傳感器技術線上線下混合式教學探索

曹 暾 蘇 瑩

（大連理工大學光電工程與儀器科學學院 遼寧大連 116024）

2018年，教育部在《教育信息化2.0行動計劃》文件中提出要建成“互聯網+教育”大平臺，發展基于互聯網的教育服務新模式、探索信息時代教育治理新模式，該計劃推動教學活動的開展向更加多元化方式發展。2020年經歷新冠肺炎疫情以來，線上教學更是成為主流教學手段之一，據調查表明，甚至有45.9%的教師自疫情后仍繼續采取線上教學的方式，但對于諸如傳感器技術這種理工類課程，單純的視頻講解枯燥乏味，很難調動學生學習的主觀能動性，而且許多測試理論和方法需要實驗驗證才能真正理解，否則面臨真實工程應用就可能會展露出理論與實踐脫節的現象。采用線上線下混合式的教學方式，講授各種傳感器工作原理理論和實踐測試方法并行，有助于培養學生獨立思考的能力，加深對所學知識的融會貫通，但具體的實施仍然存在一些問題。

一、傳感器技術課程特點

傳感器技術和通信技術、計算機技術構成了當今信息社會的三大支柱，傳感器技術是現代檢測儀器儀表和自動測控系統的重要技術基礎。它具有理論基礎深厚、實踐性強、內容更新快、與多學科交叉融合的特點，是一門綜合性的技術基礎學科。學好這門課程不僅可以加強對原有專業知識的理解，還有助于學生提高動手能力和掌握測試技術的基本方法，初步具備進行自主實驗、設計、解決測控技術相關的科學問題和實際工程問題能力，也為將來從事技術工作和科學研究奠定扎實的基礎[1]。

二、課程教學中存在的問題

教師在常規的教學中容易掌控課堂的主動性，可以根據學生的接受程度與反饋情況及時地調整講課節奏，而采取線上教學之后，受一些技術條件和倫理性因素的限制（如尊重學生的隱私），教師難以與所有學生進行視頻對話，課堂氣氛沉悶，甚至又恢復到了傳統“填鴨式”教育，無法發揮學生的主體地位。課堂教學內容多以講述傳感器工作原理為主，學生只是當作一門必修課，被動地研修學分、應付考試，并未深刻認識到傳感器技術學習的重要意義以及未來的實用價值，缺乏端正的學習態度[2-4]。實驗教學以驗證性實驗為主，內容單一；市售的實驗裝置多為封裝后的成品，學生在實驗過程中只是被動地按照實驗指導書進行簡單的線路連接操作，對核心元器件及工作原理涉及甚少；所需的實驗裝置及選型均已確定，并未根據所需的功能進行自主設計與探索，無法提高學生的創新能力和實際動手能力；實驗教學課時有限，很難完整實施從傳感器選型、購買、電路設計及性能驗證的全過程。成績評定方法仍以閉卷考試為主、實驗為輔助，考察內容以名詞解釋、簡答題、計算題為主，多數為靠記憶即可突擊通過的內容，并不能真正檢驗學生對知識的掌握和運用情況，無法體現學生的實際能力，對課程的教學效果評價也會產生錯誤的引導。

三、教學設計改革

為了應對上述課程教學中存在的問題，從教學內容和教學方式上入手進行改革，提出課程特色化設計的四項原則。

1.思政融合課程教學

為落實“既教書又育人”根本任務，在培養學生以實現專業課程知識目標和能力目標的同時，也應引導學生樹立正確人生觀及價值觀，增進其社會責任感、團隊合作精神、愛國主義情懷等，培育有使命與擔當的新時代青年[5-7]。

如在講述傳感器應用時，結合時政熱點，提高學生的責任感和使命感。傳感器在本次疫情管控中發揮著極為重要的作用。全國多地的醫院、車站、機場等人流密集的公共場所發熱人員篩查和監控要用到紅外測溫儀和紅外熱成像儀，它們就像是一雙雙探知熱量的眼睛，能快速找出并追蹤體溫較高的人員，其核心就是紅外傳感器。在此次危重病人搶救以及抑制病毒擴散中，諸如智能化呼吸機、監護儀、制氧機、負壓救護車等新技術醫療產品更是發揮了重大作用，傳感器領域的新技術正在深度重構醫療健康行業，也展現出人類應對突發“大考”的智慧與韌性，能夠激發學生學習的興趣，增強學生科研報國的使命感[8]。

此外，還要在課程中融入專業歷史、偉大人物、先進事跡，將成就他們的偉大精神與專業課程知識點相結合來達到教學目的。比如說講授新型傳感器技術的發展，除了技術上要多路并行，從新材料、新工藝、新系統等多角度思考，還需要有一顆不畏艱難、堅定的心。如在華為電子芯片、5G技術的自主研發等典型事例中，5G技術從提出開始就存在著諸多的不確定因素，它的研發和標準制定都尚不明確，華為團隊憑借“敢為天下先”的精神，聚集了大量通信領域的頂尖科學家和算法領域的數學家，甚至包括獲得國家科技進步獎特等獎榮譽的行業頂尖人才，依靠堅實的技術儲備攻堅克難，在發布前的測試更是經歷了重重障礙：自主研發和搭建測試系統、上百萬次電話撥打、超200TB以上測試數據級積累、多重復雜場景及通信條件深度測試及優化，其每月測試人員的行程總里程高達8萬公里，相當于繞地球赤道兩圈，可想而知測試任務有多復雜艱巨。希望以此事例，能夠激勵學生，在未來的科研攻關中，秉持著鍥而不舍精神、甘于奉獻精神、不畏艱難、勇于創新以及團隊合作精神等[9]。

