傳感器課程的課堂教學內容重構探索

袁 博

（南陽理工學院 信息工程學院，河南 南陽 473004）

0 引 言

傳感器課程作為高校電子信息類專業的核心專業課之一，內容涉及大學物理、電子電路基礎、單片機原理與應用等一系列專業基礎知識，是一門經典技術與新技術相結合、理論與工程實踐相結合的重要課程，對于培養學生識別、分析、設計和仿真復雜工程問題的能力以及在工程方案設計中的創新意識具有重要支撐作用。該課程的特點可以概括為：知識點分散、應用性強、技術更新迭代快[1-6]。而傳統的傳感器課堂教學內容多數局限于選定教材的有限范圍，與行業現實脫節嚴重，既無法反映傳感器的最新技術與應用發展現狀，也不符合社會上用人單位的實際需求，難以調動學生的學習熱情，對培養學生的探索精神、創新精神和團隊合作能力作用較小，更缺乏對學生政治觀、價值觀、工程倫理和人文精神的培養，無法滿足“工程教育專業認證”“新工科建設”和“課程思政”等高等教育改革方向的要求[7]。因此，需要對傳感器課程的課堂教學內容進行重新配置、改造和優化，亦即對教學內容進行重構。

1 教學內容重構必要性

1.1 教材的必要補充

理想的傳感器教材內容應該同時具有正確性、實用性、時效性和啟發性，能夠激發學生的學習動機、思考能力和探索熱情，還要兼顧課程思政教育和工程倫理教育[8]。而由于教材篇幅與學時的限制、編者專業與知識面的約束以及教材編著和講授存在時間差，傳感器教材除了能夠滿足專家學者擬定課程標準和任課教師選定授課內容之外，往往難以體現學生對傳感器課程的真實學習需求以及社會用人單位對高校學生在傳感器課程內容掌握的最新要求和實際期望，同時缺乏課程思政教育和工程倫理教育，也缺乏學生之間、師生之間關于傳感器知識的交流互動。具體來說，傳感器在智能化、微型化、集成化、網絡化等方向的發展日新月異，而若干年前編著的教材往往難以及時、全面地反映行業的最新進展和發展趨勢。傳感器領域的用人單位不僅需要畢業生了解傳感器的測量原理和組成，往往還要求具備傳感器方案評估選型、電路原理圖設計、傳感器測試計劃制定以及與供應商的日常技術溝通等全方位的綜合能力，而教材中往往缺乏上述實際需求的內容或一筆帶過。此外，多數教材在章節結構設置方面過于強調傳感器的學科體系，忽視了學生的認知規律，對傳感器課程學習和理解過程中缺乏引導；提供的練習題主要強調記憶和理解能力，容易忽視對學生創造力和批判性思維的培養和激勵[9]。因此，重構傳感器教學內容，有利于對現有教材內容進行必要的補充和完善。

1.2 專業需求的適應

目前，大量電子信息類專業及其他相關專業都開設有傳感器課程，這些專業對應的行業特征、就業去向和社會需求各不相同，對傳感器課程的實際需求也各不相同。例如，物聯網工程專業偏重于利用傳感器進行智能家居、智能物流、智慧交通等物聯網應用方面項目的開發；通信工程專業偏重于實現無線傳感器網絡等傳感器與通信技術的融合；移動互聯網設計專業偏重于設計開發具備環境參數感知功能和環境交互功能的手機APP；測控技術與儀器專業看重傳感器在精密測量系統中不可替代的作用；機械制造專業看重傳感器在精細零部件生產中的作用；自動化專業則更傾向于使用傳感器實現各種工業自動控制。而傳感器教材的內容難免帶有編者專業背景或科研方向的烙印，很難滿足其他某個特定專業的個性化需求。因此，需要根據授課的具體專業，對傳感器課程內容進行針對性的重構。

