MEMS傳感器及聲學超材料在海洋智能檢測課程實踐教學上的改進

張福曦，孫心怡

（上海海洋大學工程學院，上海 201306）

通過課程學習，學生可以了解國內外的海洋檢測儀器發展歷史和現狀，掌握基本的海洋智能檢測儀器設備的工作原理，以及海洋能檢測傳感器的測試及標定方法，最終能將所學的各門專業課知識融入海洋觀測技術中，并能夠根據具體的感知需求任務開展多種傳感器綜合應用的方案設計。《海洋智能檢測技術》是測控技術與儀器專業的專業必修課程，主要講授以水文氣象、營養鹽、海洋典型污染物、海洋聲學、水下機器人檢測、海洋環境立體監測網、海洋數據及信息中心等為載體的海洋智能檢測技術及儀器，以及如何應用基礎理論、基本原理解決實際問題的能力，所以該課程與生產實踐緊密結合，許多畢業生走上工作崗位后會對這門課的價值有更深的發現，甚至回校向專業課的老師請教。教師應該由主講教學轉變為引導教學，多從實際出發，教學重點應當放在基本概念、基本原理以及基礎知識應用如何分析和處理實際問題上[1-2]。

1 《海洋智能檢測技術》的性質、內容和作用

《海洋智能檢測技術》是測控技術與儀器專業的專業必修課程，該課程任務是使學生能夠基于測控技術與儀器科學原理，通過文獻研究與相關研究方法，調研與分析傳感技術、智能儀器、測控系統中復雜工程問題的解決方案。課程教學的基本內容：MEMS傳感器與海洋智能檢測、MEMS的感應機理、MEMS的微電子制造、MEMS傳感器設計的力學與電磁學基礎。海洋MEMS傳感器的校核驗證、多物理場有限元分析方法、有限元、偏微分方程與本構方程間的關系。海洋MEMS傳感器的校核驗證、使用多物理場有限元軟件在多相介質中的力、熱、聲、光、電磁等的建模與分析、溫度傳感器測量縱向溫度分布。所以理解并掌握海洋MEMS類傳感器的設計原理及相關微電子制造工藝基礎知識，能針對特定的檢測目標和要求，提供合適的設計方案，能運用現代化設計分析工具進行校核，并且培養學生科學的思維方法和創新能力以及運用基礎知識分析和解決工廠實際問題的能力，是該課程教學的重點。

2 課程設計

《海洋智能檢測技術》是一門典型的以基礎理論和實踐緊密結合為特征的學科，運用測控專業知識和技能確定設計目標，掌握測控系統的基本設計開發方法，了解影響設計目標和技術方案的各種因素。能夠基于測控技術與儀器科學原理，通過文獻研究與相關研究方法，調研與分析傳感技術、智能儀器，使學生在學習基礎理論的同時多了解工廠生產過程中工程實際問題，如何應用基本原理解釋實際問題，以及測控系統中復雜工程問題等，并且了解材料工程基礎的進展及研究前沿。這既可拓寬學生的知識、為今后進一步深造打下基礎，又大大提高學生的學習興趣是本門課程設計的重點。我系海洋智能檢測技術分理論、實驗。理論教學是實驗和實踐的基礎；實驗教學無論對于學生基礎理論的學習、基本理論的掌握，還是工程實踐能力的培養，都具有舉足輕重的作用，每一個實驗，都要激發他們的學習熱情，讓他們把基礎知識與實踐完全結合在一起[3]。

這樣安排教學內容，既突出了本課程的重點，又避免重復，力求結構完整又有一定程度的拓展創新。保證了教學質量，提高了教學效果。為學生畢業后從事相關的工作和學習打下良好基礎

3 授課方式

3.1 授課采用多種形式，引發學生興趣

傳統教學模式通常是以教師為主的知識灌輸型，教學容易陷入枯燥。為提高學生對海洋遙感的興趣，教學中采用情景式教學，經常給學生創設問題情景，注重實例教學，充分運用多媒體教學手段，師生互動，力求課堂教學多媒體化、生動性、大容量、趣味性、參與性。所以重視理論課程的直觀性，利用多媒體提高教學的形象性和生動性，學生能夠通過多媒體教學直觀的了解生產實際。有時課堂最后十分鐘鼓勵學生發表觀點，提出問題，讓其他學生參與討論，不斷的培養學生積極思考的習慣，課堂氣氛比較活躍。能將自己所研究的成果流利自如地講出來，是科研工作者所必需的素質。為此，通過讓學生在講臺上講解所學課程的內容和實驗內容，著力從演講技巧、演講膽量、演講內容等方面培養學生科研報告能力。積極參與研究，把教學研究作為提高教學質量的重要途徑，形成人人搞科研的濃厚的教科研氛圍。

