新工科背景下“感測技術”課程教學改革探究

黑創 李修權 張鑫 尹志豪 黃力 劉杰

摘 要：在新工科建設背景下，各大高校主動設置和發展新興工科專業，同時推動現有工科專業的改革創新也勢在必行。針對“感測技術”課程教學的研究現狀，依托電工電子國家級實驗教學示范中心（長江大學），電子信息學院提出了基于項目化的教學模式，大力探索課程教學改革的創新。通過以智能溫室大棚為例闡述了課程改革實施過程，最后學生以項目參賽取得優異的成績。實踐表明，項目化的教學改革方法提升了學生創新創業、跨學科交叉融合、自主終身學習的能力，起到創新人才培養的作用。

關鍵詞：新工科；感測技術；項目化；教學改革；創新人才培養

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”、“互聯網+”、“網絡強國”、“一帶一路”等重大國家戰略，自2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”[1]“天大行動”[2]和“北京指南”[3]，并發布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》[4]、《教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》[5]，開拓了工程教育改革的新路徑。本文以自動化專業為例，探索新工科背景下實施工程教育人才的培養“新模式”?！案袦y技術”課程是自動化專業一門重要的專業基礎課，涉及“電子測量技術”“傳感器技術”“自動檢測技術”“高等數學”“大學物理”等課程知識，具有很強的綜合性、專業性、技術性、實踐性，對于培養學生的創新意識和創新能力起著重要的引導作用。如何改革該課程的教學模式，培養學生的實踐創新能力，是長江大學電子信息學院一直探究的問題。本文以自動化專業的“感測技術”課程為例，通過項目教學法探討新工科背景下課程改革的創新，為相關工科專業課程改革提供參考。

1 “感測技術”課程教學現狀

傳感器是信息系統的源頭，是實現自動檢測和自動控制的首要環節。工業產品逐漸從自動化向智能化發展，迫使自動化專業的學生必須熟練掌握傳感器相關的知識。為了適應社會的需求，各大高校加大自動化專業的傳感器課程建設，但是課程的理論教學過程中仍存在以下幾個方面的問題[6]。

1.1 理論教學枯燥，課程內容相對滯后

傳統的理論教學通常以傳感器的基本結構、工作原理、輸出特性、測量電路為主線，分別介紹各類傳感器，過于注重原理的解釋和公式的推導。實際傳感器技術包含“設計”和“應用”兩方面，但是使用傳感器對于自動化專業的學生顯得更為關鍵。對于高校自動化的學生來說，可以不去研究傳感器內部結構的設計理論和制造工藝，而應該從“應用”的角度，了解傳感器工作的基本原理，掌握傳感器與外部的連接。同時，隨著傳感器的更新換代，物聯網和智能制造的快速發展，傳感器已經實現數字化、智能化和網絡化。而目前課程教材傳感器的選型仍是模擬的分立元件，內容相對滯后，與實際工程應用脫節。這樣對于沒有實際工程經驗和學習獨立性較差的學生而言，傳統的課程講授方式顯得十分抽象和枯燥，很難讓學生深層次的理解和綜合性應用，不利于激發學生的學習主動性和提高學生的工程實踐動手能力。

1.2 考核模式單一，評價制度不夠完善

考核、評價學生成績是教學過程的一個重要環節，當前課程的考核模式主要以考試為主（占總成績80%），以平時作業和考勤為輔。這種考核模式單一，只注重考查學生的理論知識掌握情況，并沒有對學生的實踐能力進行考核，使得學生不能靈活運用傳感器。傳統的考核方式以考試分數為主要成績評價指標，對學生的整體學習效果考核不全面，學生考試前臨時“抱佛腳”一般能應付考試，影響學生綜合能力和素質的提高。

2 “感測技術”教學改革措施

針對當前“感測技術”課程教學過程中出現的問題，教師需要對傳統教學模式提出改革，以探索實施工程教育人才培養的“新模式”。本文提出以項目化的教學理論指導“感測技術”課程的改革，在教學過程中通過項目任務下達、任務模塊分解、組間問題交流等步驟，使學生利用實踐與課程有機聯系的方式進行學習[7-8]。依據項目化的人才培養模式，將產業和技術的最新發展和行業對人才培養的最新要求作為項目為導向，更新教學內容。同時將教師的研究成果及時轉化為教學內容，向學生介紹學科研究新進展、實踐發展新經驗，這樣有效地解決了理論教學枯燥和課程內容相對滯后的問題。在期末考試試卷設計時，遵循以學生為中心的理念，加大學生選擇空間，可以考慮設計項目任務相關的開放性的題目，讓學生學會舉一反三。同時把項目實施過程也作為學生成績考核的一項指標，解決了傳統考核模式的單一性。

