新工科背景下傳感器與檢測技術課程改革與探索

王淑琴 費正順 侯北平

摘要 文章分析了新工科背景下，機器人工程專業的傳感器類課程的現狀和改革需求，探索通過明確高階性的教學目標、融入產業需求的創新性教學內容、全過程互動式的線上線下混合式教學模式和協同增效的課程思政等措施，落實新工科專業課程的改革方案，達到提高教學效果、培養專業的創新性人才的目的。

關鍵詞 新工科；傳感器課程；教學改革

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.029

1目的和意義

新一輪工業革命加速推動了社會經濟和產業格局的變革，以新技術、新產業、新業態和新模式為特征的新經濟對工科建設提出了一系列新的人才需求，隨著“中國制造2025”“創新驅動發展”等一系列國家戰略的提出[1]，2017年教育部主動應對新一輪科技革命和產業變革，推動新工科建設，其主要目標為：“建設服務國家戰略、滿足產業需求、面向未來發展的工程學科與專業，培養具有創新創業能力、跨界整合能力、高素質、復合型卓越工程科技人才”[2]。

浙江科技學院是一所定位于培養國際化、應用型人才的本科院校，學校順應國家和浙江省建設的需求，于2019年開設了新工科本科專業“機器人工程”。機器人工程是一門新興的專業學科，“機器人傳感與檢測”課程是機器人工程、自動化及其相關專業的核心課程，實踐性綜合性強，知識更新快，與其他學科交叉融合深。課程面向機器人工程專業大三學生開設，前期課程已經完成電路與電子技術、自動控制原理和信號與系統等課程的學習，大約50%的學生高中選考了通用技術課程，初步掌握了一些傳感器知識，大學期間學生中參與國創、互聯網+、智能小車、機器人競賽等各類大賽的人數比例高達60%，在競賽中已廣泛使用了某些傳感器，如測距傳感器、定位傳感器、色標傳感器等，但缺乏全覆蓋的傳感器原理和機器人中檢測應用技術的系統學習。

在機器人行業迅速發展，以及教育部大力培育新工科專業的背景下，如何通過新專業新課程建設，在筑牢學生知識基礎的同時，提高其創造力和解決復雜工程問題的能力，培養具有行業知識、工程實踐以及創新能力的應用型人才，已經成為機器人課程教學中亟待解決的重要問題，新專業和產業的需求對應用型人才的培養提出了新要求新挑戰，教學內容和手段、評價機制和改進措施都需要與時俱進。

2課程現狀分析

目前關于傳感器相關課程建設的研究較多，引入的STEAM（Science、Technology、Engineering、Arts、Mathe matics））教育[3]、項目式教學的應用[4-5]和基于OBE理念優化課程體系[6-7]等教育改革都在傳感器課程中取得了良好的教學效果。但機器人產業給傳感器的升級帶來了功能、種類和技術方面的新要求，促進了傳感器產業的轉型與升級，也對高校的傳感器課程改革提出新要求，作為知識傳授的基本抓手，課程建設和改革是事關教師的教和學生的學得以落實的關鍵環節。目前傳感器類課程存在以下的問題：

①教學目標不清晰，傳感器與檢測技術課程是電類工科專業的必修專業課程，也正是由于它的通用性，教學目標往往注重基礎知識的傳授和工程素質的培養，而沒能更好地契合機器人工程高素質專業人才培養的高要求。課程目標必須著眼于提升高階性，通過具有廣度和深度的課程內容與產業需求深度融合，才能培養學生深度分析工程問題、大膽質疑、勇于技術創新的精神和能力，價值塑造、知識獲取和能力培養才能有機融合。

②教學內容模式化，機器人中的位置、速度、加速度等檢測與常規檢測雖然在原理技術路線上相似，但具體到機器人應用場景與實現路徑又有自身的專業特點，機器人的力覺、視覺、觸覺等擬人化的應用與工業中常見物理量和機械量的檢測有聯系更有區別，傳統的“傳感器與檢測技術”課程需整合專業技術技能的內容，教學內容既能全面覆蓋各類傳感器原理知識理論的學習，又有面向機器人感知系統分析與設計的學習。

