“以學(xué)生為中心”的“傳感器與測試技術(shù)”課程教學(xué)實踐研究

雷慧　榮星　肖國紅

摘 要：課堂教學(xué)是傳授知識、培養(yǎng)人才最重要的環(huán)節(jié)。高等教育階段的教學(xué)要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)時代和具體課程的特點，圍繞學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的需求從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式上不斷進(jìn)行探索創(chuàng)新，形成學(xué)生喜愛、手段多樣、教學(xué)相長的教學(xué)全過程?！皞鞲衅髋c測試技術(shù)”作為機(jī)械專業(yè)一門重要的專業(yè)課，研究如何“以學(xué)生為中心”展開教學(xué)工作，不僅對本課程的教學(xué)有幫助，而且還可以將成功的經(jīng)驗拓展到其他課程的教學(xué)上，同時對其他教師也有一定啟發(fā)作用。

關(guān)鍵詞：以學(xué)生為中心 傳感器與測試技術(shù)課程 教學(xué)實踐

Research on the Teaching Practice of the “Sensor and Testing Technology” Course “Student-centered”

Lei Hui，Rong Xing，Xiao Guohong

Abstract：Classroom teaching is the most important link in imparting knowledge and cultivating talents. Teaching at the higher education stage should combine the characteristics of the Internet age and specific courses， and continue to explore and innovate in teaching content and teaching methods around the needs of students' knowledge structure， forming a whole teaching process that students love， with diverse methods， aiding teaching. "Sensor and Testing Technology" is an important professional course for mechanical majors. Studying how to "student-centered" teaching work is not only helpful to the teaching of this course， but also can extend the successful experience to the teaching of other courses. At the same time， it also has a certain enlightening effect on other teachers.

Key words：student-centered， sensor and testing technology courses， teaching practice

習(xí)近平總書記說過：“辦好高等教育，事關(guān)國家發(fā)展，事關(guān)民族未來”[1]。當(dāng)前及今后一段歷史時期，實現(xiàn)“兩個一百年”和中華民族偉大復(fù)興是全體中國人民的共同奮斗目標(biāo)。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，必須培養(yǎng)一大批各行業(yè)建設(shè)的合格人才，尤其是受過高等教育的人才，“怎樣培養(yǎng)人”是教育的關(guān)鍵問題[2]。對大學(xué)生的教育，主要是以“德智體美”的目標(biāo)培養(yǎng)他們樹立正確的“三觀”（世界觀、人生觀、價值觀），并具有一定的理論知識和實踐能力。

圍繞“怎樣培養(yǎng)人”的問題，在教學(xué)實踐上不同課程的教學(xué)方法不盡相同，但總體原則就是要“以學(xué)生為中心”，根據(jù)學(xué)生的特點合理制定教學(xué)方法?！皞鞲衅髋c測試技術(shù)”是機(jī)械工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課，實際應(yīng)用廣泛，如何開展教學(xué)工作，達(dá)到教育部工程認(rèn)證對學(xué)生在理論知識、實踐能力上的要求，是教師必須考慮的首要問題。本文從課前的教學(xué)引導(dǎo)、課堂的教學(xué)過程、課后的輔導(dǎo)答疑以及通過項目實做提高實際動手能力等環(huán)節(jié)分析了本課程的教學(xué)方式，并提出了相應(yīng)教學(xué)考核的辦法。

1 “以學(xué)生為中心”教學(xué)的總體思想

傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要是依靠教材、教輔的知識體系和課堂講授，不但傳授的知識陳舊，而且有些理論隨著相關(guān)研究的深入可能還存在不完善之處，因此課堂講授內(nèi)容需要隨著時代與科技的發(fā)展不斷更新[3]。同時，在互聯(lián)網(wǎng)時代，學(xué)生更樂于在網(wǎng)絡(luò)上獲取知識，如何將網(wǎng)絡(luò)上碎片式的知識與所講授的內(nèi)容有機(jī)結(jié)合形成完整的知識體系，是教師應(yīng)該考慮的問題?！耙詫W(xué)生為中心”的教學(xué)思想，就是要充分利用網(wǎng)絡(luò)等各種現(xiàn)有技術(shù)條件、教學(xué)方式、教學(xué)資源等，在課前、課中、課后的教學(xué)全過程中將需要講授的內(nèi)容以學(xué)生易于接受的形式傳導(dǎo)給學(xué)生[4]、[5]。