現以“感測技術”課程為例，詳細闡述項目化教學改革措施，其方案如表1所示，包含項目任務下達、任務模塊分解、組間問題交流、項目內容實施、項目結果調試、項目經驗交流這6部分，各部分銜接緊密，需要統籌安排才能達到預期的教學效果。在項目任務布置時需要聯系現代科技發展的趨勢，例如“互聯網+”、人工智能等，使得學生學習最新的科學技術。項目內容實施的過程中，學生需要將其他相關課程（“單片機”“C語言設計”“數字信號處理”等）的內容聯系到一起，有機地結合在一起解決問題。在項目完成后，教師針對項目實施效果和個人學習情況，采用組內自評、教師評定和答辯交流3個環節的考核辦法進行科學合理的評估。通過一系列項目的訓練，使得學生能夠通過自學或查閱相關資料，分析和研究復雜問題。在項目實施過程中，學院支持和鼓勵學生參加各類相關競賽，以賽促學，以賽促教，以賽創新，使得學生具備一定的創業意識和創新精神，具有較強的綜合實踐能力和科學研究能力。

3 項目化教學案例

隨著科技飛速發展，現代社會逐步信息化、智能化，農業也需要走向信息化的快車道。本文項目開發案例以單片機系統為核心，結合傳感器和互聯網技術，控制溫室作物生存的最佳環境，實現“互聯網+農業”設想[9-10]。

（1）項目任務下達：通過多傳感器測量溫室中的各項理化指標，各傳感節點通過網絡連接，并上傳到云平臺進行數據分析處理，反饋控制溫室的環境調控模塊使得植物可以獲得最佳的生長條件，自動化11501班35名學生選擇這個項目任務。

（2）項目模塊分解：根據項目任務需要對溫室中環境的溫濕度、光照、電導率、二氧化碳數據采集，并具有遮陽、通風、灌溉等環境調控功能，數據還需要通過網絡傳輸給PC上位機處理。因此，任務分解可為7個功能模塊：①溫濕度數據采集；②光照數據采集和遮陽功能；③土壤電導率數據采集和灌溉功能；④二氧化碳數據采集和通風功能；⑤傳感器的數據傳輸；⑥硬件與PC上位機網絡通信；⑦PC上位機軟件設計。班級根據任務模塊分為7組，每組5名同學。

（3）組間項目交流：7組成員根據每組任務要求展開調研，提出可行性研究方案如圖1所示。硬件采用STM32主控芯片和CC2530對整個傳感器進行控制，傳感器間采用ZigBee實現局域內組網，硬件使用esp8266的透傳模式實現與PC上位機的WiFi網絡通信。

（4）項目內容實施：各組成員根據任務要求對元器件進行選型，空氣溫濕度采集選用DHT11溫濕度傳感器，光照強度采集選用GY-485-44009光照傳感器，土壤電導率采集選用ST-460傳感器，二氧化碳濃度采集選用CO2傳感器，ZigBee組網選用CC2530開發板，灌溉功能選用水泵，遮陽功能選用電機和遮陽的布簾，通風功能選用12038小型軸流風機，上位機軟件設計采用LABVIEW可視化編程開發環境。指導老師根據學生列的材料清單購買電子器件，老師在課余時間不主動去干擾學生的項目實施，充分發揮學生的創造力和動手能力。

（5）項目結果調試：各小組完成相應的功能模塊后進行項目整體的聯調，實現整體項目效果如圖2—3所示。上位機軟件操作界面顯示分為3個區域，第一部分為當前溫室中實時的溫濕度等傳感器數據，第二部分為歷史數據和當前數據組成的折線圖，折線圖可以直觀地顯示出溫室中理化性質的變化情況，第三部分為圖像系統實時顯示，可以看到植物生長狀況和溫室執行相應操作的圖像。

（6）項目經驗交流：各項目組成員根據任務實施過程中遇到的問題和收獲進行交流。在項目實施過程中既能鞭策自己主動去圖書館和網絡上查閱項目相關的資料，又鍛煉了自己團隊協作能力和動手實踐能力。

本班學生以該項目參加2018年第九屆中國大學生服務外包創新創業大賽并獲得全國三等獎的榮譽。

4 結語

本文針對“感測技術”課程理論教學存在的不足，提出以技術發展更改教學內容，更新工程人才知識體系，以項目任務為學習導向，創新工程教育考核方式。以智能溫室大棚為例，筆者闡述了項目化教學方法在課程中實施的過程，并取得良好的教學效果。通過項目任務的結合、新科技的融入、教學內容的優化、考核方式的創新，能夠提高學生自主學習和創新能力，符合新工科背景下創新人才培養模式。

[參考文獻]

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[2]高等教育司.“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[EB/OL].（2017-04-18）[2019-03-01].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

[3]高等教育司.新工科建設形成“北京指南”[EB/OL].（2017-06-09）[2019-03-01].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_1485/201706/t20170610_306699.html.

[4]高等教育司.教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知：教高司函〔2017〕6號[EB/OL].（2017-02-20）[2019-03-01].http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201702/t20170223_297158.html.

[5]教育部辦公廳.教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知：教高廳函〔2017〕33號[EB/OL].（2017-06-16）[2019-03-01].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7056/201707/t20170703_308464.html.

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