基于網絡時代下傳感器原理與應用課程教學改革研究

賴健瓊，陳亮

(1.西南財經大學天府學院智能科技學院，四川綿陽621000；2.綿陽城市學院信息與控制工程學院，四川綿陽621000)

1 引言

以智能化與信息化為特征的第四次工業革命給人類帶來深刻變革，“物聯網”“大數據”“機器學習”“深度學習”“人工智能”等熱詞逐漸進入人們的視野，如何應用信息物理系統實現智能化生產成為時代主流[1]。在人們什么都追求智能化的時代，硬件和軟件是相互依存的。在物物互聯的技術鏈中，各種設備的數據采集都離不開傳感器，成千上萬的傳感器會有大批數據出現，大量數據為數據挖掘、機器學習和深度學習提供數據源，成為這些技術的助推劑，這些技術的目的就是實現人工智能，而人工智能的最終目的是讓人們的生活更加智能化，智能化的生活又離不開各種各樣的傳感器[2-3]。由此可以看出，傳感器技術在萬物互聯中起著關鍵作用。

2 課程教學現狀

傳感器原理與應用是機電類和計算機類專業的核心課程。因此傳感器原理與應用課程在整個教學課程體系中起著舉足輕重的作用。傳感器原理與應用這門課程具有章節內容相對獨立、應用性強、實踐性強和綜合性強等特點[4]。不過，傳統的教學模式存在許多不足之處，主要體現在兩大方面：第一方面就是理論教學，主要采用的是以課堂教授為主，學生被動接受知識的灌輸，參與度不夠，課堂氣氛容易冷場，很難激發學生的積極性；第二就是實驗實操方面，大多都是按照教學內容開展少量驗證型實驗，這些實驗沒有很好地貼近學生的實際生活，這就很難讓學生產生興趣。因此，教與學都正面臨很大的挑戰。

2.1 學生學習現狀

1)獨立院校學生生源特點

獨立院校的學生大多具有“三高一低”的特點，即城鎮生源居多，獨生子女多，家庭條件優越者多，入學成績低[5]。城鎮學生大多都具有思維活躍、見多識廣、接觸新鮮事物較快的優點，但是也具有對學習專業知識熱情不高和主動意識差的缺點；獨生子女容易以自我為中心，自律意識差和沒有團隊意識等特點；家庭條件優越的學生具有自理能力、感恩意識差等特點；學生入學成績相對較低，一部分學生認為高考成績差強人意，希望通過自己的努力可以考上研究生改變現狀，相反有大部分的學生仍然處在游離狀態，沒有明確的目標和主動學習的意識，整天沉溺于游戲而虛度時光。除此之外，還有部分學生來自農村、不是獨生子女且家境困難和高考失利進入獨立院校的學生思想問題，家境貧寒的學生與家庭條件優越的學生容易形成明顯反差，使得學生產生自卑、破罐子破摔、自暴自棄等心理問題。

2)被動式學習和畏難情緒

很多大學生在課程學習的認真度和專注度明顯降低[6]。大部分學生對很多專業課程的學習提不起興趣，缺乏主動性。一遇見問題就會產生畏難情緒，就只會找各種借口，很少反思自己，從而造成課程學習進度滯后，甚至是停滯不前。還有部分學生還未從高中的教學模式中扭轉過來，還是習慣于在老師的監督下學習，還是重結果輕過程，還處于一種應試教育模式。比如理論學習，唯分數論高低；實驗學習，只會“依葫蘆畫瓢”；長此以往，學生在學習的過程中缺乏主觀能動性，導致學生仍處于一種被動盲目的學習狀態[5]。

