基于理虛實用一體化的智能傳感與檢測技術(shù)課程開發(fā)研究

歐幸福 陳文鳳

［摘? ? ? ? ? ?要］? 針對機電類專業(yè)智能傳感與檢測技術(shù)課程的傳統(tǒng)教學方式存在諸多問題，依托云課堂平臺開展線上線下、課內(nèi)課外混合式教學，充分發(fā)揮虛擬仿真實訓系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，提出了“理論精講—虛擬練習—實踐操作—崗位應用”四位一體的教學模式，開展了創(chuàng)新型、分層次合作探究教學改革和實踐。經(jīng)過多輪次“理、虛、實、用”相結(jié)合的探究式教學改革實施，使學生由淺入深逐步理解傳感器的結(jié)構(gòu)原理、電路設(shè)計、方案驗證和實際應用，全面提升自主學習和創(chuàng)新實踐能力，為機電類同類課程的改革提供建設(shè)性的建議。

［關(guān)? ? 鍵? ?詞］? 智能傳感與檢測技術(shù)；理虛實用一體化；探究式教學；教學改革

［中圖分類號］? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文獻標志碼］? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文章編號］? 2096-0603（2023）12-0037-04

智能傳感與檢測技術(shù)課程是面向工業(yè)傳感器集成工程師崗位群設(shè)置的高等職業(yè)院校機電、電子類專業(yè)的專業(yè)核心課程，課程內(nèi)容主要包括傳感器結(jié)構(gòu)、工作原理、性能參數(shù)、信號檢測電路、選型方法和應用系統(tǒng)綜合設(shè)計[1]。從知識體系來看，結(jié)構(gòu)、工作原理是傳感器教學的認知基礎(chǔ)，性能參數(shù)是掌握傳感器功能特征的指標，信號檢測電路是使用典型傳感器的功能電路，設(shè)計、測試典型傳感器的常用信號采集、放大和轉(zhuǎn)換電路，選型方法是根據(jù)實際功能需求和現(xiàn)場特點，選擇合適的傳感器和信號檢測電路，應用系統(tǒng)綜合設(shè)計是學生根據(jù)所學課程知識融會貫通，完成典型傳感檢測系統(tǒng)的設(shè)計和工程應用[2]。

課程面向的職業(yè)崗位屬于與市場發(fā)展密切聯(lián)系的新興技術(shù)領(lǐng)域，新技術(shù)、新工藝的不斷發(fā)展影響該課程教學的改革和發(fā)展，但由于部分院校的專業(yè)調(diào)研、崗位需求分析的滯后性，導致課程教學改革的目標定位不準確，教學內(nèi)容與職業(yè)崗位技能要求脫節(jié)，學生難以適應企業(yè)用人需求。由于高職教育蘊含的職業(yè)特性，智能傳感與檢測技術(shù)的職業(yè)技能等級證書考查的是理論知識和專業(yè)技能的綜合應用能力，涉及電子、計算機、自動化、物聯(lián)網(wǎng)等多個專業(yè)的多門課程的知識點、技能點，課程內(nèi)容比較繁雜，但是目前高職院校在日常教學中通常只注重教材知識和技能的講授，尚未有效融入職業(yè)技能等級證書考核內(nèi)容，導致畢業(yè)學生的崗位適應能力較差。

針對上述存在的問題，本文根據(jù)新時代“崗課賽證”綜合育人要求，提出“理論精講—虛擬練習—實踐操作—崗位應用”的“理、虛、實、用”四位一體的教學模式，校企合作開展課程“雙導師”制改革，充分發(fā)揮虛擬仿真實訓系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，開展了創(chuàng)新型、分層次合作探究教學改革和實踐，有效解決傳統(tǒng)實踐教學過程中諸多問題[3]。依托云課堂平臺開展線上線下、課內(nèi)課外混合式教學，進一步激發(fā)學生的學習興趣，由“填鴨式”教學轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾魈骄渴綄W習，培養(yǎng)學生工程創(chuàng)新精神和思維理念，提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實踐能力。

