新工科背景下“傳感器原理與應用”課程教學與探討

楊柳 胡永明

摘要“傳感器原理與應用”是一門以工程應用為目標的重要課程，在新工科教育背景下，以一流應用型人才培養為目標，更注重學生實踐能力和應用能力的培養，使之成為符合社會和企業需求的人才。文章首先介紹了該課程的教學現狀和存在的問題，針對問題，通過改革課堂教學和實驗教學等環節，激發學生的學習興趣，使學生能夠獨立完成傳感器應用的研發，提高學生分析問題與解決問題的能力，真正做到學以致用，知行合一。

關鍵詞 新工科；教學改革；傳感器原理與應用

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.034

隨著我國經濟社會的快速發展，各行各業對于人才的需求不斷增大。尤其隨著產業智能化、機械化程度的不斷加深，現有的人才培養體系已難以滿足社會和經濟的發展需要。2017年，教育部提出了發展新工科的概念，先后出臺了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等文件，這些內容為適應新時代背景下的工程應用型人才培養指出了方向。

傳感器作為智能化工程應用的基礎，是人工智能與新一代信息技術的重要內容，也是現代化工業與器械的“眼睛”。隨著人工智能的發展，出現了新一代的工科專業如“智能制造”“物聯網工程”“機器人工程”等，傳感器作為感知外部信息的重要單元，在這些專業和工程體系中具有舉足輕重的作用[1]。然而，“傳感器原理與應用”這門課需要的前置課程包括“C語言編程”“計算機原理”“模擬電路”“數字電路”“信號與系統”等基礎課，要求學生在前置課程交叉融合的基礎上進行綜合應用和實踐。此外，該課程知識點多且復雜，理論學習枯燥，缺乏系統性，并且很多時候由于實驗條件等限制，使該課程大部分內容僅停留在理論層面，缺乏系統的實踐環節[2-3]。因此，作者探索借助多元化的教學手段來提高“傳感器原理與應用”課程的有效性，滿足新工科背景下的教學要求。

1課程的教學現狀

目前，湖北大學（以下簡稱“我校”）“傳感器原理與應用”課程在授課過程中主要存在以下幾方面的問題：

1.1實驗內容與實驗器械老舊

傳感器原理這一門課程以現代信息技術的三大支柱在信息系統中擔任著感官的作用。傳感器也隨著時代的發展不斷前進，正從傳統的分立式向集成化、智能化、數字化和系統化的方向發展。然而，由于實驗教學資源有限，導致傳感器及其測試設備更新緩慢，現存的實驗儀器仍是十幾年前的通用傳感器，對于新型傳感器基本沒有涉及。隨著科技的快速發展，新型的傳感器不斷迭現，實驗用傳感器未能與現代工業體系下的傳感器相結合，內容更新較為緩慢，導致傳感器實驗跟不上時代發展的步伐。

1.2傳感器實驗環節安排單一

實驗環節通常采用教師講解―學生分組操作―數據處理―實驗報告的模式進行，盡管這些步驟在一定程度上可以讓學生將理論融入實踐，提高動手能力，但是，一個分組往往有好幾名學生，教師在實驗過程中不能兼顧每一個學生，無法保證每一個學生的實踐能力都得到提高。此外，學生實驗為固定性的驗證性實驗，實驗過程往往照本宣科，無法鍛煉學生發現問題、解決問題的能力。

1.3教學安排重理論、知識點分散

目前，傳感器原理的大部分學時仍然安排在理論課程，實驗環節課程學時較少。教學大部分仍集中在各類傳感器的部分理論解釋，且解釋過程過于抽象，難以讓學生與實際應用相互對照。此外，傳感器的理論部分過于枯燥、知識點分散，該課程集中了幾十種傳感器，每一種都存在不同的傳感原理與應用環境，缺乏系統架構與梳理流程，僅從理論解釋很難引起學生的興趣。

1.4學生實驗意識缺乏、水平有待提高

一些學生對于實驗的認識不足，加之實驗態度不端正，未認識到實驗的重要性，因此對于實驗中的儀器不夠愛護。此外，學生由于缺乏實驗基礎，實驗的技能和安全意識缺乏，容易因為實驗失誤造成自身損傷或者儀器損傷。