3)網絡原住民和多元化的學習環境

網絡原住民是指一出生就面臨這個無處不在的網絡世界的新時代的年輕人[7-8]。對于80后甚至是90后來說，網絡是一種工具。但是對于零零后來說，網絡就是他們的世界。新時代的大學生的一切活動都與網絡息息相關，如各種社交、學習和娛樂活動都依賴于網絡。網絡對學生來說是一把“雙刃劍”，用好了似如虎添翼，用反了就會得不償失。不僅如此，隨著手機App的迅速發展，有的學生刷抖音、拍娛樂短視頻可以占據自己大量的時間，根本經不起來自網絡的各種誘惑。除此之外，現在的學生擁有多元化的學習環境，獲取知識的來源也變得多樣化起來。從而使得學生獲取知識的途徑不再是僅僅來源于教師教授，而是開放性的、無邊界的和多方位的。因此，如何抵御手機各種與學習無關的App誘惑，如何在豐富多彩且多樣化的知識海洋中獲取適合自己的知識，這對學生來說是一個挑戰。

2.2 教師教學現狀

1)灌輸式教學

在傳統的教育模式里，滿堂灌、死記硬背、反復訓練繁雜的解題技巧等，這都是應試教育帶來的必然結果。在“傳感器原理與應用”課堂教學中，有的學生忙于記筆記，不肯放過教師課件上的蛛絲馬跡，有的學生則是書本整潔如新，走向另一個極端。教師表面上講得神采飛揚，實則學生的思緒并沒有完全同教師的講述形成共振。在這種教學模式下學生更多的是被動接受，教學過程依然是教師為主，學生為輔，學生機械地記憶，缺少思考和理解性的學習。在課堂提問環節容易冷場，有的學生一頭霧水，有的則敷衍應對、照本宣科，缺少自己的思想和見地。從學生對課程的自評結果來看，更多的學生表示課堂發言是一個薄弱環節，主動學習的動力不足，有待提高[9]。

2)重理論輕實踐

目前，大多數學校的傳感器原理與應用這門課程還是以“教師為主體”，花極大部分的課時講授理論，花少部分的課時用于實踐。不僅如此，很多時候實驗內容還在停留于原理性驗證實驗，內容陳舊，并且枯燥乏味，很難調動學生的積極性，從而導致理論聯系實際成為一句空話。

3)產教脫節

在文獻[10]中提到“人才培養供給側和產業需求側在結構、質量、水平上還不能完全適應，‘兩張皮’問題仍然存在”。也就是說，從全局來看，就是指現在高校現在的人才培養方式和企業實際需求還是脫節狀態[10]；從局部來看，就是傳感器原理與應用課程的實踐內容比較陳舊，和新興傳感器技術存在脫節現象，因此會造成高校培養的人才和企業需求的人才不對等的現象。

因此，如何根據課程的特點，順應時代的發展，探索出一套著實有效的教學方法，實現具備創新意識、實踐能力的應用型人才的培養目標，是一件迫在眉睫的事情。鑒于此，提出一種“一體兩翼三課四評五檢”的混合教學模式。

3 課程教學改革

所有的課程改革均離不開學生，目的就是通過各種課程改革將學生培養成適合社會需求的應用型人才。古人云：“知己知彼，方能百戰百勝”。為了達成此目的，通過不斷地摸索和總結提出了“一體兩翼三課四評五檢”的混合式教學模式。“一體”是指“以學生為主體”[13-12]，“兩翼”是指“教師端”和“學生端”，“三課”是指教學過程實施分“課前、課中和課后”，“四評”是指教學效果評價有“學生自評、同行評價、教學督導評價和教師自評”，“五檢”是指教學考核包括“課前檢測、隨堂檢測、課后檢測、期中檢測和期末檢測”。