一、課程設(shè)計理念

（一）基于職業(yè)崗位工作構(gòu)建教學體系

根據(jù)高職院校“崗課賽證”綜合育人的新內(nèi)涵，以本地智能制造領(lǐng)域企業(yè)實際需求為根本出發(fā)點，面向智能傳感與檢測技術(shù)工程師崗位，依據(jù)《專業(yè)人才培養(yǎng)調(diào)研報告》確定專業(yè)人才培養(yǎng)的崗位群和典型崗位工作要求、任務，以崗位工作過程所需的能力為指導，構(gòu)建適合新時代高職院校特點的模塊式課程教學內(nèi)容體系，突出學生傳感器應用能力的培養(yǎng)，著力體現(xiàn)該課程“基礎(chǔ)性+應用性+職業(yè)性+先進性”的特點，實現(xiàn)教學做一體化[4]。

（二）依據(jù)“基礎(chǔ)性、應用性、職業(yè)性、先進性”選擇課程體系的知識內(nèi)容

新時代高職教育高技能人才培養(yǎng)需要體現(xiàn)綜合性內(nèi)涵，應依據(jù)“基礎(chǔ)性、應用性、職業(yè)性、先進性”設(shè)計課程體系的知識內(nèi)容。重視傳感器技術(shù)的基本理論、基本知識、基本技能的教學，以體現(xiàn)課程的“基礎(chǔ)性”。通過開設(shè)綜合性和創(chuàng)新設(shè)計性實驗、實作以及項目式教學，突出課程的“應用性”。高等職業(yè)教育是基于工作體系的教育類型，課程內(nèi)容應以工作過程技能為主，注重課程知識的“職業(yè)性”，要以工作過程為基礎(chǔ)形成的職業(yè)行動體系。傳感檢測技術(shù)是一門與市場發(fā)展緊密聯(lián)系的新興專業(yè)技術(shù)，課程改革設(shè)計時需要融入行業(yè)中的最新技術(shù)、工程案例，保持課程的“先進性”。基于上述要求，課程知識內(nèi)容設(shè)計分為理論、實訓、課程設(shè)計和創(chuàng)新應用四個部分，其中理論與實訓交替展開，掌握基礎(chǔ)知識和檢修、設(shè)計理念，實訓為綜合技能訓練，課程設(shè)計主要涵蓋職業(yè)技能等級證書考核知識點，創(chuàng)新應用部分主要是選取行業(yè)領(lǐng)域最新技術(shù)作為教學案例培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

（三）構(gòu)建“理、虛、實、用”四位一體的教學模式

為解決傳統(tǒng)課程教學存在的問題，與多方行業(yè)龍頭企業(yè)開展了教、培、研、賽一體化的深度合作，校企共建大師工作室、中德職業(yè)技術(shù)培訓學院和物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)國家級協(xié)同創(chuàng)新中心，引進企業(yè)高級專家開展工程案例研發(fā)，依托智能控制技術(shù)國家級教學資源庫建設(shè)課程在線教學資源。樹立以教師為主導、學生為中心的教學理念，構(gòu)建“理論精講、虛擬練習、實踐操作、崗位應用”的“理、虛、實、用”四位一體的教學模式。“理”：運用3D動畫、二維碼學習資源、AR工作頁等信息化資源幫助學生解析理論知識，為學生的知識鏈和能力鏈夯實理論基礎(chǔ)；“虛”：利用校企聯(lián)合開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)和國內(nèi)外行業(yè)頂尖的虛擬仿真平臺，剖析復雜傳感器結(jié)構(gòu)，練習使用方法，輔助方案設(shè)計，做好實操準備，保障學生安全、降低教學設(shè)備損耗；“實”：學生以角色扮演、小組協(xié)作、任務驅(qū)動等方式完成實操訓練；“用”：依托大師工作室、中德職業(yè)技術(shù)培訓學院和物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)國家級協(xié)同創(chuàng)新中心，聘請企業(yè)導師開展課程雙導師制度改革，雙導師帶領(lǐng)學生完成企業(yè)真實項目，培養(yǎng)學生職業(yè)崗位技能。“理、虛、實、用”環(huán)環(huán)相扣、步步提升，實現(xiàn)學習過程的“閉環(huán)控制”、知識技能的“返璞歸真”和工學結(jié)合。