2.做好與前后修課程的合理銜接

該課程的學習需要以先修課程如《微積分》《大學物理》《電工技術》《電子技術》《控制工程基礎》《誤差理論與數據處理》為前提，在后續課程《智能儀器儀表技術》《精密機械與儀器設計》的學習以及生產實習、畢業設計等環節中起著重要的支撐作用。該課程與前后修課程共同形成了完整的綜合能力培養體系，綜合應用所學的專業知識，更好地使用現代測控與分析工具與現代測試與誤差分析等技術，分析解決關于智能儀器與設備的設計、開發、項目管理等方面復雜工程問題的能力，是培養具有創新意識和綜合實踐能力的專業人才的重要環節。通過將《誤差理論與數據處理》中學到的誤差理論用于評判和衡量傳感器的質量，有效地將學生頭腦中數學和工程實際問題之間關聯起來，通過誤差分析及相應的補償，可以對傳感器進行校正，由此幫助學生建立用數學思維模式來解決工程問題的意識，將學習的知識體系做到前后貫通與關聯，幫助學生理清大學期間各門課程之間的邏輯性和銜接性，提升學生的工程意識；同時還強調了本課程在后續課程《智能儀器儀表技術》中的作用，在構成原理、數據處理、儀表自檢、故障分析及設計開發等多個方面都提供了良好的理論基礎，這也提醒學生要認真看待所學的課程內容，要學會融會貫通所學的課程，用聯系的客觀普遍性辯證地去學習和處理問題，提升自身的思辨能力[10]。

3.專題討論將學習行為群體化

面對線上教學過程中存在的師生無法實時互動的難題，在教學環節增加專題討論環節，采取小組合作式學習，將個體的學習行為群體化，引導學生之間相互交流與討論，充分調動學生參與課堂的積極性，以任務要求為目標，促使學生以團隊形式合理制訂工作計劃，能夠慮及個體間的差異互補分工、協同完成工作任務；培養學生能夠通過查閱專業書籍、期刊、學習網站、論壇等多渠道自主深入學習傳感器先進技術，了解并歸納國內外發展現狀，形成清晰明了的學習思路，并能通過學習具備不斷適應發展的能力；培養學生能以答辯匯報、設計文稿的方式清晰地表達、展示與分享成果，提高學生的思維表達能力，以期能在日后的工作中與業界同行及社會公眾進行順暢的溝通和交流；專題討論的內容可以適度拓展，根據所調研的內容可以涉及學術前沿，還可以是尚未完全成熟的理論，以更好地發散思維，提高學生的創新能力；為了有較為客觀的評判標準，專題討論的組織形式保持統一，包括資料收集、PPT制作、PPT講解等。在這個過程中，既需要學生獨立思考，形成自己獨特的見解，又需要團隊的協作完成。將專題討論納入教學環節中，擺脫了傳統的教師主體地位，極大提高了學生的參與度，充分發揮了其主觀能動性。

4.融入學科發展最新成果

在傳感器課程實踐教學中，融入學科發展的最新成果，除了傳統傳感器原理的驗證實驗外，還增加傳感器材料加工與結構設計環節。以大連市新型功能材料與光電子器件重點實驗室為依托，組織學生參觀傳感器各元器件加工、制造的過程，更近距離地接觸傳感器，增進對傳感器的了解與認識，讓學生提早進入實驗室，感受科研學術的濃厚氣氛。對于感興趣的同學，可以此為契機，提早加入科研團隊，以“興趣驅動-項目牽引-競賽導向”為創新人才培養目標，提升專創融合能力、實踐能力和創新能力，實現定制化培養，促進學生個性化發展。

如在講述生物傳感器時，隨著傳感器技術的不斷發展，以及對器件微型化、集成化、智能化的新要求，傳統的器件材料已經難以滿足其性能需求，而需要開發新的材料。在這方面結合課題組在超材料、微納材料方面的研究基礎，介紹雙曲超材料用于葡萄糖濃度檢測的生物傳感器，給學生打開一片新的視野，不僅限于自然界已有的材料，也可以根據所需的功能進行材料設計，超材料的設計思想是前沿新穎的，這一思想是通過突破某些表觀自然規律的限制，在物理結構上進行多樣化設計獲得超常的材料功能，這一新型材料的出現也拓寬了一個新的研究領域。“一代材料，一代裝備”，材料上真正的革新，才能形成具有自主知識產權的產品，才能徹底擺脫國外公司的技術壟斷。

四、考核方式改革

期末成績由閉卷考試、平時成績、實踐成績和專題討論成績四部分構成，各部分所占比例分別為 40%、10%、30%、20%。平時成績主要包括線上或線下課堂參與表現及課后作業情況；實踐成績主要包括實驗報告撰寫及實驗完成情況等；平時批改作業進行量化分級定分，并對批改作業進行講評；為了提高學生的課堂參與度，對課堂上與老師良性互動的學生給予加分獎勵；專題討論主要包括小團隊協作能力、PPT成果講解及交流回答情況等；考試內容除了涵蓋名詞解釋、簡答題、計算題外，還增加了案例分析題和情景性的論述題，能夠測試出學生在學習過程中對知識融會貫通的領悟情況，從而更好地檢驗教學的效果。

結語

傳感器技術是一門極具實用價值的專業課，在測控專業的學習中起到承上啟下的作用。為落實科學家座談會上的“加強創新人才教育培養”，以及兩院院士大會和中國科協第十次全國代表大會提出的“培養創新型人才是國家、民族長遠發展的大計”的要求，對該課程的教學內容及考核標準進行改革，激發了學生的學習興趣，提高了學生的創新能力和實際動手能力。在今后的教學中，我們也將為進一步培養“未來科學家”的目標不斷努力。