“傳感器原理與應用”課程的高階教學實施探索與實踐＊

李麗華，杜立峰

（成都錦城學院電子信息學院，四川 成都 611731）

“傳感器原理與應用”是物聯網專業的一門專業核心課程，傳感器技術作為物聯網感知層的重要技術，有著廣泛的應用，也是物聯網的必備關鍵技術之一。“傳感器原理與應用”課程知識點多，涉及數字電路、模擬電路、單片機和程序設計方面的內容，具有很強的實踐性和綜合性。同時，這門課程還是后續學習傳感網技術的基礎，所以學好該課程是掌握物聯網技術的關鍵。

為了適應新工科建設需要，推進課程教學創新，開展線上、線下混合式教學模式的改革，進行智慧教育，開展高階教學工作的探索與實踐成為了近幾年的工作重點[1]。在傳感器的高階教學課程中，秉承強化課程實用性和高階性的理念，以提升學生的核心競爭力為目標，在教學實踐過程中按照“一基兩軸，三階遞進”的教學目標，分類框架對教學活動進行精心設計，主要從以下幾個方面進行了一系列的改革，取得了較為明顯的成效。

1 教學內容與工程項目相結合

教學內容與工程項目相結合，教研相長。按照“以專業帶動產業、以產業影響專業”的思路，以產教融合、校企合作為突破口，與產業、企業建立深入合作關系，在課程中納入企業實際應用的項目，對項目進行深度剖析，找到課程結合點，以此拓展，設計融入課程的理論、實踐、高階教學中，努力做到課程內容與人才培養目標和培養標準對標，同時重視工程實踐、素質培養、團隊協作等非認知能力的培養。此外，在條件允許的情況下，將學生帶進企業參觀、調研、學習、實習，學習知識的同時為企業出一份力，努力做到學校、學生、企業三方受益，形成產學研的學習閉環。

2 教學內容與比賽相結合

教學內容與比賽相結合，以賽促學、教賽相長。傳統的傳感器教材是以講解各種傳感器的原理為主，舉例說明傳感器的實際應用，學生學完后，能對傳感器有宏觀的認識，但是實際的傳感器并沒有接觸到，更談不上具體工程應用時，如何去使用。在電子設計大賽、智能車、機器人、光電設計、飛行器大賽、科技制作等比賽中，傳感器都是非常重要的組成模塊，如陀螺儀、紅外傳感器等；同時，在物聯網的工程應用領域中，傳感器也有著大量、大面積的使用，如溫濕度傳感器、光敏傳感器。因此，從比賽和專業應用2方面綜合考慮，將這類典型的傳感器納入課程教學內容顯得非常有必要。

以專業人才培養方案為根本，結合最新的專業崗位調查，關注課程對應的崗位，如傳感器技術工程師、物聯網硬件工程師等具體崗位對知識、技能、素養的要求，同時兼顧對近幾年學科緊密相關的比賽真題分析，確定課程的重點、難點以及高階教學的內容。課程內容的設置來源如圖1所示。

圖1 課程內容的設置來源

根據課程的連貫和知識的連貫性，一般課程的開設順序大致為程序設計類課程、電路課程、單片機課程、傳感器課程和無線傳感網課程，整理課程鏈路魚骨，會發現傳感器課程在整個物聯網專業的課程體系中，起著重要的承上啟下作用。

因此，在傳感器課程教學中，尤其在高階實踐教學中，融入對單片機的使用，讓學生做一些實物制作和軟件開發，既可以加強對前面課程知識的運用，又可以讓傳感器的應用性體現得更加明顯。比如在做課程設計的時候，就可以借以單片機平臺，做一些融合性的設計。高階內容的相關課程如圖2所示。

圖2 高階內容的相關課程

3 教師從“教知識”向“教思維”提升

教學手段向高階跟進，教師從“教知識”向“教思維”提升。將翻轉課堂和線上教學相結合，利用電子產品將學生在學習過程中的主體地位發揮至最大化，并將教師從傳統意義上的教學主體轉變為教學輔助地位，與傳統的教師在臺上說，學生在臺下聽的教學模式相反，注重培養學生主動學習的能力以及團隊協作能力。

在實際操作過程中，教師雖然身份有所轉變，偏向于輔助作用，但教師的主導地位不能被弱化。首先，教師必須設置好課程安排，對翻轉的內容選擇要做到難易適中、緊扣教學重點內容、以興趣或者就業為驅動力。如筆者在高階教學題目設計上，結合物聯網專業學生的行業背景，采用智慧家居作為翻轉題目，分任務難度等級布置給學生，要求學生在課程即將結束時，展示自制的智慧家居作品。