2課程教學改革探索

2.1優化課程內容與安排

優化課程安排。針對該課程理論授課內容較多、實驗安排較少的問題，加強實驗課的學時分配，將部分理論課程的講授放在實驗環節。在實驗過程中，進行理論知識的傳輸，利用實驗的過程、儀器、場景對傳感器的理論進行深入剖析，同時引導學生將理論融入實踐，讀萬卷書不如行萬里路，多思考、多動手，在實驗過程中鍛煉學生分析和解決問題的能力。此外，除了實驗和課堂內容外，還可以開展一定學時的傳感器應用環境的實際考察與探索，例如，調研油氣管道、輸電線路，對現行線路監測的位置、參量、傳感器類型等多個方面進行考察，重點讓學生了解監測的目的和意義，明白傳感器實際應用的重要性，激發學生對于該課程的學習興趣。

優化課程內容。目前本校的傳感器課程主要集中在傳統教學講授過程中，講授的傳感器類型較多，原理各不相同，理解相對復雜，但是傳感器部分原理相通，因此，本課程將各類傳感器進行綜合劃分，重點講解某一種傳感器，從原理、效應、器件設計到系統規劃進行充分講授。由于學生已經在前置課程中學習了多種專業知識和基礎課程，傳感器這門課程的重點不再是簡單的對于所有傳感器理論的分析，而是轉移到提高學生實際解決工程問題的能力，也是學生從學習階段向社會就業或者研究生項目培養階段的轉變。因此，在某一類相同傳感器中選擇一種傳感器，讓學生自己進行講解，學會自己分析、選擇所需傳感器，實現從理論教授到方法講授的轉變，授之以魚不如授之以漁，進而達到觸類旁通的目的。

2.2以實踐為向導探索傳感器實驗教學的新模式

從應用實際出發，設計傳感器實驗新模式。多途徑提升傳感器實驗的效果，摒棄傳統的傳感器驗證性實驗，根據課程理論的講解和前期多門公共課和基礎課的學習，探尋從理論到實踐的升華。首先，打破傳統驗證性的實驗方案，實現開放型實驗架構。本課題組根據教師自己的研究內容，結合企業需求，設計不同的實驗方案，在給定的應用環境下，實現傳感器系統化、主動化、差異化的實驗體系，真正的學以致用，如智能溫室大棚、視覺機器人、智能水質管理等。以水質檢測為例，本課題組結合環境水質的監測課題，設計了對于水質的多參量監測；學生需要結合水質監測的特點和參量特性，根據所學的傳感器原理和參數特點，選擇合適的傳感器，如溫度傳感器、pH值傳感器等。分析該傳感器的具體理論、傳感機理、靈敏度等具體數據，結合數據采集與處理裝置，實現傳感器的實際應用。這樣做，學生不僅可以掌握本課程的課堂理論知識，還可以鞏固相關傳感器理論、數字電路、模擬電力、數字信號處理等基本知識，提高自己實際解決問題的能力。

優化實驗流程。傳統實驗的流程一般是按照既定的驗證性的試驗方案，課前預習―理論講解―動手操作―實驗報告，該過程只要學生按照實驗手冊的步驟和流程一步步操作基本不會出現其他問題，也不存在思考與分析，對于學生的實踐能力沒有明顯的提升。本教研組按照場景設計―理論分析―實驗方案―傳感器選擇―電路設計―軟件設計―數據采集預處理―實驗后分析與探討等幾個方案進行優化，從問題出發，以解決問題為目的，讓每一個學生能夠依據所學知識，主動思考，針對場景選取合適的方案和處理流程，也會發現通常實踐中與理論相互不匹配的問題，把抽象的理論向具體的方案轉變，加深學生對于傳感器的理解和認識，提高學生發現問題、解決問題的能力。

