高校傳感器課堂教學改革措施初探

袁 博

（南陽理工學院 信息工程學院，河南 南陽 473000）

0 引 言

傳感器是物聯網工程、電氣工程及其自動化等電子信息類專業的核心課程。近年來， “工程教育認證”“新工科建設”和“思政教育”成為我國高等教育發展和改革的新方向，不僅需要注重對電子信息類專業學生的工程意識、創新精神、實際動手能力和團隊協作能力等培養目標的達成，還要求學生具備正確的價值觀、工程道德和法律意識，這無疑對傳感器等電子信息類專業課程的教學提出了更新、更高的要求。因此，有必要對傳感器的課堂教學改革開展新的探索。

1 傳感器課堂教學的現狀及存在的問題

作為現代信息系統的源頭，傳感器主要用于各類信息的獲取。目前，傳感器已被我國以及美國、歐洲、日本等國家視為與科技進步、經濟發展和國家安全密切相關的重點發展技術，發展速度非常快，相關的新技術、新材料和新應用也層出不窮。傳感器的測量對象范圍很廣，包括力學量、光學量、電學量、熱工量和化工量等，涉及學科領域眾多，內容繁雜且彼此間關聯性不強。在傳統的課堂教學過程中，講授內容集中于各種傳感器的測量原理、制造材料、結構特征、計算公式推導、測量電路分析、經典應用介紹以及誤差原因分析與補償措施等，不僅涉及抽象的物理、化學理論分析和數學公式推導，還包括大量的孤立知識點。繁冗枯燥的課程內容對學生的理解和記憶都是很大的負擔，容易引起反感情緒，壓抑課堂氣氛，學生的實際收獲也不大。另外，傳感器的新技術、新應用發展迅速，教材內容更新明顯滯后，課堂講授內容與行業現實情況脫節嚴重，難以反映傳感器的最新發展和用人單位的實際需求，與在校期間的其他學習任務和學術活動的契合度也很低，導致學生的學習熱情普遍不高，學習積極性不能充分調動，難以獲得理想的教學效果。

2 明確學習目標及加強思政教育和工程德育的具體方法

2.1 明確相關政策背景下的學習目標

在“新工科建設”和“工程教育認證”背景下，不僅要求學生熟悉各種傳感器的工作原理、結構組成、測量電路和性能特點等理論知識，還要能夠合理選擇和熟練使用各種傳感器的代表性產品，具備較強的工程實踐能力；能夠把握傳感器的未來發展趨勢，具備對傳感器新技術、新材料和新應用的跟蹤、消化能力；還需要具備與傳感器相關的職業道德和法律意識，避免在傳感器的研發和使用過程中出現違反法律或社會公序良俗的情況發生。教師應主動將上述學習目標轉化為教學目標，所有教學內容的設置和實施都要緊密圍繞上述目標。

2.2 加強思政教育

通過在課堂上融入思政元素，實現價值引領，激發學生學習的內在動力，促成從“要我學”到“我要學”的學習動機轉變、從“學為小我”到“學為大我”的學術志向提升，使專業教育與思政教育相互促進。傳感器課程的思政教育，既可以從我國目前在該行業的困境和風險角度切入，也可以從我國傳感器行業的歷史發展機遇和業已取得的多項突破談起。例如，介紹目前我國傳感器的制造工藝、制造設備、設計軟件、研發投入、應用水平與世界先進水平之間的差距以及大部分高端傳感器市場仍被國外占據的現狀，存在大量利潤流向國外和少量關鍵領域隨時可能被卡脖子的問題；也可以向學生說明國家已經出臺大量綱領性文件和優惠政策，正在大力推進先進傳感器行業的發展；介紹國內優秀的傳感器企業，如歌爾聲學、大華股份、華天科技等，以及傳感器產品在各型號衛星、火箭運載工具和地面測控設備的航天電子領域的廣泛應用。目前，我國傳感器行業是挑戰與機遇并存的，應該讓學生感受到國家科學技術的快速發展，激發民族自豪感，鼓勵學生弘揚科學報國的光榮傳統，把個人理想自覺融入國家發展偉業，積極投身到我國先進傳感器行業的發展建設中。

