預示結果或解決方法都會阻礙學生努力研究，因此，應該對結果遲下定論。對學生的錯誤不應看得過重。教師須明白，所有有活力的思想都有一個緩慢發展的過程。”故，浙江理工大學傳感器教學團隊依據學生的學習和思想發展過程調研結果，提出了更易于接受的遞進式項目化教學方法。根據課程的進程逐步推進行項目化教學的實施力度和難度，通過階段性初級項目和綜合性高級項目相結合，采用激勵和迫使雙重方式，以引導、討論、探究、實踐等教學模式，逐步刺激學生的學習主觀性，讓學生通過由淺入深的項目化解決進程，切身感受到學以致用的快樂，實現傳統教學方法所不能達到的效果，培養學生發現、思考、解決工程問題的能力，幫助他們樹立自信心和責任感。endprint

2 遞進式項目化教學的實施方法

遞進式項目化教學依據學生對各項目的接受、掌握和完成能力，主要分為三大階段：

2.1 以教師引導為主的初級階段

在課程開設初期，學生剛接觸傳感器相關知識，理論基礎薄弱，沒有工程應用的概念，不熟悉“傳感器原理及應用”的學習方法。因此在該階段中，以教師的教授為主，重點解決學生“為什么學”、“學什么”和“怎么學”的問題，教授學生具體的學習方法，建立他們的學習自信。該階段的教學主要內容包括：傳感器基本知識的引入、測試系統的靜動態特性以及電阻傳感器的原理及應用三大部分。

具體實施過程：先使用生活中經常接觸的或學生們比較感興趣的信號檢測系統，如溫濕度檢測、侵入式檢測、機器人位置檢測等系統為范例，介紹傳感器發展歷史，簡單的闡述模擬型傳感器的基本組成和檢測方法，引入傳感器的基本概念及檢測系統基本知識，初步建立學生對傳感器課程的認可度，解決“為什么學”的問題。

接著以傳感器產品說明書為例，講解非線性度、靈敏度、重復度等傳感器的靜動態特性的具體含義，并從學生最熟悉的滑動變阻器式傳感器入手，通過滑點位移—輸出電壓的基本原理、靈敏度、非線性誤差等特性分析及解決措施、輸入信號—滑點位移—輸出電信號的測量系統應用三大部分的講述，解決學生“學什么”的問題。

進而通過引導式教學模式，以更為復雜的應變片傳感器為例，給出學習提綱，通過傳授和提問并行的教學方式，引導學生一步步跟隨教師的步伐，通過原理分析、特性推導、測量電路及系統組成的學習步驟，掌握電阻傳感器的各主要知識點，并結合單臂電橋、雙臂電橋和全橋應變片基礎性實驗，解決“怎么學”的問題。

通過初級階段的學習，學生已經對“傳感器原理及應用”的課程的學習方法有了一定的認識，了解了傳感器的基本組成、特性和應用方法，具備了初步的實驗能力。

2.2 引入初級項目化作業的中級階段

有了初級的學習基礎，在接下來的教學中級階段中，教師逐漸擺脫主導地位，學習中逐步突出學生的主體作用，教學內容向科學發展和工程應用類逐步擴展，并通過初級項目化作業的引入，鍛煉學生“發現問題”和“分析問題”的能力。該階段的教學主要內容包括：電容傳感器、電感傳感器以及壓電傳感器的原理及應用三大部分。

具體實施過程：從電容型傳感器的課堂教學中開始，基于近似的原理、特性和應用的教學提綱，通過逐步增加課堂提問次數，引導學生進行主動性學習，逐步增加學生的自學比重，教學模式由教授式改用半教授半引導的模式，并結合測量電路，引入模擬傳感器系統的概念，通過在工程應用中各范例的介紹，初步樹立學生檢測系統的思想。通過分極型液位檢測或厚度檢測等簡單的傳感器系統設計等初級項目作業的布置，讓學生嘗試學以致用。

進而通過設計中存在的問題或工程應用、科學發展中存在的問題，引導學生展開探究式學習。在此階段中，有限的課堂時間除了傳授必要的、如渦流傳感器、壓電原理和壓電常數矩陣等較重要的知識點以外，其他輔助性內容均采用引導的模式督促學生一步步采用獨立或團隊合作的形式自學完成。更珍貴的課堂時間用于傳授學生查詢學術論文和收集資料的相關知識。

在此階段中期，通常會根據課程進展，布置新型傳感器結構及應用等資料收集等小項目作業，讓學生了解國內外發展現狀和應用需求，以鍛煉學生“發現問題”的能力。在此階段后期的壓電傳感器教學過程中，則常會要求學生通過資料收集和綜合實驗驗證完成電阻、電容、電感及壓電傳感器在壓力或位移檢測中的特性和應用領域對比性作業，并在課堂中進行討論，以鍛煉“分析問題”的能力。

