基于工匠精神的傳感器原理與應用課程教學改革*

劉國福 于海瀾

1 廣州商學院精確感知技術(shù)研究中心 廣州 511363 2 廣州商學院信息技術(shù)與工程學院 廣州 511363

0 引言

工匠精神（Craftsman’s spirit），是從匠人（手工業(yè)勞動者）精工細作的生產(chǎn)方式中凝練升華的精神理念，逐漸推廣至所有從業(yè)人員在工作過程中的職業(yè)價值取向和行為表現(xiàn)，對職業(yè)的態(tài)度和精神理念[1]。隨著時代的變遷，工匠精神漸漸演變?yōu)橐环N努力去發(fā)現(xiàn)問題，并且通過親身實踐來解決問題的文化，顯示出更強的現(xiàn)代性表征[2]。工匠精神生長于企業(yè)，卻萌芽于教育，因此，對應用型地方本科院校來說，大力弘揚工匠精神，培養(yǎng)各行各業(yè)的“大國工匠”已成為新時代的使命。

為培養(yǎng)大學生的工匠精神，很多高校都進行了頂層設(shè)計，將工匠精神融入校訓、校風、學風和教風中，從課程設(shè)置到課程教學過程，從學校實訓實踐到社會就業(yè)創(chuàng)業(yè)，都將工匠精神一以貫之，收到了很好的效果[3-4]。

但具體到某門課程，怎么將工匠精神融入課程實際教學中去，還需要任課教師去摸索和實踐。在此背景下，筆者所在高校承擔傳感器原理與應用課程教學的幾位教師，帶頭踐行工匠精神，從課程隊伍建設(shè)、課程內(nèi)容優(yōu)化、教學方法改革、實踐能力培養(yǎng)等四個方面，培養(yǎng)上課學生的工匠精神，提高了學生的工程實踐能力和職業(yè)素養(yǎng)，為學生后期參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、參與教師科研、撰寫科技論文與報告以及進一步深造打下了堅實的基礎(chǔ)。

1 培養(yǎng)大學生工匠精神的必要性

工匠精神的傳承和發(fā)展需要與時俱進，且工匠精神的培養(yǎng)是一個漸進式的過程，必須基于大學各專業(yè)的課程教學活動。這是因為大學的專業(yè)是大學依據(jù)社會分工對人才進行培養(yǎng)的一種組織形式，構(gòu)成專業(yè)的元素是課程，專業(yè)發(fā)展的核心則是教學，課程研究和教學活動在大學生對知識的掌握和成長過程中占據(jù)著中心地位。因此，需要將工匠精神的職業(yè)素養(yǎng)與課程教學進行教育滲透，需要針對職業(yè)工作的需求和適用性進行課程教學設(shè)計與課程內(nèi)容安排；既需要重視專業(yè)技術(shù)知識與能力培養(yǎng)，又需要培養(yǎng)專注、細致、精益求精、不斷探索、追求進步的職業(yè)精神和素養(yǎng)。

傳感器技術(shù)是多種學科交叉的高新技術(shù)，是一種定量認知自然現(xiàn)象的不可缺少的技術(shù)手段。自工業(yè)革命以來，為提高和改善機器的性能，傳感器發(fā)揮了巨大的作用。在當今5G 及人工智能技術(shù)迅速發(fā)展的時代，傳感器在信息系統(tǒng)中起著感官的作用，已成為獲取信息的主要途徑和手段。大多數(shù)人工智能動作和應用場景的實現(xiàn)，都要靠傳感器來完成，傳感器已成為人工智能和萬物互聯(lián)的必備條件和關(guān)鍵器件。智能傳感器技術(shù)是智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的先行技術(shù)，學習和應用作為前端感知工具的傳感器技術(shù)具有非常重要的意義。