3.1 學生學習現狀的調整

改變學生的學習狀態，應該從多方面入手。首先是學習心態。不管是屬于城鎮子女或農村子女、獨生子女或非獨生子女、家庭條件優渥還是貧困中的哪一類學生，都應該擁有一個積極向上的心態。因此，教師的課堂教學策略和方法就顯得非常重要，在教學過程中，應該對學生進行賞識教育和因材施教，根據不同基礎的學生群體適當地改變自己的教學策略，不能一概而論。恰當的教學策略不僅可以使自己的課堂生動形象，還能滿足學生的心理指導；其次是學習狀態。教師在授課的過程中應該以學生為核心，投入更多的情感，并且以平等的身份對待學生，引導學生在課堂中積極參與討論、主動思考、主動提問，讓學生能夠享受主動學習帶來的樂趣。不僅如此，將教授的課程中的內容與實際生活相聯系，例如，小區樓道的自動感應燈、商場廁所的自動感應烘干器、家用空調、家用熱水器等。在課堂教授過程中，利用學生感興趣的知識點作為課題的切入點，引導學生主動學習，長此以往可以將學生從被動式學習向主動式學習轉變[14]；最后就是正確地獲取學習資源。在互聯網普及的時代，學習資源豐富多彩，如何正確獲取有用資源是非常重要的。俗話說，方法對了會事半功倍，反之會得不償失。因此，在上第一次課的時候，就應該告訴學生在哪里可以獲取適合學生的參考資料、使用什么教學平臺、答疑時間地點等，這樣讓學生少做無用功，提高學習效率。

3.2 課程教學項目的設計

根據傳感器原理與應用這門課程具有綜合型、實踐性強和知識點相對獨立的特點，課程教學采用項目驅動式教學。項目驅動式教學成功執行的先決條件就是項目的合理設計。教學項目的設計應該以企業需求為原型，以教學內容為依據，能夠體現課程容的重難點為目的，以實現生活智能化為最終目標。因此，需要合理地設計項目內容，把握好項目內容的重難點，使學生能夠系統地掌握知識。本課程的教學項目的設計主要用先分后總的設計思路，將智能家居系統拆分成多個子系統，根據教學計劃、分課時和分階段地進行。本課程主要設計了八個仿真項目實驗和八個實操項目實驗。這十六個實驗的類型包括驗證型、設計型、綜合型和創新型四種，四種實驗的關系是有了理論基礎，在進行驗證型實驗；在驗證型實驗的基礎上進行設計，在設計型實驗的基礎上進行綜合型實驗，在綜合型實驗的基礎上進行創新并完成創新實驗，基本路線就是理論基礎→驗證型→設計型→綜合型→創新型[15]。根據該設計思想，設計的傳感器原理課程教學項目如表1和表2所示。

1)仿真實驗項目設計

仿真實驗主要是選用Proteus和Keil兩個軟件配合使用，利用Proteus軟件設計硬件電路仿真圖，利用Keil軟件編寫程序代碼。傳感器檢測的內容主要包括溫度、濕度、光照度、氣體濃度、位移、壓力和加速度等。例如，對壓力的測量，首先設計一個應變片測量電橋性能測試實驗，先給學生講解惠更斯平衡電橋的原理，然后進行電路分析，接著分別進行單臂半橋、雙臂半橋和四臂全橋三種工作方式進行靈敏度的分析和探討，最終比較三者的優缺點等，進行最終的評述。緊接著又設計一個數字式電子秤系統設計實驗，讓學生在理解了四臂全橋的理論知識的基礎上來完成該實驗，這樣不但能夠讓學生對理論知識的理解得到升華，還能讓學生將學習的理論運用到實踐中，從而達到理論聯系實際的目的。根據這一設計思路，傳感器原理與應用課程仿真實驗項目設計如表1所示。