1.3 教學魅力的提升

導致學生課堂學習積極性不高的主要原因往往在于教師對教材的過分依賴。傳感器課程同時涉及物理、數學、電子電路、機械、化學和生物等學科中的概念或原理，還包括每類傳感器的特性、結構、材料、補償和應用等大量孤立元素，如果按照教材固有內容進行照本宣科式的“念讀”或“解讀”，很容易給學生帶來一種既抽象難懂又凌亂難記的不良印象。加上部分內容過時、真實的社會應用需求不明確等因素，很容易使學生產生一種“聽著無趣”“學了沒用”“自學就行”的消極感受，極大地破壞了傳感器課堂教學應有的魅力。因此，傳感器教學內容不應局限于教材的框架，只要與課程教學目標相一致，同時又能夠提升課堂教學魅力、促進學生知識獲取和能力提升的任何材料，都可以作為教學內容重構的吸納對象。

綜上所述，傳感器是一門應用性很強的課程，不僅需要學生對具體知識點進行記憶和理解，更需要培養學生分析和解決實際問題的工程素質以及探索傳感器新原理、新材料、新應用的創新意識。重構教學內容對于改變記憶、理解式的傳感器學習現狀，培養學生對傳感器的分析、應用能力和創新熱情具有重要意義。

2 重構原則

源于教材和高于教材、適應學生需求和社會發展是許馳等人提出的兩項教學內容重構的一般性原則[10]。本文借用這兩項重構原則，針對傳感器課程特征對其進行如下詮釋。

2.1 源于教材和高于教材

“源于教材”是指傳感器教學內容不能脫離教材的邏輯體系、核心內容和重點難點，要保持教學內容與教學大綱的一致性，以大綱中的課程目標作為教學內容重構的遵循規范和邊界約束條件；同時要保持教學目標與工程教育專業認證和專業培養方案中畢業要求的相關性，體現傳感器課程與單片機、電子電路基礎、無線傳感器網絡等相關課程的關聯性和相互支撐，體現教科書上的教學重點、難點和能力要求。

“高于教材”是指傳感器教材上沒有的，但是與教材內容相關、與教學大綱中教學目標相關、與深入了解原理和對接技術相關的內容。這就要求教師要時刻關注和跟蹤傳感器相關的前沿理論、技術或方法，了解傳感器領域涉及的不同學術觀點或技術路線，補充用人單位要求員工掌握的傳感器相關技能和生產工具知識；凝練自身科研知識，積淀與傳感器相關的工程經驗；搜集和整理傳感器領域有影響力的學者及其背景。在此基礎上，教師還應該著力分析傳感器誕生的技術背景和時代背景，介紹其從最初發明到逐步完善的技術發展歷程，講述在傳感器領域做出突出貢獻的著名科學家、發明家或研究機構的行業故事，分析傳感器目前存在的主要問題和局限，未來若干條可能的技術發展路線及各自的風險挑戰等教材上沒有的、“高于教材”的內容。

2.2 適應學生需求和社會發展

傳感器是國家重點支持和大力發展的十大高技術產業之一，就業前景好，創業潛力大。目前社會上已經有了大量傳感器相關的就業崗位，如傳感器研發崗位、傳感器技術支持崗位、傳感器網絡工程師崗位、傳感器銷售崗位和傳感器工藝崗位等，且大部分工作地點位于大城市，待遇優厚，當然其中也蘊含著大量的自主創業機會。學好傳感器就能增加畢業生加入傳感器從業隊伍或自主創業的機會。因此，傳感器課程是一門與學生就業耦合程度較緊的課程。

“適應學生需求”是指在教學內容重構過程中應滿足學生對傳感器課程的學習期望，關注學生畢業后在傳感器相關領域的就業能力和未來發展潛力，從而提高學生的學習興趣，并使其真正從傳感器課堂上受益。

在進行教學重構之前，需要進行學情分析，具體作用如下：一是了解學生在傳感器基礎方面的薄弱之處，便于在重構過程中進行針對性地強化；二是了解學生對傳感器課程的學習存在哪些共性期望和個性需求，便于指導教學內容的重構過程；三是可以與課程結束后的學習效果進行對照，便于了解傳感器課程的學習目標達成情況。