2 授課前拋出問題，吸引學(xué)生關(guān)注，啟發(fā)學(xué)生積極思考

在基礎(chǔ)教育階段，為提高教學(xué)效果，教師一般都會要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)。但在大學(xué)階段，由于學(xué)業(yè)繁重、社團(tuán)活動、書本知識的枯燥性等多種因素，學(xué)生一般很難做到課前預(yù)習(xí)。針對這種情況，教師可以在課前拋出一些與現(xiàn)實生活有聯(lián)系、學(xué)生有認(rèn)知的實例來啟發(fā)學(xué)生課前思考，使學(xué)生帶著疑問進(jìn)課堂，往往會有較好的效果。例如在“電阻應(yīng)變式傳感器”這一章，講到了如何利用電阻變化原理測量力，教師在課前可以通過班級微信群給學(xué)生提出這樣一個問題：針對貨車超載問題，如何設(shè)計一個稱重裝置使司機(jī)能隨時知道所載貨物的重量？學(xué)生帶著疑問聽課，課堂上老師就可以這個問題為背景，從電阻變化的原理出發(fā)，抽絲剝繭地將相關(guān)導(dǎo)致電阻變化的理論、如何設(shè)計應(yīng)變片、如何布置傳感器、如何獲取測量數(shù)據(jù)、如何減少誤差等問題向?qū)W生娓娓道來，這樣有預(yù)設(shè)背景的教學(xué)內(nèi)容會使學(xué)生奔著目的而來，不至于感到空洞枯燥。

3 課堂上以教學(xué)內(nèi)容為導(dǎo)向，采取不同教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[6]

“傳感器與測試技術(shù)”這門課的前面部分主要講信號與測量的基礎(chǔ)理論，后面講不同傳感器的具體應(yīng)用，兩者的教學(xué)重點難點不一樣，因此在課堂教學(xué)中要針對不同內(nèi)容采取不同的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.1 對理論知識的講解，以通俗易懂的形式進(jìn)行

在課程前面信號與測量的基礎(chǔ)理論部分，主要涉及信號處理中的一些概念和數(shù)學(xué)理論，純數(shù)學(xué)的知識點多。在教學(xué)中，很多學(xué)生對傅里葉變換的思想難以理解，通過虛冪函數(shù)由時域信號得到頻域的頻譜感到不可思議，講課時如果完全按照教材中數(shù)學(xué)推演的方法平鋪直敘，學(xué)生就覺得生澀難懂。結(jié)合傅里葉生活的時代背景、前輩科學(xué)家如歐拉、伯努利等人做出的貢獻(xiàn)講述這一數(shù)學(xué)分析工具的發(fā)展過程，學(xué)生就容易接受得多，課堂也變得生動有趣。通過學(xué)習(xí)這段知識，學(xué)生也明白了創(chuàng)新不是憑空臆想，而是需要充分的知識儲備和積累。講課過程中，適當(dāng)介紹科學(xué)家的一些生活故事，讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)家不是遙不可及的神，而是和我們普通人一樣在探索的過程中都會遇到困惑和挫折，成功從來都不是一蹴而就輕易達(dá)成的。這種教學(xué)方法不僅能加深學(xué)生對知識點的理解，也幫助學(xué)生樹立了天生我才必有用、只要努力都會有收獲的自信心，也是對學(xué)生世界觀潛移默化的影響，同時這些科學(xué)家的故事還是課程思政教學(xué)的極好素材。