2.3 加強工程德育

工程德育是用工程、系統和理論的方法進行工程師的道德教育，符合理工科學生的認知特點、認知方式、成長規律和現實需求，是高校思政教育的必要延伸，也是堅持社會主義辦學方向、辦好讓人們滿意的教育的根本要求。教師可結合案例教學法，就傳感器在研發和使用過程中可能涉及的道德、法律和倫理問題對學生進行工程德育。例如：智能手機APP可在用戶不知情且無須系統授權的情況下，利用手機內置的加速度傳感器采集揚聲器所發出聲音的振動信號，竊聽用戶語音；基于圖像傳感器的各類隱藏式針孔攝像頭大量被用于偷拍，嚴重侵犯了人們的隱私，毒化了社會風氣；基于多種傳感器獲取的個人過往行為數據，可能被用于預測個人未來的犯罪行為和概率，預測結果能否作為對其提前采取強制措施的依據，引發了激烈的法律和倫理討論；使用內設新型傳感器的腦機連接產品正在逐漸變成現實，在造福殘障人士的同時，也引發了人們對可能產生的隱私泄露、沖動犯罪和電子毒品等問題的廣泛擔憂。對上述真實案例的課堂講解和分組討論，有助于引導學生正確認識科技倫理、生命倫理等問題，增強學生的法律意識、倫理意識、人文情懷和社會責任感。

3 注重知識網絡的融合以及實用性學習和就業引導

針對第1章中提到的傳感器課堂教學中存在的問題，教師在講解清楚傳感器的測量原理和工作特性等關鍵內容的基礎上，應當適當濾除學生普遍容易感到枯燥、晦澀的內容，減輕學生的課堂學習負擔，并利用節省出的課堂時間和精力，結合案例教學法，通過以下三個方面全方位改善教學質量。

3.1 與電子信息類相關課程融合形成知識網絡

傳感器與電路基礎、單片機、嵌入式和射頻識別等其他電子信息類課程聯系緊密，既存在大量交叉重疊的知識點，相互之間也是一種“你中有我，我中有你”的共存關系。例如，傳感器既可作為其他課程中系統的關鍵組件，也可利用其他課程中的組件設計和搭建多功能傳感器系統。為培養學生的系統整合與綜合分析能力，教師可在課堂教學過程中將傳感器與相關電子信息類課程進行有機融合，深入挖掘和分析傳感器與相關課程之間的內在聯系，形成一個互聯、互通的有機知識網絡。例如：從單片機、嵌入式、射頻識別或無線傳感器網絡等電子信息類課程的角度，分析傳感器在其他課程體系中的定位，介紹傳感器在單片機應用系統、嵌入式應用系統、射頻識別應用系統以及其他物聯網應用系統中的接口關系和應用流程，總結傳感器在電子信息類課程中的共性知識和通用方法。反過來，也可以分析單片機、嵌入式、通信原理等相關課程在傳感器課程體系和應用系統中的定位和常用方法。通過將傳感器與電子信息類相關課程進行有機關聯，引導學生將其在多門課程中獲取的孤立知識簇融合成一張完整、有序的知識網，提升學科交叉應用能力。