（四）深挖思政元素，回歸教育初心，聚焦高校育人的價值本源

聚焦高校育人的價值本源，以立德樹人為使命，充分挖掘課程中包含的思政元素和承載的思政功能，教學項目以我國抗疫故事為主線，提煉愛國主義教育、工匠精神、創(chuàng)新精神、職業(yè)素養(yǎng)和勞模精神等要素，有機融合到教學全過程中；通過學生喜聞樂見的表達形式，引發(fā)情感共鳴與價值認同，做到“同頻共振”和“潤物無聲”，引導學生先明是非曲直、后明道路方向、再明如何作為，實現(xiàn)知識傳授、價值塑造、能力培養(yǎng)的有機統(tǒng)一。

二、課程設(shè)計思路

基于智能傳感與檢測技術(shù)崗位群分析歸納典型工作任務和工作要求，提煉出與智能傳感與檢測技術(shù)相關(guān)的行動領(lǐng)域，轉(zhuǎn)換成課程學習領(lǐng)域，確定課程的學習領(lǐng)域和教學目標，然后根據(jù)崗位工作技能要求、教學目標設(shè)計課程的學習情境和教學內(nèi)容，對課程教學的知識點和能力點進行梳理重構(gòu)，根據(jù)教學實施效果評價，實時調(diào)整并不斷更新教學內(nèi)容、教學方法和教學手段等，課程設(shè)計思路如圖2所示。通過課程開發(fā)，確保所設(shè)置課程體系的內(nèi)容及深度滿足“必需、夠用”的要求[5]，并在“必需、夠用”的前提下，做好教學內(nèi)容的歸納及知識拓展，為學生的可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

三、課程內(nèi)容設(shè)計

在智能傳感與檢測技術(shù)的設(shè)計、組裝、檢測、調(diào)試崗位群中，涉及的崗位工作技能主要包括傳感器的選擇、安裝、檢測、電路設(shè)計和應用系統(tǒng)開發(fā)能力[6]。依據(jù)職業(yè)崗位工作任務要求，依托本專業(yè)的“1+X”工業(yè)傳感器集成應用職業(yè)技能等級證書試點、中德職業(yè)技術(shù)培訓學院和物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)國家級協(xié)同創(chuàng)新中心的軟硬件資源，在課程內(nèi)容的選取上設(shè)計了“電子秤設(shè)計與制作”“聲光雙控廊燈設(shè)計與制作”和“汽車轉(zhuǎn)速表設(shè)計與制作”等八個難度梯度化教學項目。課程內(nèi)容設(shè)計原則為：知識學習由簡單到復雜、技能訓練由單一到綜合，教學內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，與企業(yè)崗位工作內(nèi)容有機融合，符合學生的認知規(guī)律和職業(yè)發(fā)展規(guī)律，實現(xiàn)課程標準與職業(yè)技能等級考核大綱對接、教學任務與職業(yè)技能等級考核項目對接、課程考核標準與職業(yè)技能等級認證標準對接。課程內(nèi)容設(shè)計流程如圖3所示。

四、教學改革實施案例分析

基于上述課程教學改革設(shè)計，團隊開展了相應的教學實踐，依托云課堂平臺、虛擬仿真系統(tǒng)和實訓室，構(gòu)建課內(nèi)課外、線上線下、理虛實用一體化的混合式教學課堂，完善教學內(nèi)容、教學資源、教學手段和評價考核體系，優(yōu)化教學過程。將教學過程設(shè)計為課前、課中、課后三個階段，基于學生認知規(guī)律將課中教學過程設(shè)計為回顧點評、情景導入、結(jié)構(gòu)解析、自主探究等環(huán)節(jié)，以教師為主導、學生為主體，有機融合教學內(nèi)容，著重培養(yǎng)學生自主學習和問題解決能力。以“電子秤設(shè)計與制作”為例，闡述“理、虛、實、用”四位一體化實訓教學的具體實施過程[7]。