在翻轉任務的實施過程中，教師的監管、進度的檢查必不可少[2]，尤其對于一些缺乏積極主動性的學生要及時督促，對學生之間的討論也要注意是否有效地解決了問題；在翻轉課堂上，還要求教師有較強的控場能力，能做到畫龍點睛、講解關鍵內容、提升課堂高度。

4 學生從“被動學習”向“主動學習”提升

學生學習向高階跟進，學生從“被動學習”向“主動學習”提升。在高階翻轉進行的過程中，從課前、課中到課后，學生都是主角。課前接受翻轉任務，按照要求觀看相應視頻，查閱資料，形成實物制作的方案；課中將方案交給教師檢查，從功能和可行性等方面共同修訂方案；課后進行實物制作，逐個功能完成再疊加，并實時與教師進行互動，掌握進度并進行難點攻關，最后在翻轉課上進行實物展示匯報。高階教學過程如圖3所示。

圖3 高階教學過程

結果表明，學生在完成綜合設計的過程中，充分地提升了學生查閱資料、解決實際問題、分解復雜問題、舉一反三、團隊合作、軟硬件動手、傳感器知識運用、創新等能力。在整個高階翻轉完成的過程中，培養了學生的系統性、創造性、遷移性、關聯性和批判性等思維。

5 實驗配備向高階跟進

在傳統的傳感器課程教學中，一般采用先講理論、再進行實驗的方式，實驗配套如表1所示。

表1 傳統實驗內容

這些實驗多著重于原理，讓學生掌握到傳感器的功能、特性、測量原理和測量過程。在實驗過程中，有一些電路連線和對示波器的常規使用，能鍛煉到學生的動手能力。但是在物聯網的實際工程應用中，通常使用的都是一些產品化的傳感器器件，需要利用它來快速實現感知的功能，并將數據通過一些設備顯示出來，單片機與傳感器的聯合使用是目前的主流應用。因此對傳感器課程進行升級、改革勢在必行。

結合專業背景和傳感器的使用場景，經過改革升級了部分實驗設備后，增加開設的實驗內容如表2所示。

表2 高階教學實驗內容

在這些實驗中，可以讓傳感器的功能明顯地呈現出來，讓學生學會數據如何采集、如何處理、如何顯示。并且學會了傳感器與其他的控制器件如何搭配使用，解決一些真實場景下的實際問題。

6 高階翻轉階梯式加深，實現全員提高

采用智慧家居項目作為傳感器課程的高階翻轉內容，體現了與物聯網行業的緊密結合，其中包含的知識點也與競賽及一些硬件作品的制作方法緊密結合，但是對于大二年級的學生，之前沒有做過較系統的設計，所以，做這項任務是具有較大難度的。鑒于此，對大項目進行分階段的剖析和分層次的設計，配以階段提示和階段檢查，一步步落實高階翻轉工作，顯得非常有必要。高階分階段教學實施步驟如圖4所示。

圖4 高階分階段教學實施步驟

7 評價體系向高階跟進

為了讓高階翻轉和深度學習落到實處，對教學過程的管理改革也是一個很重要的方面，制定線上成績、課堂表現、作業成績、測驗成績、課程論文、高階翻轉的分數計算方法，明確和規范分數的組成比例，尤其明確高階課程和實踐課程的評價方法。

健全評價體系，通過當面檢查、抽問、作業、測驗、問卷等方式全面反饋，將沒過關的作業打回重做，二次批改；對高階翻轉內容進行多次階段檢查，高階答辯結束，根據教師點評，要求學生二次改進作品，能有效地提高作業、實驗、高階設計的質量。

8 深度學習，深度拓展

以比賽和就業作為高階教學的切入點，課程內容采用金字塔式的設置，如圖5所示。讓學生掌握多樣化的學習方法，知識深度到國賽，能力深度到企業，思維深度到受益一生。

圖5 “傳感器原理與應用”課程內容金字塔

實踐教學發現，學生經過這樣的高階翻轉，在課程即將結束時除了制作出智慧家居的傳感器綜合實物以外，有的小組還自發完成了智慧澆花、自動寵物喂食器、自助咖啡機、智能垃圾桶、智能手環、小愛同學、音樂氛圍燈等各種實物的制作，培養出了對硬件制作的興趣愛好，做到了對傳感器的靈活運用。