通過中級階段的學習，學生已基本具備了自學以及論文等資料的收集能力，并初步具有了綜合實驗能力、分極型模擬傳感器的設計能力，以及數種傳感器的比對和選擇能力。

2.3 完成綜合式項目化作業的高級階段

在所謂的高級階段中，學生的中心性進一步加強，教學重心進一步向學生的綜合能力培養上偏移。在此階段中，課堂時間主要用于測試、討論和解惑，學生需高度調動其學習主動性，并在教師指導下完成給定的或自創的綜合類項目作業。該階段的重點在于進一步鍛煉學生的自學能力，培養學生系統觀的思想，培養他們“解決問題”的能力以及工程應用能力。該階段的學習內容為熱電傳感器、光電傳感器以及磁電傳感器的原理及應用三大部分。

具體實施過程：由于熱電傳感器等后續章節中原理、特性分析和測量電路等對應的知識點并不深奧，且學生已具備了一定的自學能力，因此從熱電傳感器部分開始，課堂中基礎知識傳授時間進一步減少，隨堂測試的比重增加，學生需借助于教學團隊制作的慕課等教學資源，在課下完成知識點的初步學習，在課堂中主要對包括如冷端補償及標準電極等定律在內的綜合性問題進行隨堂測試和解惑。

在進入高級階段后，課時已所剩不多，項目化作業不再是根據課程相關內容進行簡單的資料收集并撰寫文獻閱讀報告，綜合和創新型難度大為提升，學生在此階段需要2～3人團隊合作，集中課外時間，結合課程實驗和《傳感器及測試技術》課程設計，以壓力分布檢測、入侵系統檢測等工程應用為背景，基于國內外研究現狀，結合學過的模電和電子類課程設計知識，完成給定的或創新型的傳感器測試系統構建的工作，以鍛煉“解決工程問題”的能力。

3 考核方式

考核屬于教學活動的一部分，其目的是促進教師的教學和學生的學習，適當的閉卷考試是必需的，可以督促學生對本課程的內容進行全面的復習。但傳統的考核方式以考試分數為主要評定指標，以概念、原理、推理等知識為主要考核內容，對學生的整體學習效果考核不全面，容易使學生只重分數不重能力，期末為了應付考試而進行的應急式學習，影響了學生綜合能力和素質的提高[5]。

為了能夠督促學生能夠及時跟進遞進式項目化教學的進展，遞進式項目化教學模式中考核形式也更加多樣化。在注重掌握基本理論知識的同時，側重學生多種能力的培養和學習過程中有效學習的引導，構建了集知識（knowledge）、能力（ability）、過程（process）評價為一體的“KAP立體考核法”。由于“傳感器原理及應用”是一門理論和實踐結合十分緊密的課程，為了突出實踐的必要和重要性，考核中實驗課作為一門課程單獨打分。在理論課的考核方式上，注重形成性評價與總結性評價相結合。教學團隊對各階段課堂提問、隨堂測試及各項目化成果進行了過程評價，包括隨堂提問成績、隨堂測驗成績、階段項目作業成績以及綜合項目作業成績等在內的平時成績的比重也不斷提高，由原來的40%增至50%以上。且隨著初級階段、中級階段和高級階段的推進，項目化作業的難度和比重也逐步遞增，其中以項目化成果得分權重最高，其整體占綜合評價得分的60%左右。這雖增加了教師的工作量，但學生的積極性得到了有效的促進。

4 結束語

遞進式項目化教學開展以來，同學們自學能力、文獻收集及整理能力、項目化成果水平顯著提高。相同評價指標下，文獻收集及資料對比項目的優秀率由原來的10%提高到30%，最終的綜合型項目化作業中自創性項目由過去的20%提高到37%。同學們對綜合實驗、創新型實驗開發的興趣也明顯提升。考核中設計題和對比分析題的得分也有所提高。

不可否認的是由于課堂教學中基礎知識傳授所占用的比例逐步減低，學生的自學比重的增加使得新授課模式與傳統授課式教學模式相比，期末考試中學生在基礎知識方面的平均得分略有下降。因此豐富習題庫和課程資源，開發更利于師生互動的在線開發課程網絡平臺將是浙江理工大學教學團隊接下來的主要工作。

參考文獻：

[1]閆鈞華，杭誼青.實踐論下的理論與實驗相融合模式研究——以《多傳感器信息融合技術》課程為例[J].價值工程，2015（5）：225-228.

[2]凌紅英.基于新課標的《傳感器技術》課程改革探索[J].價值工程，2010，29（36）：265-266.

[3]林紅，曲波，黎穗瓊.基于翻轉課堂的傳感器原理教學探討[J].教育教學論壇，2017（2）：166-167.

[4]朱啟兵.面向工程應用能力培養的《傳感器與檢測技術》教學改革[J].貴州師范學院學報，2013，29（3）：27-30.

[5]潘承怡，段鐵群，解寶成.“創新設計方法”課程考核方式改革[J].黑龍江教育：高教研究與評估版，2016（3）：38-39.endprint