③教與學的方式還需進一步深化改革，目前大多數高校教學都積極采用線上線下混合的教學模式，但混合式教學模式不是傳統教學和網絡教學的簡單疊加[8]，要避免出現為了混合而混合的現象，否則會出現學生要完成線上線下兩部分的學習任務，線下課堂要聽老師灌輸，線上還要刷視頻，重復內容的學習既增加了學生負擔又沒有達到學習效果，甚至引起學生對混合式學習的抵觸心理。課程內容設計要合理規劃線上線下的合理配置，既要筑牢基礎知識點，又要有研究性、創新性、綜合性內容，線上學習與線下學習要有區分更要形成互補，此外知識和任務的難度要進行分層規劃，保障學生能完成賦能學習和挑戰學習，吸引學生主動加大學習投入，增強學生經過系統化學習收獲能力和素質提高的成就感。

3基于OBE工程教育理念的教學改革探索

成果導向教育OBE（Outcomebased education）是指教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后所取得的學習成果，新工科建設指南中倡導要注重教育理念引領，全面落實“學生中心、成果導向、持續改進”的理念。教學改革探索是基于OBE工程教育理念，從機器人工程新工科專業的最新人才培養目標和畢業要求出發，進行課程的反向教學設計，包含明確課程目標，分解教學內容，調整教學方法和手段，設計課程合理有效的考核方式及課程目標達成的評價標準等方面。

3.1教學目標設計

“機器人傳感與檢測”課程是一門融入機器人感知理論與在機器人中檢測應用的基礎性課程，其引導意義和實踐性對應用型人才培養有極其重要的意義和示范效應。課程建設以“知識領會、能力提升、素質養成”為目標，構建全方位多層次的培育目標體系。

知識目標：筑牢學生的傳感器知識基礎，使其系統全面地掌握傳感器基本原理和檢測技術的一般方法，并能分析和綜合典型的機器人傳感器，熟悉機器人傳感系統的工程設計技術和傳感器類型和規格的配置方法，掌握機器人的內傳感系統和外傳感系統的設計方法，實現機器人多模態的感知融合。

能力目標：培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維，能夠基于科學原理并采用科學方法對機器人工程領域的復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據、并通過信息綜合得到合理有效的結論；能夠根據工程實際需求，提出機器人感知和檢測解決方案。

素質目標：基于機器人傳感器的知識對工程實踐中的機器人控制系統的解決方案受成本、能耗、環保、安全等多種社會因素的制約進行合理分析，通過課程包含的系統觀和方法論的學習，培育良好的職業操守和工匠精神，樹立為人民創造美好生活的社會責任感，培養團隊合作精神。

3.2重塑課程教學內容體系

根據新工科建設要求，通過深入調研機器人發展和產業需求，掌握本課程對應的職業能力要求，制訂并完善本課程的課程大綱；結合行業需求與技術發展，特別是具體崗位對該課程的知識與能力要求，重新規劃和設計課程教學內容，并將企業優質案例、設計方案等引入課堂教學內容，融合企業實例，強化教學文件內容的實效性。

課程采用線下教學與線上教學融合的混合教學模式，對知識內容進行分層規劃，課前以問題導向通過線上MOOC完成知識內化；課中以行為導向為主模擬化產業實例項目實戰完成合作學習，探尋工程問題和本課程知識點之間的關系，構建工程實際場景，把理論課程的階段性目標與不同層次項目任務對應，逐步培養學生解決簡單工程問題的能力，再逐步深化到解決復雜工程問題的能力，遞進式為學生賦能，落實基礎知識好、實踐能力強、創新作風實的機器人領域高素質應用型工程類人才的培養（見圖1）。