（一）課前準備

教師在云課堂上上傳學習資源，發(fā)布課前學習任務，要求學生通過微課、動畫等資源學習金屬電阻的基本知識，完成課前測試；教師查看學生的學習記錄，總結(jié)學生學習難點、痛點，并根據(jù)分析調(diào)整教學策略。

（二）案例引入，思政教育

首先通過《厲害了我的國》中港珠澳大橋的重力檢測、經(jīng)典故事《曹沖稱象》和智能家居中智能電子秤等，引出如何測量重量這個話題和課程任務，通過這樣的課題引入，開展課程思政教育，讓學生體會到學習任務的實用性，激發(fā)學生學習傳感器的興趣，體現(xiàn)“用得上”特點[8]。

（三）創(chuàng)設(shè)情境，明確任務

創(chuàng)設(shè)項目情境：公司承接了一種某電子稱重儀產(chǎn)品的研發(fā)任務，學生作為本次研發(fā)任務的團隊成員，要求對該產(chǎn)品進行設(shè)計、制作和測試；引導學生分小組開展產(chǎn)品需求分析、整體方案的研討和技術(shù)方案的設(shè)計。通過項目情境的引入，以崗位工作過程為導向，采用任務驅(qū)動法，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的綜合能力，同時激發(fā)學生的學習興趣。

（四）原理帶入，突出重點

理論知識精講。教師利用3D動畫、視頻微課等信息化手段精講電子秤和力敏傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，如何選用、測試和校驗稱重傳感器，通過各種信息化資源“化靜為動、化虛為實、化難為易”，有效促進理論知識的教學，降低學生的學習難度。

針對學生自主實踐的教學難點，運用Proteus虛擬仿真軟件、云課堂的資源庫等“虛擬”信息化手段助力學生的理解和方案設(shè)計，虛擬仿真電子秤的硬件電路設(shè)計包括信號放大電路、顯示電路，運用虛擬仿真技術(shù)來輔助硬件電路的設(shè)計和驗證，降低了學生設(shè)計硬件電路的難度。

檢測系統(tǒng)的軟件快速開發(fā)，相對于傳統(tǒng)方法，大大降低了工作任務的難度，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，讓學生真正“學得會”。

（五）隨堂測試

教師完成原理知識精講后，通過趣味測試App軟件發(fā)布測試闖關(guān)游戲，以“寓教于樂”的形式加深學生對知識的掌握程度。然后，利用云課堂在線測試功能，檢查學生對理論和設(shè)計要點的掌握程度，并根據(jù)測試結(jié)果完善理論講解。

（六）任務實施

教師下發(fā)任務書和相關(guān)參考資料，明確具體工作任務，開展實操訓練安全教育。

學生以不同的職業(yè)角色進行任務分工，引導小組討論、確定項目設(shè)計、使用仿真驗證方案的合理性。經(jīng)過方案設(shè)計、硬件制作、軟硬件調(diào)試三輪實操訓練環(huán)節(jié)，完成產(chǎn)品的設(shè)計與制作。教師現(xiàn)場巡視，針對學生特點開展分層教育，指導任務實施困難的小組開展一對一指導，對于學有余力的小組安排針對性的拓展任務。企業(yè)導師通過MR遠程協(xié)助系統(tǒng)遠程巡視、指導學生的任務實施。

（七）課堂總結(jié)

通過小組自評、互評、教師和導師評價等不同維度，點評學生的項目實施情況，評選出本項目的最佳研發(fā)小組。

（八）課后提升

通過云課堂發(fā)布課后測試任務，檢測課程學習效果。要求學生學習傳感器其他案例的設(shè)計項目和相關(guān)資料，讓學生學會舉一反三，加深學生對該傳感器的理解和應用，并提交任務成果。