通過指導監督實現課程建設過程控制。過程控制是指在課程建設的過程中對正在建設的課程進行指導和監督。過程控制中的指導作用體現在教學管理部門每月對預警系統中的各種數據進行分析，對動態指標進行跟蹤，對靜態指標進行查驗，指導課程負責人以正確的方法進行工作，提高素質，減少偏差的發生。過程控制中的監督作用體現在預警系統發出警報后，要及時判斷偏差的嚴重程度，尋找出導致偏差產生的主要原因，并提出糾正建議，監督糾正情況。

總之，對課程建設過程中的質量狀態進行監控，由末端結果檢驗或隨機性的檢查向全程實時控制轉變，可以避免隨意性和人為性，及時發現并糾正偏差，使課程建設沿著正確的方向發展，有利于學生人文精神的培養、科學素質的提高以及實踐能力的加強[4-5]。

3.2 以實例進行研究

把班級按人數（每6～8人）為一組，給每組學生不同的數據做實例，針對本課程；利用在線資源輔助學習，結合科研、工程實例進行案例式教學，部分章節采用線上學習線下研討的混合式教學。將COMSOL、MATLAB等仿真軟件引入理論與實驗教學，使抽象的理論變得生動形象，易于接受和理解；由于實驗硬件條件有限，部分實驗通過COMSOL、MATLAB仿真完成，通過將理論分析和仿真結果相比較，培養學生理論聯系實際的能力。并對數據進行分析處理，然后由老師和同學們一起進行分析。在此過程中充分發揮學生學習的主動性和能動性，培養學生獨立的思維能力，協同合作能力，以及在分析問題中解決實際問題的能力，讓學生所有所用，盡早與實際相聯系。

通過總結交流，學生普遍反映實驗教學改革效果較好，對海洋檢測知識的了解更加全面，動手能力、分析解決問題的能力也有了較大的提高，同時也強化了學生對海洋遙感的核心本質的理解。通過對這些環節的精心改革與安排，認真實施，既豐富了學生的知識面，提高了自我解決實際問題的能力，又取得了較好的教學效果。

3.3 加強實驗教學

海洋智能檢測技術的實驗教學無論對于學生基礎理論的學習、基本原理的掌握還是工程實踐的培養，都具有舉足輕重的作用，每一章的知識，我們都合理安排了實驗教學，激發起他們的學習熱情，讓學生學會本章的原理如何學以致用，如何運用于實際，而且根據該課程的基本原理在工廠實踐中的應用，讓學生不但能自己參與課程內容和課程體系的改革，提出自己的看法和觀點，同時更能促進學生積極參與科研實驗，啟發學生如何去提出問題，解決問題，在學習課本的知識的同時參與科研，善于發現問題，解決問題，提高學生學習的興趣。與時俱進的適當調整課程內容，在課程內容上靈活引入。本專業相關產業和領域的新發展和新要求，減少陳舊內容，盡可能避免課程間教學內容的簡單重復。合理確定基礎課程與專業課程、必修課程與選修課程、理論教學與實踐教學的比例，逐漸加大選修課程與實踐教學的比例，優化本科課程體系。在教學內容改革的實踐中，充分體現“內容精煉，觀點新穎”的原則，并加強各類教改項目的申報和建設工作。

支持和鼓勵教師將自己的課題研究引進課堂、靈活地融入教學中，豐富教學內容，拓展學生的視野和知識面，激發學生參與科學研究的熱情。

4 加大理論知識與應用實例結合

創新型人才的培養必須與科學研究相結合。海洋智能檢測是我校的強勢科研方向，師資力量雄厚，科研水平高；充分利用這一優質資源，發揮我校研究的優勢，有效促進教學質量的提高。