表1 傳感器原理與應用課程仿真項目設計

2)實操實驗項目設計

實操實驗主要是以傳感器原理與應用實驗平臺作為支撐。傳感器檢測的內容主要包括溫度、濕度、光照度、氣體濃度、位移、壓力和加速度等。例如，對溫度的測量，首先設計一個Pt100 鉑熱電阻溫度特性測試實驗，先給學生講解鉑電阻的原理，然后進行測量轉化電路分析，接著讓學生準備一個數字式萬用表、一個溫度計和一個裝滿熱水的玻璃瓶，將鉑電阻的測量端放在玻璃瓶下，并利用溫度計和數字萬用表觀察鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的現象，且記錄相應的實驗數據，最后繪制鉑電阻溫度——電阻之間的曲線圖。緊接著又設計一個鉑熱電阻測溫報警系統設計實驗，讓學生在理解了鉑熱理論知識的基礎上來完成該實驗。最后將溫度測量報警系統運用到智能家居系統設計中，這樣不僅能夠提高學生的動手實操的能力，還能使學習的理論知識得到驗證，從而真正做到理論與實際相結合。根據這一設計思路，傳感器原理與應用課程實操項目設計如表2所示。

表2 傳感器原理與應用課程實操項目設計

3.3 課程教學過程的實施

教學過程的實施主要是分為課前、課中和課后三個階段。教學內容的設計是以項目驅動為導向，線上線下相結合。即項目為載體，以問題為導向，引導學生思考，線上小視頻講解理論，線下課堂學生討論，師生互動和學生實操等多方面進行合理的設計。

課程教學主要采用基于云教學平臺的線上線下混合教學模式[16]。混合教學主要分為線上和線下兩個課堂。第一階段就是課前準備，也是線上課程建設。首先，同課程組的教師通過超星平臺完成課程資源建設，主要由理論教學視頻、課前檢測題、隨堂檢測題、課后檢測題、期中檢測題、討論區、問卷調查等組成。學生可以通過超星平臺的通知公告了解每一周的學習目標、學習方法和學習資源的獲取途徑，并在規定的時間內完成視頻學習和課前檢測。教師可以通過平臺數據了解學生的基本學習狀況，不僅可以了解課程內容的共性問題，還可以將課前檢測作為本課程的一項考核；第二階段就是課堂實施，也就是線下課程的設計和實施。首先是對理論知識的講解，并注重學生們的共性問題的講解。例如，設計一個系統應該從需求分析開始，然后是器件的選型、系統整體方案設計、硬件電路設計、軟件程序設計、系統調試和測試以及實驗報告的撰寫等。其次是實操實驗的操作過程及注意事項的講解。最后是答疑和課堂小結，并指導學生進行案例分析和學習。學生則在課堂上分組完成項目任務；第三階段就是課后，也就是學生對每次課程中重難點進行復盤，并進行拓展學習。即學生完成課后拓展視頻學習，并在超星平臺完成課后檢測和實驗項目，還可以通過QQ 群或超星平臺的討論區提問或討論，且將課后檢測和實驗項目納入過程考核。

通過上述課前、課中和課后的線上線下相配合的混合教學模式，使得學生學習在一定程度上不受時間和空間的束縛，能夠讓教學資源得以充分利用，線上線下課程討論和答疑，不僅可以拉近師生距離，還可以幫助學生克服畏難情緒。此外，學生可以利用學習通(超星手機端)隨時隨地完成學習任務。這種混合教學模式能夠讓學生的學習環境在一定程度上不受限，且能夠提高學生的積極性，還可以給學生提供課下自我提高的課程視頻鏈接。

3.4 教學效果評價方式

1)學生評價

在每一學期設置了三次調查問卷，分別是期初、期中和期末。調查問卷的主要內容主要包括：課程滿意度、授課教師教課效果滿意度、課程教學目標是否清晰、教師提供的學習參考資料是否有用、教師的課后作業反饋對學生是否有幫助、教師授課能否激發學生學習的熱情、教師面對面輔導對學生是否有幫助、教學考核方式是否合理、教學內容的學習是否有難度等。通過期初、期中和期末問卷調查，從多方面獲取學生的基本情況，能夠根據學生反映的情況做出相應的調整和經驗教訓總結，對下一輪的教學內容、計劃、安排以及考核方式等做出適當的調整，彌補教學過程中的不足，以便在下一學年教學過程中有所改進，使本課程得到良性循環。

