以工程應用能力培養為目標的傳感器與檢測技術課程建設探索

徐新黎，許金山，姜娓娓

（浙江工業大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

傳感器與檢測技術是物聯網工程、測控等專業的一門重要課程，該課程包括檢測技術的基礎知識，結構型、物性型、固態等常用傳感器的結構和性能，以及溫度、壓力、流量等常用量的檢測技術。從傳感器與檢測技術課程的教學現狀來看，存在課堂教學重理論輕應用，重單元檢測電路講解輕綜合應用實例分析，課程實驗設置覆蓋面小等問題[1-2]。由于傳感器原理枯燥，傳感器測量涉及電路分析及綜合知識的應用相對抽象、不夠直觀，導致學生靈活應用傳感器的能力相對欠缺，傳感器綜合應用的設計能力更是不足[3-4]。

CDIO工程教育模式是“ 做中學” 和“基于項目的教育和學習”的集中體現[5]。基于CDIO工程教學模式理念[6]，對物聯網工程專業的傳感器與檢測技術課程從優化教學內容、改革教學模式、設計教學考核等方面進行探索。

1 教學內容優化

根據國際工程教育專業認證標準，明確傳感器與檢測技術課程的目標，以工程應用能力培養（包括分析、研究能力，實踐和設計能力，自學能力，表達能力和創新能力）為根本，使學生掌握常用傳感器的工作原理與基本結構，掌握常見機械、熱工、流量等測量及檢測技術，了解不同物聯網應用領域中傳感器的集成化、微型化、網絡化、智能化的實現方法和技術，了解低功耗傳感器的設計特點等，培養學生的系統思維。

由于傳感器與檢測技術課程內容繁多，且新的培養計劃對學時數又進行了壓縮，從原來的48學時調整為32學時。此外，傳感器原理又枯燥難懂，測量電路也晦澀復雜，導致學生通常只是對基本原理有所了解，但對知識點的印象并不深刻，更不懂傳感器在實際中怎么用[3,7]。因此根據課程的教學目標，圍繞工程應用能力培養目標，在減課時但不減教學質量的前提下，對教學內容進行調整。

1）縮減理論教學內容。

結合應用型本科院校的學生特點，理論教學內容主要包括結構型、物性型、固態等常用傳感器的結構和性能，以及溫度、壓力、流量等常用量的檢測技術。縮減檢測技術基礎知識；重點講解工程應用中的參數測量（如溫度、壓力、流量、位移、機械量等參數測量），分析各參數的測量實現方法，增強學生的實踐意識。

2）擴充應用型教學內容。

為了提升學生傳感器應用系統的分析設計能力，考慮不同物聯網應用領域中傳感器的使用方法和設計要點，每種傳感器理論學完后增加與該傳感器相關的典型應用實例進行講解。如壓電式傳感器之后配以壓電式玻璃破碎報警應用例子，紅外傳感器之后配以紅外成像測溫應用例子，超聲波傳感器之后配以移動測距定位的應用例子等。具體實例圍繞工程實際問題確定的系統設計方案、傳感器選型、測量電路設計、實驗仿真等展開。通過對應用實例進行系統、完整的分析和講解，使學生了解傳感器的使用方法和使用效果，提高學生對課程的興趣。

3）調整實踐教學項目。

針對課程實驗設置覆蓋面小、驗證性實驗偏多、綜合性創新設計性實驗偏少的現狀[1]，將實驗類型調整為設計性和綜合性兩種。考慮到實驗課時有限，設計性實驗主要是基于物聯網感知實驗箱，要求至少完成光照、溫濕度、繼電器、人體紅外、空氣質量等傳感器采集實驗中的3個實驗。以溫濕度傳感器采集實驗和人體紅外傳感器采集實驗為例，溫濕度傳感器采集實驗主要是針對溫濕度傳感器進行傳感器數據采集的過程，理解傳感器的一階響應過程，能夠通過實驗獲取傳感器的動態響應參數；人體紅外傳感器采集實驗主要針對一個開關量傳感器進行傳感器數據采集的過程，了解人體紅外傳感器工作原理以及傳感器輸出信號類型，掌握AD模塊（即數據采集模塊）的使用方法，了解AD模塊的工作機制，掌握AD數據讀取方式。對于綜合性實驗，考慮到物聯網感知實驗箱集成度高，不利于傳感器原理的分析以及檢測系統的搭建，因此引入結合單片機開發板的實驗模式，學生可以自主組隊、自主選擇傳感器類型進行傳感器綜合應用設計。綜合性實驗項目在課程學期中后期進行，要求畫出原理圖，結合開發板制作出傳感器綜合應用的作品并實現相應的檢測功能，寫出實驗總結報告。以設計性和綜合性為主的課程實驗，實現了課程理論教學與實際應用的緊密結合，激發了學生學習傳感器的興趣和熱情。

2 教學模式改革

在課時縮減的情況下，如何把原有課程內容盡可能完整地教授給學生，如何提高課程的教學效果、培養學生的積極探索和自主學習意識，這些都是當前教學亟待解決的問題。根據傳感器與檢測技術課程的特點、教學內容、教學現狀等實際情況，并結合微課、翻轉課堂、對分課堂等新型教學模式，對教學模式及教學方法等進行改革。