基于傳感器技術(shù)如此重要的作用，傳感器原理與應用課程是幾乎所有大學工科學生必學的一門課程，也是筆者所在高校人工智能專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。它為學生打開了一扇獲取物理世界信息的大門。因此，在課程的教學中，就要注重學生對知識的融會貫通能力和實驗操作技能的培養(yǎng)和提高，訓練學生精益求精、細致觀察、綜合分析判斷的能力，這些都是新時代工匠精神的素質(zhì)要求。因此，在傳感器原理與應用課程教學中融入工匠精神不僅提高了傳感器原理與應用的教學質(zhì)量，也培養(yǎng)了學生動手能力、創(chuàng)新思維能力，為學生后期參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、參與教師科研、撰寫科技論文與報告以及進一步深造打下了堅實的基礎(chǔ)。

2 基于工匠精神的課程教學實踐

2.1 教師隊伍建設(shè)

在傳感器原理與應用課程的隊伍建設(shè)過程中，筆者所在教學團隊堅持以下三點。

1）每位教師都應該是工匠精神的先行者和傳播人。從日常的工作、教學細節(jié)到專業(yè)領(lǐng)域的研究與實踐，從自身科學精神的培養(yǎng)到職業(yè)生涯的發(fā)展，教師都應該具備將事情做到從60%提高到99%，從99%提高到99.99%的工匠精神和敬業(yè)態(tài)度。

2）加強教師任教能力的培訓。針對部分教師是從高等院校畢業(yè)后直接任教的，缺少系統(tǒng)的專業(yè)實踐和示范能力的訓練的實際情況，一方面請校內(nèi)外傳感技術(shù)專家為他們舉辦講座進行培訓，另一方面也定期或不定期地組織教師到相關(guān)單位頂崗實習、掛職鍛煉，鼓勵教師取得專業(yè)技能考評員資格，這些舉措極大地提高了教師的技能水平。

3）聘請企業(yè)的能工巧匠、行業(yè)達人進校做演講、示范，甚至兼職，使全校師生在耳濡目染中漸漸變成具備、踐行和傳承工匠精神的人。

在上述思想指導下，經(jīng)過多年的隊伍建設(shè)，筆者所在高校的傳感器原理與應用課程的教師團隊由一位教授（有“雙一流”大學的教學經(jīng)歷和企業(yè)的研發(fā)經(jīng)歷）、一位副教授、兩位講師、兩位助教組成，其職稱結(jié)構(gòu)、學歷結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)以及學緣結(jié)構(gòu)相對合理，已能滿足課程研究和教學的需要。

2.2 課程內(nèi)容的優(yōu)化

筆者所在高校選用的教材是吳建平、彭穎兩編著的《傳感器原理及應用》（第4 版），該書屬于高等院校精品課程系列教材，由機械工業(yè)出版社出版。該書內(nèi)容豐富，編著者推薦學時為80 學時及以上。而筆者所在高校該門課程的教學大綱計劃學時為54 學時，其中教學學時36 學時，實驗學時18 學時。如果按照書中內(nèi)容一章章講下去，不僅教學學時不夠，學生也會覺得索然無味。這就需要教學團隊從更高維度和更高知識層次的視角，對傳感器知識進行內(nèi)容優(yōu)化，強調(diào)傳感器檢測電路和應用中的共性，實現(xiàn)知識點之間的融會貫通與有機聯(lián)系。

1）從五個維度去理解每個傳感器：被測物理量的類型、被測物理量的大小、傳感器輸出信號的幅度、頻率、功率（能量）。然后對每個維度又進行細分，如被測物理量的類型，可概括為八類，簡稱為COMETMAN（“彗星人”，其中C 代表化學量、O 代表光學量、M 代表磁場、E 代表電氣量、T 代表熱學量、M 代表機械量、A 代表聲學量、N 代表核輻射）；根據(jù)傳感器輸出信號的頻率，可將傳感器的基本特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性等；根據(jù)傳感器輸出信號的功率（能量），可將傳感器分為能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）和能量控制型（電參量型）。由這五個維度，決定了傳感器的適用范圍和檢測電路設(shè)計的難易程度。