在教學重構過程中，首先應加入教材上沒有但與傳感器就業崗位核心能力需求相關的教學內容，包括傳感器方案評估選型、傳感器集成電路設計、傳感器性能測試與評估等，使學生熟悉和初步掌握傳感器就業崗位的常用技能。其次要加入能夠激發學生創新潛力、促進學生進行傳感器方向的自主創業的相關教學內容，例如傳感器技術的用戶需求、技術背景、迭代歷程、技術分支以及未來發展方向等，使學生了解傳感器技術發展的內因、規律和趨勢。然后需要針對不同專業的學生調整教學內容。例如，在為移動互聯網專業的學生講授傳感器課程時，著重講述傳感器在手機APP中的功能、配置和開發流程，以及Android Studio等主流APP開發環境中的傳感器編程案例，這些內容是絕大多數傳感器教材上沒有的，但與該專業學生的真實需求密切相關，對增強就業競爭力的助益顯著。

“適應社會發展”是指在教學內容重構過程中，需要關注當前社會與傳感器相關的最新技術和應用，改造或剔除教材中與之不符的過時內容，引導學生思考和討論傳感器技術發展給人們和社會帶來的影響，使課程內容貼近傳感器行業所涉及的理論、技術和方法，盡可能與社會實際需求接軌。例如，智能化是傳感器未來發展的主要方向，2021年11月在鄭州舉行的第三屆世界傳感器大會上提出要將鄭州打造成“中國智能傳感谷”，建設成為全國重要的特色智能傳感器產業基地和國際知名的智能傳感器應用示范城市。因此，為順應社會發展需求和國家戰略規劃，應在教學內容重構過程中，引入當前大多數傳感器教材所缺少的智能化相關內容。此外，MEMS、集成化和網絡化也是傳感器的重要社會需求和發展方向，應當適當引入相關的教學內容。

3 重構方法

教學內容重構的方法很多，下面對其中應用較廣的四種重構方法分別進行討論。

3.1 增加

“增加”是傳感器教學內容重構活動中最重要、最常用的方法。所謂“增加”，可簡單理解為加入任何教材上沒有但具備實際價值的教學內容的過程。可以考慮增加的教學內容包括但不限于：各類型傳感器的前沿技術、應用模式和應用場景，傳感器知識與學生專業背景之間的交叉點，關于某類型傳感器的不同學術觀點或技術流派，傳感器領域的著名科學家、技術領軍人物及其相關研發經歷，教師自身與傳感器相關的科研積淀、工程經歷或心得體會，能夠激發學生家國情懷、科研報國熱情、大國工匠精神或誠實守信品質的傳感器課程思政元素，能夠提高學生環保意識、社會責任感和人文情懷的工程倫理元素。

舉例如下。在講授光電式傳感器中的“光生伏特效應”時，可以引入我國青海省塔拉灘光伏產業園建設全球最大光伏發電基地的案例，一方面創設情境，自然引出“光生伏特效應”的概念和相關教學內容；另一方面使學生受到潤物無聲的思政教育和工程倫理教育。具體來說，該案例通過使學生了解到我國光伏技術和光伏產業目前在世界上的領先地位，喚起學生的民族自尊心和科技自信心；通過介紹產業園的“牧光互補”和“水光互補”創新模式及其在環境保護、牧民增收方面的積極作用，激發學生的科技創新意識和創新熱情，提高學生的環保意識和社會責任感；通過描述案例中“水光互補協調控制系統”研發的困難程度與日常運行維護的復雜程度，提倡學生堅守嚴謹務實作風和一絲不茍、精益求精的大國工匠精神；通過分析和討論案例中水光互補光伏電站創造的社會效益、經濟效益和生態環境效益，以及其對于我國順利完成碳達峰、碳中和戰略目標，成功實現能源轉型、產業升級、綠色可持續發展乃至中華民族偉大復興的積極意義，喚起學生的歷史使命感、社會責任感和科研報國熱情。