3.3教學活動的組織

根據課程整體特性和各知識單元的特點，課程采用三種教學模式構成一個學習全周期，學生課前、課中和課后圍繞一類傳感器的工程應用可以系統地掌握傳感器基本原理、生活中的應用和機器人中的應用三個階層的學習，線上自學為線下任務奠定基礎，項目式學習又可以豐富線上的案例，互為補充相得益彰。

3.3.1個人線上自主學習自主評測

教學開始前，教學團隊充分調研各類院校的相關課程情況，搜集相關教科書，并且提取出知識點關鍵詞，構建初代“課程知識圖譜”，導入自主學習層次的知識點，各知識點關鍵詞跟線上教學資源構建關聯，利用動畫、視頻等形象地介紹常見電阻、電感、電容、壓電、光電等傳感器原理，吸引學生結合身邊的案例，收集傳感器產品，“學”進傳感器的基本原理，了解傳感器的應用，確保學生每個人都能完成基礎任務，為任務和項目化學習奠定基礎。學生收集到傳感器種類和應用將補充到專業知識圖譜體系中，并以此作為線上精準學情研判的基準，根據其掌握情況進一步進行學習資源的個性化推薦。此外圍繞傳感器基本性能的自測題可以輔助學生完成自我評測和幫助老師更好地了解學生學情，優化教學方法和調整教學策略。

3.3.2課中線下環節合作學習——小組任務式

課堂建設以學生為主體，充分發揮學生自主學習的能動性。課堂教學具有同步和集體參與的優勢，以集中講授和小組研討為主，采用小組任務式學習，根據教學計劃，教學班分為6個小組，每個小組分別領用電阻式、電感式、電容式、壓電式等不同類別傳感器、依據挑戰度和學習進度由低到高進階式的學習路徑，初級任務和進階任務以工業經典案例為引導，任務與學生學習進度和掌握程度密切關聯，小組內每個成員都進行任務分工，每次檢測任務的分析和設計都由小組成員“說出來”，由其他小組成員和教師“問起來”，師生與生生構成“學習共同體”，全員密切合作充分交流，共享學習和創新思維成果。由于每個小組領取的傳感器各不相同，在檢測系統設計中，對同一個檢測量，不同小組的設計方案都可以提供可行的設計方案，此階段引導學生“思辯”：如何將本小組的傳感器應用于工程項目中，如何使用本小組的傳感器可以更好地實現感知系統的功能，形成“組內成員合作，組間成員競爭”的學習新格局。

本階段的學習將分散的傳感器內容進行整合與重構，通過準工程師模擬等角色扮演，學生通過自己努力和小組協作能完成從基礎到進階不同層次的任務，落實工程能力的提升。在本期的學習中，通過任務實現知識學習與技能應用的緊密融合，學生在做中學，邊做邊學，提升了利用本小組傳感器解決工程問題的能力，還在對比學習中掌握具備其他傳感器方案分析和設計的能力。同時本階段結合實際工程應用場景的傳感器性能特性和接口電路等知識也及時會補充到專業圖譜，大家共學共建共享傳感器成果庫（見圖2）。

3.3.3線下綜合性大學習——小組項目式

結合行業、產業的實際用人需求和專業特色，本課程尤其注重以企業中實際機器人工程的項目案例為牽引，推動工程實踐與專業課程基礎理論的深度融合。前期利用線上線下的教學學生已經具備傳感器典型工業場景應用的能力，機器人傳感器和普通傳感器工作原理基本相同，但又有其特殊性。其傳感器要求檢測機器人的姿態和所處環境（如是哪種物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（如抓取物體時是否有滑動）等，本階段的學習項目從企業行業中挖掘，以機器人力覺、觸覺、聽覺、接近覺為切入點，引導各個小組使用自己小組傳感器完成這些功能，這時傳感器的選用一方面要考慮傳感器的分辨率精度這些常規性能指標，還要考慮傳感器要安裝在機器人的合適位置，如關節上，選用時又考慮到安裝傳感器結構的可行性等實際問題，此外，機器人中多傳感器多感知融合的系統，也推動各小組間互相討論互相協作，討論如何解決復雜應用場景中的傳感器本體精度保證、場景適用和機構一體化等工程問題。