2.3開通線上線下教學―實驗模式

教學過程是教師和學生不斷互動的過程，只有讓學生加入日常教學活動中，才可以最大限度激發學生的學習興趣，提高學生的學習能力。對于“傳感器原理與應用”這門課，由于其中聚集的知識點較多、較雜，僅僅靠課堂教學顯然難以滿足傳感器整體知識的傳授，因此，應結合現有的多種教學手段，如多媒體、慕課等手段，補充課堂學習。比如，對于光纖傳感器這一傳感器的講解，其中涉及光學、光纖、信息處理等多門學科的知識，僅僅靠課堂上的講解顯然不足以將這一部分內容講解透徹，學生聽不懂，學不會，必然導致教學效果不好。本教研室將光纖傳感器這一部分的大部分知識，包括光纖原理、光學信息損傷、信息處理技術等多種前置內容放到線上；在課堂上，教師布置光纖光柵傳感器的學習要求，并提出具體的溫度傳感應用場景，學生在線上對內容進行復習、研討，了解該傳感器的原理與細節，教師抽取隨機分組，由學生進行講解、分析與應用。教師只針對學生匯報的相關知識點進行查缺，對重點難點和學生提出的問題展開講解。通過該種方式，讓學生不再局限于被動地接受知識，發揮了學生的主體作用，教學效果明顯好轉。

開通線上虛擬實驗的混合模式。雖然經過前述的教學和實驗方式的優化，可以提升學生的實踐能力，但是不可否認，每一次的實踐都會消耗大量的時間。此外，受限于學校的實驗環境，教學實驗儀器更新換代緩慢等問題，本教研室借助多媒體、仿真和虛擬現實等技術，在計算機上模擬現實中傳感器實際制作和操作的實例，將課程中受限于實驗條件和實驗時間等問題的傳感器實驗在網上運行，學生可以根據自己的興趣和愛好，結合自身關心的應用環境，在線上進行虛擬實驗來補充實際應用實踐的不足，提高學生對于傳感器原理的理解和動手能力。

2.4完善考核機制

我校的“傳感器原理與應用”這門課的考核機制主要采用考試和實驗報告綜合評價方案，難以滿足現在的應用需要，也難以體現學生的學習能力。傳統的實驗按部就班，實驗結果千篇一律。學生在實驗過程中依照實驗報告進行實驗步驟，能夠快速完成實驗和編寫實驗報告。然而，學生課后很少思考本次實驗所用到的傳感器的實驗原理、實驗機制、設計思路等，實驗結果千篇一律，也不存在實驗可能存在的誤差，因此，實驗分析和總結報告空洞，言之無物。教師打分也僅僅是根據實驗報告和操作過程中的觀察情況，不能給出一個綜合的考查結果。為了提升學生對于實驗的主觀能動性，教師可以在實驗過程中留下1―2個關鍵問題，讓學生在實驗過程中受阻，然后組織學生對于這些問題進行探討和反思，深入了解傳感器的原理以及傳感器設計及系統安排中的關鍵點，激發學生實驗的興趣。實驗結束后，不應僅僅停留在紙面的實驗報告，應增加學生的討論環節，學生對每組實驗過程中遇到的問題進行深入討論，共享實驗技巧。比如，光纖傳感實驗過程，傳統原理采用人眼進行實驗刻度的讀取環節，然而模糊的實驗場景較難實現刻度的精確性，有的同學采用多組鏡頭和手機攝像結合的方式，實現了復雜數據的簡單讀取，提升了實驗效率。最終，將這幾部分的研討和解決問題的環節納入最終的成績，全面反映學生處理問題和分析問題的能力。

3結論

在當前“新工科”發展的背景下，圍繞培養符合國家發展戰略的應用型人才為目標，建立應用型本科院校，以培養能夠將成熟的技術和理論快速應用到實際生產中的技能型人才為宗旨，文章對“傳感器原理及應用”這門課的教學和實驗環節存在的問題進行剖析，提出采用優化課程內容、實踐為導向的實驗規劃、線上―線下綜合教學、完善考核機制等多種手段，來激發學生的學習興趣，提升學生理論結合實踐的能力，完善學生分析問題、解決問題、處理問題的能力。通過改革，傳感器原理與應用取得了一定的成效，學生課堂的注意力顯著提升，學生參與討論與實驗設計的能動性明顯提升。通過該課程設計，進一步提升了我校對于“新工科”背景下應用型人才的培養質量。

基金項目：湖北大學教學研究項目（030017644）。

參考文獻

[1]葉楠.利用多種教學手段優化傳感器課程教學[J].電氣電子教學學報，2020，42（1）：87-90.

[2]丁超，李剛俊，蘇睿.新工科背景下“傳感器原理與應用”課程教學改革初探[J].成都工業學院學報，2020（2）：105-108.

[3]王亞姣，李麗宏，彭宏麗，等.新工科背景下“傳感器原理與檢測技術”課程實驗教學探究[J].科技創新與生產力，2019（5）：89-91，96.