1）加強微視頻演示教學。

改變以往以羅列知識點為主的PPT課件，引入傳感器實物照片、原理動畫、應用視頻等內容，綜合動畫、聲音、圖形等形式，增加課件的生動性和直觀性，加深學生對傳感器的理論理解和實踐認識。結合物聯網工程實踐，以可移動可操控的智能小車為載體制作微視頻，通過紅外傳感器避障、光電傳感器巡線、超聲波傳感器在巡線中測距等把幾種傳感器的工作原理、設計方法、傳感器特性等融合。通過微視頻演示教學，教師用具體的傳感器實物及功能演示取代枯燥的理論闡述，學生可以更直觀地理解并加深對傳感器原理和應用的認識，為無線傳感器網絡、物聯網應用綜合設計等后續課程奠定基礎。

2）開展PAD課堂教學試點。

改變直接對原有課程內容開展滿堂灌的授課模式，在課時縮減的情況下，對部分教學內容開展“對分課堂”教學，即PAD課堂教學，把教學時間分為講授（Oresentation）、內化吸收（Assimilation）和討論（Discussion）[7]。以固態傳感器為例，講授環節主要是結合工程實際問題介紹磁敏、濕敏與氣敏傳感器工作原理及測量方法的重點和難點，但不覆蓋細節，然后布置課外查閱資料，完成分析固態傳感器的原理、特點、特性、實際應用等討論話題以及作業。在講授和討論兩個環節之間，學生有一周的時間來閱讀教材以及通過微視頻教學、MOOC等網絡輔助自主學習，消化和吸收課堂知識，完成相關問題與作業。在討論環節，學生針對上次的授課內容及問題，通過與作業分享自己內化的學習結果，互相答疑，并記錄問題。最后，教師集中解答匯總的疑難問題，并做課堂總結。“對分課堂”可以提高學生個性化的內化吸收，同時提升學生的學習積極性和參與意識，培養學生獨立思考及解決問題的能力。

3）強化課程綜合性實驗。

在課程學期中后期進行基于單片機開發板的綜合性實驗項目，讓學生課后分組完成，鼓勵學生自主立題、自主討論系統設計方案（包括傳感器、開發板等的選型及采購等），開展系統分析與開發，完成實驗設計報告，最后進行項目答辯及演示。教師在整個過程中給以輔導和啟發，給學生發揮的空間，充分激發和調動學生的潛在能力和積極性。項目驅動式的實踐教學是通過項目實施來實現知識到能力的橋梁，從而更好地達到教學目標。學生開展的傳感器綜合應用實驗（如人體感應智能臺燈、人體健康監測、火災監測與報警、避障小車、濕地環境監測等），很好地鍛煉了分析和解決實際問題的綜合能力，同時項目小組的團隊合作也提高了學生的團隊協作意識。

3 教學考核設計

由于傳感器與檢測技術課程知識點多且分散，通常采用筆試進行考核，導致存在考試內容重知識輕能力，考核方式單一，對學生學習過程的管控不足等問題[8]。為了加強過程性考核，克服“平時不努力，考前搞突擊”現象，對現行教學考核方式進行調整，提高過程性考核的比例，強化對傳感器工作原理分析的考核以及學生實際動手、應用能力的考核。

1）課后作業成績（10%）。

課后作業內容注意類型搭配，以基本原理題和綜合分析題為主，盡量選用加深概念、開拓思路、綜合應用及訓練基本技能的題目。教師通過學生是否獨立完成、是否步驟清楚完整、是否能正確分析理解等，對學生的課后作業情況進行成績評定。

2）討論課表現成績（20%）。

結合PAD課程討論教學，對學生在討論課上的表現進行評定。以討論金屬應變片主要特性為例，教師通過對學生正確了解哪些主要特性、是否查閱相關資料并討論分析了特性的影響和補償方法、參與討論的態度、資料采集歸類和分析處理的能力、是否主動提出應用設想、與他人合作等方面，綜合性地對該次討論表現進行成績評定。

3）課內實驗成績（20%）。

課內實驗包含設計性實驗成績（10%）和綜合性實驗成績（10%）。對于設計性傳感器實驗，教師可根據實際操作的規范性、實驗數據的合理性，以及實驗報告撰寫的內容完備性、結果分析正確性、格式規范性等方面進行定績。對于綜合性傳感器應用實驗，教師可根據學生應用設計電路的正確性與實驗情況、階段進展情況、實驗報告和實驗答辯等進行評定，重點是對學生的設計分析能力、總結能力、表達能力、團隊協作能力等進行評定。實驗答辯包括實驗報告內容匯報、實驗項目演示和問題回答等，其中教師對每個實驗項目都要提出幾個問題，主要考查學生對傳感器原理的理解程度、對所選傳感器有關特性及測量技術的掌握程度、對傳感器應用中所遇問題的分析與解決程度等。

4）期末考試成績（50%）。

期末考試試題覆蓋考試大綱，試卷內容以考查應用性知識題為主，主要對學生的傳感器工作原理分析能力、傳感器應用能力以及綜合設計能力等進行考核。

4 結 語

基于CDIO工程教學模式理念，圍繞應用型人才培養目標，對物聯網工程專業傳感器與檢測技術課程的教學內容、教學模式、教學評價等進行改革。經過課程教學實施操作，與之前教學現狀相比，教學改革取得了一定的成效：學生課堂注意力集中明顯，課堂討論氣氛逐漸活躍，學生的學習興趣明顯提高；課內實驗大部分學生基本能自主做實驗，課后綜合性實驗中學生的積極性被充分調動起來，學生理論聯系實際綜合應用能力和工程意識都大幅提高。