2）傳感器原理基本上都是大學物理知識的具體物化，學生理解起來難度不大，但是檢測電路的理解和應用卻是個難點。原因之一是這些電路不像電子技術(shù)教材中給出的原理電路，而是非常實用的電路，部分電路甚至就是實際產(chǎn)品中的原電路；原因之二是為抑制干擾和噪聲的影響，這些電路多數(shù)都是根據(jù)某種算法或理論來設(shè)計的，電路只不過是算法或理論的具體實現(xiàn)。學生要理解電路，首先得理解這些算法或理論，在某種程度上，這些算法或理論有時比傳感器本身的傳感原理還難弄清楚。舉例來說，講授CCD 圖像傳感器時，學生容易理解光電轉(zhuǎn)換原理，但是電路實現(xiàn)的CCD 的電荷轉(zhuǎn)移過程以及最后的信號輸出方式，學生理解起來就很吃力。再比如，講授渦流傳感器的變頻調(diào)幅式檢測電路時，同時用到了正弦波振蕩電路、調(diào)幅電路和調(diào)頻電路方面的知識，這些電路耦合在一起，如果前期課程沒有學習過調(diào)制電路的組成和原理，要理解渦流的檢測電路就會感覺很難。這就需要教師高屋建瓴，理論知識和實踐能力豐富，才能夠?qū)ΨN類繁多的傳感器內(nèi)部電路和檢測電路進行分類概括，講解清楚電路設(shè)計的過程與本質(zhì)（算法的具體實現(xiàn)）。

基于以上對傳感器原理以及檢測電路的內(nèi)容優(yōu)化，學生對傳感器類型的多樣性不再感到懼怕，反而認為這正反映了世界的豐富多彩，把傳感器看作是科學與自然的理性接觸，思想和思維都得到了升華。

2.3 課程教學方法改革

上節(jié)所述的優(yōu)化過的課程知識內(nèi)容，要被學生吸納，轉(zhuǎn)化為學生內(nèi)在知識體系的有機組成部分，還需要教師和學生“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色”，也就是教學雙方互不拘束、和諧相長。為實現(xiàn)這種潛移默化、潤物無聲，知識一點點吸收，學生心中為國為民的豪情一點點滋長壯大的教學模式，教學團隊在教學方法上進行了改進，主要采用了講座式的教學方法。教師不拘泥于課本、講義，自主選擇一個主題，從問題的不同方面進行闡述，不一定完全按照教學的步驟進行，學生也可以采取自主式學習[5-6]。

由于傳感器課程教學內(nèi)容的相對獨立，特別適合采用講座式的教學模式。優(yōu)點在于講座式授課可以每次選擇一個類型的傳感器進行，教學內(nèi)容安排靈活；講座式教學有趣新穎，學生容易接受；講座內(nèi)容時代感強，一般都會涉及相關(guān)傳感器的新知識和最新發(fā)展動向，學生比較感興趣，也會認真學習；師生互動性較強，教師主講的同時，學生可以提出問題與教師磋商。

由于講座式教學是開放式和公開式的教學活動，因此每次講座的前一周，教學團隊會在學校的網(wǎng)絡平臺、微信群和學習通上公布本次講座的內(nèi)容簡介和需要預先思考的問題，不僅是選課的學生，全校有興趣的師生都可以去聽，都能與教師進行面對面的交流。

講座式教學在筆者所在高校已經(jīng)開展了兩年，教師在備課時需要查閱大量資料，有時還要結(jié)合自己的科研情況，給出一些實用的案例。講座內(nèi)容還需和教材相結(jié)合，要符合專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，這就要求教師在準備講座內(nèi)容時，花費大量的時間和精力。不過，這也正是工匠精神在教師身上的體現(xiàn)。教師只有在講座中注入了自身的學識、修養(yǎng)和情感，展現(xiàn)了自己內(nèi)心世界，才能潛移默化地影響學生。

采用講座式教學方法后，學生的學習興趣普遍高漲，對每次上課都非常期待，期待能得到知識的澆灌和洗禮，期待能表達自己的思想，期待能和老師實現(xiàn)自由暢快的交流。