3.2 對應(yīng)用知識的講解，以工程案例的形式進(jìn)行

在本課程的后續(xù)章節(jié)，主要講不同類型傳感器的工作原理及實際應(yīng)用，其中理論知識比較容易理解，重點和難點在如何應(yīng)用上。對某一種傳感器的教學(xué)可采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，讓學(xué)生自由組合分小組討論，每組5-6人，通過討論學(xué)生不僅加深了對理論知識的理解，還能夠探討在實際應(yīng)用中可能存在的問題，訓(xùn)練了學(xué)生系統(tǒng)化、工程化的思維習(xí)慣，有利于學(xué)生將所學(xué)的知識融會貫通。比如講解電容式傳感器，它的原理是通過電容值的變化來測量被測參數(shù)。影響電容變化的因素在高中階段就已經(jīng)學(xué)習(xí)，那么大學(xué)階段就應(yīng)側(cè)重于應(yīng)用方面的教學(xué)。在實際中，電容式傳感器可以用來測量液位高度、金屬板厚度、流體的壓力差等，教師設(shè)定一個應(yīng)用場景要求每組提出一個實際可行的測試方案，每組提出方案后再由全體同學(xué)討論 。比如對液位高度的測量，教師設(shè)定某企業(yè)在生產(chǎn)中需要測量水槽中水位的高度，學(xué)生在選用電容式傳感器時就要考慮根據(jù)水槽的極限液位高選定相應(yīng)型號的傳感器，還要考慮如何顯示測量結(jié)果，有時根據(jù)企業(yè)需要還要能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。由于電容式傳感器測液位高是基于極板間介電常數(shù)變化的原理，在討論中學(xué)生就發(fā)現(xiàn)測量誤差與液體屬性有關(guān)，即水槽中水質(zhì)情況會影響測量準(zhǔn)確度。如果水質(zhì)變化大，那么電容式傳感器就不一定適用了，由此教師可以適當(dāng)延伸講授一些如超聲波、光電折射式傳感器測量液位高的方法，不僅豐富了學(xué)生的思路，而且讓學(xué)生對電容式傳感器的認(rèn)識更深刻。討論結(jié)束后，部分同學(xué)還余興未盡，這時教師可鼓勵他們申報一些校級的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，將自己的思想通過具體的實際作品表達(dá)出來，學(xué)生實做出來的作品還可以作為以后課堂教學(xué)中很好的教具。這種理論與實踐緊密結(jié)合的教學(xué)方式，不僅使學(xué)生扎實地掌握了理論知識，還鍛煉了他們的實際動手能力。

4 課后形式多樣的輔導(dǎo)，夯實學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生實際工程能力

本課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生在對基本理論有一定了解的基礎(chǔ)上，掌握在實際中如何應(yīng)用，因此對學(xué)生的教學(xué)與輔導(dǎo)重點也應(yīng)體現(xiàn)在實際的項目上。在實際教學(xué)中，一般在每章結(jié)束后布置2-3道課后作業(yè)，其中1道偏向于理論，使學(xué)生鞏固所學(xué)習(xí)的理論知識，另外1-2題就偏向?qū)嶋H應(yīng)用。對這些理論作業(yè)題，可以通過班級微信群講解答疑，對實際應(yīng)用題就在下次上課時講解。對學(xué)生實做出的作品，選擇合適的時間集中進(jìn)行指導(dǎo)，這種指導(dǎo)可以當(dāng)面進(jìn)行、由教師主講，也可以通過線上指導(dǎo)，由學(xué)生做“主播”、教師做“助理”配合視頻進(jìn)行。在每次指導(dǎo)中，可安排不同的項目小組依次進(jìn)行，使大家能同時高效率地學(xué)到更多知識。比如，有學(xué)生在課后實做了一個可自動分類及報警的垃圾桶項目并申請了校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的支持。垃圾桶是日常生活中非常熟悉的生活用品，通過對熟視無睹的對象以創(chuàng)新性的思維進(jìn)行改進(jìn)，鍛煉了學(xué)生在以后如何真正地結(jié)合工作和生活實際進(jìn)行創(chuàng)新性研發(fā)的能力。本垃圾桶要求具有自動識別垃圾類型、垃圾裝滿以后自動向保潔人員報警等功能，設(shè)計目的是不僅能讓保潔人員及時清理垃圾美化環(huán)境，而且減輕他們的工作強(qiáng)度。在設(shè)計上，學(xué)生們利用圖像傳感器運用模式識別的原理對垃圾分類，然后通過機(jī)電傳動機(jī)構(gòu)將不同垃圾分別投入不同的分隔桶中。其中學(xué)生要學(xué)會如何選購合適的圖像傳感器、如何將投放的垃圾與數(shù)據(jù)庫中的垃圾圖像進(jìn)行比對，融合了數(shù)據(jù)庫、圖像識別等知識。盡管圖像識別已經(jīng)不屬于本課程的教學(xué)范圍，但學(xué)生通過自學(xué)的方式將其掌握，又鍛煉了自學(xué)的能力。在垃圾桶的機(jī)電傳動部分用到的角位移傳感器、步進(jìn)電機(jī)等機(jī)電控制知識，使學(xué)生不僅掌握了本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，而且也鞏固了本專業(yè)其他課程的知識。在項目進(jìn)行過程中，學(xué)生需要完成項目背景調(diào)查、技術(shù)路線擬定、實施進(jìn)度安排、元器件采購、項目實做、項目結(jié)題等全流程工作，不僅鍛煉了他們實際動手、進(jìn)度管理能力，而且提高了技術(shù)文件的寫作水平，還讓他們有了撰寫項目申請書的初步經(jīng)驗，對學(xué)生的綜合能力無疑有極大的提高。