3.4多元形成性評價機制

本門課程的評價包含過程性評價和總結性評價兩部分，其中過程性評價關注學生過程學習成果的落實，以學生在任務項目化完成的各階段綜合運用知識解決工程問題為衡量指標，對標學習過程中的分層任務達成度和項目功能以及方案多樣性和可行性，給出科學和可量化的評價標準。課前通過線上設計課程學習具體傳感器任務清單；課中需要小組完成討論分工完成初級任務和進階任務，小組合作學習強調的是標準參照評價，把小組總體成績作為依據，使得評價的重心由鼓勵個人競爭轉向鼓勵小組合作，采用教師評價與組內互評和學生自評相結合，個人成績與小組成績相結合，學生成績與合作態度相結合的方法，使評價從單一走向多元，從而實現教學評價的科學化。

3.5“協同增效”的課程思政教學模式

教和學全過程融入思政元素，結合課程知識點和課程目標，對每一章節的思政內容進行了梳理，明確思政目標，結合科技時事熱點，講好中國大工程故事，落實課程知識點的課程思政切入點，建設了基于系統觀的傳感器課程思政案例庫。課程思政融入學和做的實踐中，例如準工程師角色模擬，根據應用場景測量任務量綜合考慮精度與線性度、靈敏度等影響因素矛盾對立統一的關系，選用適合的器件；通過采購經理和設計工程師間角色互換扮演，學會用工程理念落實企業實用產品的設計。初級和進階的工程項目任務緊密聯系生活，呼應人民生產生活水平提升的關切，如防跌倒系統設計與獨居老人健康管理的需求，通過身邊的實例見證科技的飛速發展、科技服務人類造福人類，激發學生的國家責任感和社會擔當（見圖3，p94）。

4總結

本課程改革探索致力于解決原課程體系與機器人行業新需求的問題，通過教與學全過程改革，構建師生學習共同體，學生全方位參與式學習，教師隨時通過信息化手段獲得學生的反饋信息，動態調整后續教學活動，實現專業知識傳授、能力塑造與價值觀協同發展。本次教學改革完成了課程內容的重構，機器人傳感器教學既要完成傳感器工業檢測全域知識點的筑牢，又要落實到機器人行業的應用。所有知識點按照自主學習、引導學習、深度學習三個層級進行拆解，結合規劃出適合線上自學教學的知識點，線下課堂項目小組式組織其他兩個層次的知識內容學習。其次，完成工業場景項目統合課程內容，任務難度依次遞增，以小組團隊項目為牽引，以產業學院和企業實際項目的方式完成團隊對比學習進而共同合作學習，完成機器人中多任務多感知系統的實現。學生人人參與，任務與學生學習進度和掌握程度密切關聯，在小組內每個成員都進行任務分工，把掌握學習進度的主動權最大限度地交給學生，任務難度根據學生掌握情況進行動態調整，要求“人人能完成個人學習目標”，落實“人人都參與團隊，協同完成共同愿景”，學生可以通過自己的努力和小組協作完成基礎到進階不同層次的任務，落實工程能力的提升，提升學習的成就感和滿足感。

基金項目：高等教育學會2021年度“機器人專業重點課程建設”專項課題（21GCZD07）；浙江省一流本科課程項目“機器人傳感與檢測”；浙江省普通本科高校“十四五”教學改革項目（JG20220406）；浙江科技學院一流本科課程項目“機器人傳感與檢測”（2021K2）；浙江科技學院在線精品課程項目“傳感器與檢測技術”（2020J6）；浙江科技學院校級教學改革研究項目（2020J5）。

參考文獻

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