本專業在課程建設與改革上充分突出了專業的特色和先進性，與時俱進的適當調整課程內容，在課程內容上靈活引入本專業相關產業和領域的新發展和新要求，減少陳舊內容，盡可能避免課程間教學內容的簡單重復。合理確定基礎課程與專業課程、必修課程與選修課程、理論教學與實踐教學的比例，并加強各類教改項目的申報和建設工作，不斷更新教學內容。由于科技的不斷進步，海洋智能檢測技術的內容也在不斷地更新和完善，促使教師在講解分析檢測技術時要注意結合本學科前沿研究領域和最新發展動態、介紹重點科技成果增加教學信息量大大豐富和活化教學內容使學生掌握更多、更新的專業知識。教材要充分反映教學內容改革的成果，積極推進教材、教學參考資料和教學可見三位一體的立體化教材建設，選用高質量教材，自編新教材。加強教材建設，對于深化教育教學改革、培養和造就新世紀需要的創新人才起到了良好的推動作用。

海洋智能檢測技術是應用性較強的課程，需要學生掌握測試技術方法后進行實例分析。在教學過程中將課堂的理論教學與實際問題有機結合，有利于調動學生學習的積極性和創造性。通過在課堂過程中穿插分析測試實例，培養學生的思維能力、表達能力和分析解決問題的能力。加強實驗室建設，改善實驗教學條件和環境，提高實驗室整體建設水平。實驗教學的建設與管理工作，以提高實驗教學質量和培養學生創新能力為目標，按照“統籌規劃、優化整合、合理布局、資源共享、提高效益”的要求，加強基礎實驗教學平臺、專業實驗教學與創新平臺建設，逐步加大科研設備和科研實驗室等資源向學生開放的力度，創造條件使學生能夠較早進入實驗室，參與到老師的科研工作中，在具體的科研活動中培養實踐、創新能力。

5 完善課程考核方法

在材料分析測試課程的考核上采取了綜合考核方法。除了學生的期末筆試成績外，考試成績還包括課堂提問、課后作業等多種評價手段。綜合考核方式既能鍛煉學生知識綜合運用的能力，又能培養學生查閱分析信息資料、收集分析數據和撰寫科技論文的能力。通過考核方式的改革，有助于學生掌握和運用所學知識培養學生分析問題、解決問題的方法及能力，大大提高學生學習的主動性。

海洋智能檢測一門理論性和實驗性并重的科學，實驗教學占有重要的地位。實驗課要著力突出其成效性、主動性、技術性、基礎性與綜合性。因此在海洋遙感的教學中，我們從開始就注重學生動手能力的培養。學生在掌握一定的海洋學知識、遙感知識和計算機技能之后，便著手進行了一些實驗改革（尤其在實驗設計上）和帶領學生參加各種科研實踐活動，循序漸進，讓理論與實際操作緊密結合。

教學內容的豐富、教學方法的革新和教學手段的改善，提高了教學質量和教學效果，增強了學生的學習興趣，拓寬了學生的知識面，提高了他們對海洋遙感課程的學習興趣。為此，在研究生報考方向和對未來從事行業的期望上選擇遙感的越來越多。

6 加強師資隊伍建設

師資隊伍是專業建設的重要保障。改變教師管理機制，加強師資隊伍建設，建立教師培訓、交流和深造的制度；促進科研與教學的深度融合，加強教學與科研教師團隊的整合；加強教師與相關產業領域專家之間的合作與交流，積極推動教師與相關產業領域開展產學研合作，完善教師與企業共建產學研結合示范基地的長效機制，積極形成一支熱愛教學工作、教學和科研綜合水平高、業務能力強、專業結構合理、年齡結構優化的師資隊伍。

開設名家講座，使學生與在科研第一線的教師面對面討論，在導師指導下開展資料的檢索，了解學科發展的前沿。其次，大力支持教師編寫高水平、突出本專業特色教學的有關教材，將教師的課題研究和成果引入教材，促進科研與教學的深度融合。

7 結語

通過以上教學內容、教學方法和考核方式等方面的改革，加深了學生對材料分析測試的基本概念、基本理論和應用場合的理解，激發學生的學習興趣，為學習以后專業課程打下堅實基礎。使學生在完成課程的學習后，能夠針對實際問題正確選擇材料分析與測試的方法，并且能正確分析測試結果。并且具備通過自學掌握材料分析新方法、新技術的能力。