學生以素質(zhì)拓展的形式進入大師工作室，在企業(yè)導師的指導下完成企業(yè)真實項目——“飲料灌裝機重量測量系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)”，通過素質(zhì)拓展任務提升學生的崗位創(chuàng)新能力，真正體現(xiàn)“工學結(jié)合，學用一體”。

五、教學評價設(shè)計

課程成績由平時成績、期末考試成績、項目實施成績和大師工作室素質(zhì)拓展成績組成，分別占比20%、20%、40%和20%。其中平時成績由云課堂平臺成績評價系統(tǒng)自動生成，可記錄學生學習課程的點點滴滴，包括考勤、課堂表現(xiàn)、作業(yè)情況、任務完成情況等。項目實施成績由小組自評、小組互評和教師評價三部分組成，大師工作室素質(zhì)拓展成績由企業(yè)導師根據(jù)學生工作情況進行評定。避免傳統(tǒng)評價方式的單一，全面反映實踐教學過程中學生對知識的真實掌握程度。

六、教學效果

（一）多維信息化資源“攻堅克難”提升教學效果

虛擬仿真系統(tǒng)、小游戲、VR場景等信息手段突出教學重點，3D動畫、思維導圖、仿真平臺等資源融合國家標準、職業(yè)技能標準，將抽象的知識具體化，培養(yǎng)了學生的邏輯思維，突破教學難點。依托國家級資源庫、云課堂等平臺，建立多維一體的教學內(nèi)容、教學資源、教學手段和評價考核體系，優(yōu)化教學過程，教師掌握課堂情況更透徹，解決傳統(tǒng)教學僅僅局限于課堂的教學痛點。

學生的學習興趣明顯增加，對教學方法、教學組織、課堂效果等方面的滿意度明顯提高，任務實施成績和效率進步明顯，知識點測試成績大幅提升。學生完成課程學習后，積極報考“1+X”工業(yè)傳感器集成應用職業(yè)技能等級證書，近三年來，班級學生的考證通過率由原來的75%提高到現(xiàn)在的100%。此外，學生在國內(nèi)外傳感器應用技術(shù)類競賽中獲得省級及以上榮譽16項，取得了良好的教學效果。

（二）多類型教學方法引領(lǐng)高效、互動課堂

采用小組討論、頭腦風暴、合作探究、角色扮演等多種學習方法，培養(yǎng)學生的探索意識、自主學習能力和團隊合作精神。同時，直播、搶答、主題討論、群聊等信息化手段的加入，充分調(diào)動師生互動、生生互動的積極性，“連連看”小游戲、VR虛擬場景、AR工作頁等信息化資源營造輕松、快樂、實用的學習氛圍，激發(fā)學生協(xié)作式學習。

七、結(jié)語

本文提出了“理、虛、實、用”四位一體的教學模式，近三年來在智能傳感與檢測技術(shù)課程中實施了多輪次的實踐教學改革實踐，通過課堂滿意度的問卷調(diào)查，結(jié)合學生任務考核情況，從結(jié)果來看，學生的學習興趣、教學滿意度和學習成績顯著提高。學生反饋通過虛擬仿真設(shè)計、驗證，結(jié)合各種信息化教學資源，對傳感器原理、系統(tǒng)理解得更加深入，充分調(diào)動了對創(chuàng)新設(shè)計的積極性，課堂學習效率更高；課后進行大師工作室頂崗學習，真正掌握完整的設(shè)計思路和應用方法，全面提升了自主學習和實踐能力。另外，近三年學生在職業(yè)技能等級證書的考證通過率得到大幅提升。在此基礎(chǔ)上，下一步的工作重點將圍繞構(gòu)建基于數(shù)字孿生平臺、MR混合現(xiàn)實遠程在線教學平臺的線上線下混合式教學模式的研究與實踐等方面開展。

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◎編輯 栗國花