一般而言，校級項目由于時間、學(xué)生的持續(xù)興趣度等多種主客觀因素影響，最后做成的作品還有諸多有待完善的地方。但學(xué)生所儲備的知識和獲得的經(jīng)驗可以為后續(xù)做更深、技術(shù)難度更高的項目打下很好的基礎(chǔ)，這時教師可鼓勵部分表現(xiàn)突出的同學(xué)參加一些高層次的設(shè)計比賽以進(jìn)一步提升自己。這些參加比賽的同學(xué)，由于學(xué)校有了相關(guān)的激勵措施，加上發(fā)自內(nèi)心的興趣，他們往往愿意花1-2個月時間專注于創(chuàng)新設(shè)計，這樣在老師的指導(dǎo)下，他們能從設(shè)計構(gòu)思到實際完成的各方面能力都得到進(jìn)一步提升。比如有學(xué)生設(shè)計出了一種智能避障小車參加全國的科普知識創(chuàng)新設(shè)計比賽，該項目比自動分類的垃圾桶技術(shù)難度更高、所涉及的知識面也更廣。該小車以Arduino 電子開源平臺為基礎(chǔ)，通過循跡方式實現(xiàn)預(yù)定的運動，要求能自動規(guī)避行進(jìn)中的各種障礙物，在實際中可應(yīng)用在物流倉儲、無人駕駛等流域。小車的循跡采用圖像傳感器，避障采用超聲波傳感器，為了避免障礙物位置過低超聲波檢測不到或小車的轉(zhuǎn)向舵機(jī)來不及控制，還增加了紅外避障模塊，從技術(shù)上而言比上述垃圾桶更有難度一些。通過做這個項目，學(xué)生不僅鞏固了超聲波傳感器、圖像傳感器知識，而且學(xué)到了在技術(shù)平臺上集成開發(fā)項目的經(jīng)驗。同時，由于比賽還要求視頻資料、現(xiàn)場答辯等，又使學(xué)生學(xué)會了如何拍攝剪輯視頻、如何演講、如何將團(tuán)隊成員合理分工等，鍛煉了本課程知識以外的能力，無疑又使學(xué)生的素質(zhì)上了一個新臺階。

5 改革課程考核方式，促進(jìn)學(xué)生注重實際能力的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的課程考核以期末閉卷考試成績?yōu)橹?，常常只能考查學(xué)生對理論知識的掌握程度，容易導(dǎo)致學(xué)生陷入死記硬背的學(xué)習(xí)誤區(qū)。改進(jìn)考核辦法，將平時成績的比重從20%提升到50%，特別是提升學(xué)生課堂表現(xiàn)的成績占比有助于提高學(xué)生上課的積極性，使學(xué)生改變了以往靠期末考試前短時間突擊復(fù)習(xí)的學(xué)習(xí)方法而更注意平時的課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、項目實做的成績，這有助于學(xué)生更注重平時的知識積累和實踐動手能力的提高。

6 結(jié)語

“以學(xué)生為中心”開展教學(xué)工作，是一項需要長期投入精力的實踐過程，要求教師具有良好的教書育人的職業(yè)精神。在教學(xué)實踐過程中，需要解決不斷出現(xiàn)的新問題。如何避免實做項目的虎頭蛇尾，需要針對不同的學(xué)生和情況提出相應(yīng)的改善辦法?！皞鞲衅髋c測試技術(shù)”這門課兼有理論與應(yīng)用兩部分的知識，在工科課程中具有一定代表性，“以學(xué)生為中心”做好本課程的教學(xué)，不僅使學(xué)生學(xué)好本課程，而且也為教師在其他課程的教學(xué)積累經(jīng)驗。教師只有在教學(xué)工作中真正做到“以學(xué)生為中心”，根據(jù)時代、技術(shù)的變化不斷與時俱進(jìn)地改進(jìn)教學(xué)方法，才能真正提高學(xué)生的綜合能力和科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)出為中國特色社會主義建設(shè)服務(wù)的高素質(zhì)人才。

基金項目：集美大學(xué)“習(xí)近平三部采訪實錄”項目（項目號XJP202016和XJP202017）。

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