2.4 實踐能力培養(yǎng)

學生的實踐能力培養(yǎng)是課程教學的重中之重，通過實驗課教學可以培養(yǎng)學生嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L、實事求是的態(tài)度，提高學生精密設(shè)計、細致觀察、綜合分析判斷的能力，這都是新時代工匠精神的素質(zhì)要求。因此，如何利用好這有限的寶貴的18 個實驗教學學時，提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力，成為教師團隊不斷思考和摸索解決的問題。

由于傳感器及其檢測電路是整個測量系統(tǒng)的前端，其性能的優(yōu)劣決定了整個測量系統(tǒng)的性能。由此，教學團隊從傳感器及其檢測電路的精度和準確度兩個性能指標的改善提高入手，對課程實驗進行了重組，每個實驗都經(jīng)歷驗證—提高性能—更高性能—超高性能……幾個階段。這里，教學團隊摒棄了驗證型實驗、設(shè)計型實驗和綜合型實驗這些傳統(tǒng)的實驗分類名稱，而以追求更高性能為目標，這點燃了學生主動學習的激情，提高了學生的應變能力和探究能力。

根據(jù)上述改革思路，教學團隊設(shè)計了金屬箔式應變片實驗、典型傳感器（電容式、電感式、渦流式）的位移測量實驗等六大實驗來培養(yǎng)學生的動手能力和追求極致性能的精益求精的工匠精神。下面以基于經(jīng)典的金屬箔式應變片實驗為例，介紹具體實驗教學思路和方法。

1）驗證階段。這一步主要是讓學生獲得感性認識，主要實驗內(nèi)容為直流激勵單臂金屬箔式應變片實驗、直流激勵半橋金屬箔式應變片實驗。

2）提高性能階段。從這一階段開始，為了提高檢測系統(tǒng)的性能，要讓學生思索兩個問題，一是前一階段的檢測系統(tǒng)有什么優(yōu)缺點，二是如何改進。本階段的實驗內(nèi)容為直流激勵全橋金屬箔式應變片實驗。

3）更高性能階段。和第二階段一樣，還是思考同樣的兩個問題，學生會覺得越來越難，可能需要新的測量算法或理論了。帶著這樣的期盼，本階段的實驗內(nèi)容為交流激勵全橋金屬箔式應變片實驗，同時引入相敏檢波這個傳感器檢測系統(tǒng)中常用的經(jīng)典電路。

4）超高性能階段。和第三階段一樣，還是思考同樣的兩個問題，學生會覺得幾乎不可能了。這時，系統(tǒng)改進的角度確實變了，就需要給學生講清楚，由于檢測電路中所用的元器件性能不一樣，因此，若仔細選擇性能優(yōu)異元器件，還是可以提高檢測電路的性能的。

通過上述對實驗教學方法的改進，學生在追求性能提高的同時，還伴隨著思維能力的提升，其收獲感、幸福感都溢于言表，個人的學習境界得到了很大提升。甚至還有學生為了獲得“超超高性能”，將交流激勵全橋金屬箔式應變片實驗的輸出信號連接到他們剛學到的ARM 微控制器上去，通過數(shù)字補償技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(xiàn)性能的更大提升。還有部分比較優(yōu)秀的學生，在這些實驗的基礎(chǔ)上成功申請到了國家、省或?qū)W校的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，并參加了各種校級和省級大賽，因此這門課程也被該校學生譽為雙創(chuàng)和大賽的“孵化器”。

3 結(jié)束語

通過對工匠精神引領(lǐng)下的傳感器原理與應用課程的教學實踐，學生的知識融會貫通能力、實踐操作能力和職業(yè)素養(yǎng)都得到了加強和提升，學生學習的自主性和積極性也極大提高。同時，教師的研究能力和業(yè)務水平也得到了很大的提升，真正實現(xiàn)了教學相長，這對于提高應用型本科院校專業(yè)人才培養(yǎng)有著極為重要的意義和作用。