3.2 改造

在教學過程中， 要激發學生的學習動機，注意引發和維持學生的注意力。照本宣科式的教學方式、單純強調記憶和理解的教學思路，屬于Bloom教育目標分類理論（從低到高依次為記憶、理解、應用、分析、評價、創造）中的最低層級，難以引發和維持學生注意力，更談不上對其余四種中高級教育目標的實現。想讓學生思考起來，就要與教材內容有所不同。因此，教學內容重構中的“改造”就是基于教材內容中的原理和需求，構造出與教材不同的分析角度、實現邏輯和組成結構，從而形成一定的知識散度，激發學生的思考熱情和學習興趣，使應用、分析、評價和創造這四種中高級教育目標的實現成為可能。例如，針對轉速的測量，如果教材上介紹了遮斷式光電轉速表，授課時就可以轉而介紹反射式光電轉速表或電渦流式轉速表，并分析遮斷式測量方式和反射式測量方式的優缺點，對比光電傳感器和電渦流傳感器的優劣性和適用范圍；針對距離的測量，如果教材上介紹了超聲波測距傳感器，授課時就可以轉而介紹紅外測距傳感器，分析和對比超聲波與紅外兩種測距方式各自的優缺點，并結合具體應用需求凝練技術實施方案的擬定原則。

此外，還需要從適應不同專業學生的不同需求的角度，對教材內容進行基于專業方向的改造。例如，針對教材中傳感器的行業應用內容，在面對物聯網專業學生時，就應該著重介紹傳感器在工業物聯網中的應用；面對通信工程專業學生時，就應該著重介紹傳感器在無線通信系統中的應用；在面對移動互聯網專業學生時，就應該著重介紹傳感器在手機APP中的應用。這樣才能真正體現課程內容重構中“適應學生需求”的基本原則，使學生學有所用。

3.3 刪除

“刪除”也是教材內容重構的常見方法。任課教師為學生選定的教材，有可能面面俱到，明顯超出教學大綱鎖定的范圍；有可能篇幅過多，與某些先修課程的內容重復，也可能與有限的課時沖突；有可能出版時間較早，收錄了部分已經嚴重過時甚至被證明為錯誤的知識點；也有可能作者的專業背景、研究方向和當前授課班級的專業大相徑庭，使得教材中部分帶有專業傾向的內容顯得有些“水土不服”。上述與教學大綱不一致，不能服務于教學目標的內容應該全部刪除。

3.4 存疑

所謂“存疑”，就是暫時保留疑問不做定論，留待日后探索和解決。大學教學既是認識真理的過程，也是探索真理的過程，應該培養學生的批判性、探索性思維，鼓勵學生關注和發現傳感器領域存在的各種懸而未決的問題，包括傳感器領域尚未解決的世界性技術難題、現有技術方案的局限性、我國與世界傳感器技術先進國家之間的差距、傳感器技術發展和應用可能或已經帶來的法律和倫理問題等。例如，如何使生物傳感器真正實現微型化、智能化和商業化，從而在健康監測和智慧醫療領域更好地造福人類；如何看待手機中加速度傳感器可能造成的竊聽問題，是否需要進行相關立法；基于大數據和多傳感器數據融合的犯罪預測結果，是否可作為警方限制潛在犯罪嫌疑人行動自由的有效依據；如何通過研發新型傳感器系統實現人腦和機器之間的“腦機連接”，以此造福殘障人士，同時避免陷入與基因編輯相似的倫理難題，避免淪為新型犯罪手段或電子毒品。上述問題往往短期內難有定論，同時又蘊含著巨大的科技、經濟價值和深刻的社會意義。將上述與傳感器課程密切相關且尚未解決的重要內容納入教學過程，引導學生進行關注、發現和探索，比單純要求學生記憶和理解教材上經過反復驗證的經典內容更為重要，更能促進學生的進步，也更能體現出大學培養學生求知探索精神、推動科技發展和社會進步的深層辦學要求。

4 結 語

教學內容重構是持續提升傳感器課堂教學質量的必要措施。本文分別從教材的必要補充、專業需求的適應和教學魅力的提升三個方面對重構的必要性進行了分析，指出教學內容重構是培養學生對傳感器的分析、應用能力和創新熱情的必由之路；詳細詮釋了傳感器教學內容的重構原則——源于教材而高于教材、適應學生需求和社會發展；最后，分析和討論了增加、改造、刪除和存疑這四種方法在傳感器教學內容重構中的應用。