2)教師自評

通過期初、期中和期末三次問卷調查，根據調查問卷的反饋情況，教師分別針對線上線下互動、課堂教學、測驗、實驗/實訓記錄等多方面進行評價，針對在實施過程中存在的問題及時尋找解決辦法，并且撰寫形成性報告。并且在期末對一學期的教學過程進行總結和分析，吸取經驗教訓。

3)同行評價

每一門課程都有一個課程組，作為課程負責人一學期必須聽同課程組的教師5次授課，非課程組負責人一學期必須聽同課程組其他教師3次授課。每月召開課程組研討和分享會，大家各抒己見，取長補短。

4)教學督導評價

學院和學校都成立了教學督導處，教學督導會隨時，不定期聽課，并對聽課過程中存在的問題進行反饋。教師會根據教學督導提出的建議對自己的教學做出適當的調整，針對教學督導指出教學過程中存在的問題及時找到解決辦法。

3.5 課程教學考核方式的設計

1)課前檢測

課前檢測(占10%)。學生在超星學習平臺需要提前進行課前視頻學習，并完成課前測試題。主要是讓學生了解每講課的學習目標，方便教師了解學生課前對于知識點的預習、理解和掌握程度等的基本情況。

2)隨堂檢測

隨堂檢測(占10%)。學生在課堂上與教師和同學互動情況，包括提問、回答問題和討論和在線測試等。主要是讓學生積極參與其中，讓學生從被動學習變為主動學習，考核學生對于每堂課知識點的理解和掌握程度等。

3)課后檢測

課后檢測(占30%)。實驗項目：上機實驗作業按照“學號-姓名-實驗*”方式命名，由2~3 名學生組成一組完成實驗項目并提交。要求運用本課程所學理論與方法，通過實驗使學生學會如何對已有的實驗項目進行理論分析并驗證，如何根據實際要求進行可行性分析、傳感器的選型、測量轉換電路的設計和整個檢測系統的設計和實現，從器件選型到系統實現來培養學生獨立思考、解決問題和系統設計的能力，使學生能夠運用在本門課程所學的知識來解決生活中所遇見的實際問題。實驗內容要求詳見《傳感器原理與應用實驗指導書》，課后及時在超星云平臺作業中進行提交。方便教師掌握學生對知識點的掌握程度。

4)期中檢測

期中檢測(占20%)。主要是檢測學生對前半學期的知識的了解、理解和掌握程度，方便學生找出自己的不足，對自己的學習方法進行適時調整。與此同時，也方便教師掌握學生的整體情況，根據實際情況，查漏補缺，及時調整自己的教學計劃。

5)期末檢測

期末檢測(占30%)。根據教學大綱，對學生需要了解、理解和掌握的知識點進行考核，多維度、全方位地考核學生對本門課程的掌握情況。

4 教學成果

經過這次教學改革，將課程知識點進行重構，以智能家居控制系統為引導，采用總分的結構將所有系統分為多個子項目，激發學生的學習興趣；重視過程考核，督促學生在學習課程的過程中絲毫不能懈怠；注重教學效果評價，從學生、同行和教學督導等多方面進行評價，幫助教學質量提升。通過近兩年的實踐情況，教學成果主要表現在，學生的積極性得到顯著提高，學生成績得到明顯提升，在全國大學生電子設計大賽中獲得“三等獎”“一等獎”多項，教師參加第六屆全國應用型人才綜合技能大賽“匠心·園丁情”教師創課大賽榮獲“二等獎”。

5 結束語

在網絡時代，對于在傳統教學中“教與學”存在的問題，以傳感器原理與應用這門課程為例，提出“一體兩翼三課四評五檢”的混合式教學模式。經過此教學模式的改革和實踐，不單提高了課程的教學質量，培養了學生理論與實踐相結合的能力，扭轉了學生被動式學習的局面，激發了學生學習的熱情，還培養了學生碰到難題，能夠剖析問題并處理問題的能力，為學生參加各種比賽奠定了理論和實踐基礎。