3.2 介紹傳感器在學科競賽和畢業設計中的應用

由于傳統教學內容的抽象和與現實生活的脫節，導致傳感器課程在大多數學生心目中的價值僅在于獲取對應學分，缺乏其他現實意義。事實上，對于電子信息類專業學生來說，在校期間參加的學科競賽和畢業設計過程中都會涉及大量的傳感器應用，但大多數學生不具備在傳感器課程與競賽、畢設之間自主建立有效聯系的意識和能力，教師在傳統課堂教學活動中往往也缺乏這方面的專項引導。為改變上述狀況，使學生真正體會到傳感器課程的重要性和實用性，教師應結合案例教學法，引導學生了解不同傳感器在競賽和畢設中的定位和常見用法。以基于單片機的畢業設計為例，多數以單片機為邏輯控制核心，利用不同傳感器獲取各類感興趣信息，并將獲取的信息通過有線或無線通信的方式傳遞給單片機，結合人機交互指令或參數設置，由單片機分析和處理接收到的信息，做出相應的決策，然后把結果信息顯示到屏幕上，同時控制和驅動動作執行機構完成相應的動作。例如：在基于單片機的室內環境監測系統的畢業設計中，可以選擇利用溫濕度傳感器、有害氣體傳感器和可燃氣體傳感器獲取室內的相應信息，并將檢測結果在一塊屏幕上集中顯示；如果單片機判斷測得的溫濕度超過設定閾值，可利用WiFi或藍牙遠程自動打開空調或關閉窗戶；如果檢測到濃度較高的有害氣體或可燃氣體，可立即進行聲光報警，自動打開窗戶并開啟排氣扇。這樣的課堂教學內容和形式更貼近學生的真實需求和認知規律，不僅對今后的畢業設計有所幫助，還能提升學生課堂學習的積極性。

由于傳統課堂教學側重于講授各種傳感器的測量原理和特性參數，忽視了對市場上代表性傳感器產品的介紹，導致學生不清楚在具體應用中該如何選擇和使用傳感器。因此，教師有必要就各種傳感器的代表性產品向學生多做介紹，包括傳感器的型號、外形、售價、主要引腳及其與單片機等的連接、調試方法和典型應用案例，幫助學生在今后的競賽、畢設和工作中快速上手各類型傳感器。

3.3 開展傳感器方向的就業引導

畢業后的就業崗位、待遇及發展前景是學生都非常關注的話題。傳感器作為國家重點發展的高技術產業之一，對應的工作機會多集中在大城市的高科技園區，有大量高薪崗位，行業發展前景也十分廣闊，對電子信息類專業畢業生具有較大的吸引力。學生在校期間，普遍對就業市場和傳感器相關崗位的認知程度不足，教師可搜集和整理校招、招聘網站等多方渠道中與傳感器有關的就業崗位及待遇信息，開展就業指導，為學生分析用人單位對各類型傳感器崗位的具體需求，展望傳感器行業的就業動態和發展前景，吸引學生的興趣，提高學習積極性。

教師還應結合典型工程案例，引導學生了解教材中很少體現的常見工程問題，培養學生必要的工程意識，增強就業競爭力。例如，在課程實驗或畢業設計過程中，傳感器通常可以直接使用，且無須考慮成本、美觀度、性能和周圍環境因素的干擾，只需實現其基本功能即可。而在實際工程項目中，傳感器首先需要經過封裝、標定等流程，轉變為特定輸出制式的標準元件，才能用于搭建實際工程系統；使用過程中也必須關注性價比、體積、功耗以及環境等復雜因素。例如，在使用光電傳感器根據透光率的變化檢測管道內水體化學成分的過程中更需要關注的實際工程問題是：如何去除管道中油污對檢測結果的影響；對于玩具廠商來說，在玩具設計過程中傳感器的成本、體積和功耗可能比其性能高低更重要。

4 結 語

本文中的傳感器課堂教學改革措施，一方面有助于培養學生的科學報國情懷、工程職業道德和法律意識，塑造符合“新工科建設”和“工程教育認證”要求的人才；另一方面可以使學生認識到學好傳感器知識對于畢業設計、學科競賽和職業生涯都具有現實助益，可能的多重回報將極大地激發學生的學習興趣，從而改善教學效果，并使學生真正從課堂受益。近年來，在所在高校物聯網工程專業《傳感器與檢測技術》課程中對教學改革措施進行小范圍試行，已取得初步成效，學生的課堂學習積極性比往年有明顯改善，綜合考核成績也有所提升。下一步需要結合國家政策導向、傳感器行業的最新發展和學生的反饋信息改進和細化上述教改措施，持續提升課堂教學質量。