基于自主學習的傳感器技術及應用案例庫課程建設

趙月靜 秦志英 程旭峰 李玥華 黃風山

*項目來源：河北省專業學位教學案例庫建設項目“傳感器技術及應用案例庫”（KCJSZ2021078）；河北省教育教學改革項目（2020GJJG146）；河北科技大學教育教學改革項目（2018-ZD002，2021-YB24）。

作者簡介：趙月靜，教授，碩士生導師；秦志英、黃風山，博士，教授；程旭峰，博士；李玥華，博士，副教授。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.056

摘? 要? 傳感器技術及應用是機械大類研究生一門重要的核心課程，講述各類傳感器的基本特性、電阻電感電容式等傳感器的測量原理和主要典型應用。為了培養研究生的實踐能力，對課程進行基于自主學習的工程案例課堂教學改革。革新以教師為中心的傳統教學模式，采用教師作為主導，學生作為主體的自主學習方式；設計虛擬仿真案例和工程應用實踐案例；改進了課程考核評價方式；提高了學生自主學習、任務驅動式學習和工程應用能力，引發了學生的創新思維，培養鍛煉了學生綜合能力，為學生課題階段開展課題進展打下比較好的基礎。

關鍵詞? 傳感器；自主學習；案例庫；課程建設

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）02-0056-04

0? 引言

國家實施中國制造2025、互聯網+等重大戰略，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，信息物理系統（CPS）主要包括四大環節：狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行，數據在四個環節之間進行流動，它是支撐兩化深度融合的綜合性的技術體系。其中的狀態感知環節采用傳感器、物聯網等數據采集和傳輸技術，是CPS數據的來源基礎，是工業智能制造信息化的源動力，因此傳感器成為智能制造等工程應用領域和科學研究的重要支撐。

傳感器技術及應用相關課程是我國高等院校電氣工程類、自動化類、機械類、電子信息類等各工科專業的重要必修課，也是工科專業研究生的重要課程，傳感器技術是發展較快的前沿科技，課程內容更新速度快、理論知識繁多。為推動新工業革命下工程教育變革與創新，教育部要求加快進行新工科建設。針對傳感器技術相關課程，各大高校同仁都在積極進行改革探索，天津市勞動保障技師學院劉璐[1]積極探索傳感器應用技術課程中專業理論與德育教育相融合，從教學方式、師德師風、評價體系等方面改進課程教學 。北方民族大學周春艷等[2]把LabVIEW應用軟件和單片機控制系統結合，從傳感器檢測系統的硬軟件設計和可視化界面的誤差分析和設計標定方面進行綜合訓練。廣東海洋大學的趙桂艷等[3]提出了基于項目式教學法的教學改革。四川輕化工大學曹修全等[4]深入分析課程傳感器與工程測試技術基礎的教學現狀，探索出新工科背景下課程的有效教學方法。成都工業學院丁超等[5]針對傳感器原理與應用課程進行了新工科背景下線上線下混合式教學改革、項目化課程建設以及跨學科課程設計的探索。黑龍江大學趙月容等[6]

以項目式的教學理念為核心，進行了工程專業認證下創新項目的設計實施以及考核方式的改革。

本文針對研究生和傳感器技術及應用課程的特點，對課程進行以下教學改革探索研究：1）落實

“立德樹人”的理念和任務，進行課程內容的思政元素挖掘建設；2）構建工程應用案例，提高學生理論知識與實踐相結合的動手能力；3）改變傳統教學內容、方法和手段，全面鍛煉學生綜合能力；4）更新課程的多樣化評價方式，注重學習過程中各項能力的評價。

1? 課程現狀分析

目前，筆者所在學校傳感器技術及應用課程是機械大類工科研究生的一門核心課程，共28學時，課程內容與學術研究的前沿性、熱點性知識聯系緊密，但以前通過各類傳感器的基本特性、電阻電感電容式等傳感器的測量原理和主要典型應用，讓學生將掌握各種傳感器的理論知識和應用場合。目前，該課程現狀為以下幾點。

1）教學內容理論性強，課程教材內容相對保守，教學內容更新較慢，難以激發學生的學習積極性。學生對該課程的學習主要體現在原理知識的掌握。

2）教學理論知識和工程實踐應用脫節，學生面對具體工程任務和課題，無從下手。

3）教師在黑板上或多媒體課件上講理論，學生被動地學習理論、接受知識。這種教師講解學生聽講的傳統教學方式，不利于調動學生積極性，缺少探究式學習主動性，不能很好地參與教學活動。

4）考核評價方法簡單，學生綜合能力培養偏弱。目前該課程評價方法是由平時的作業情況和期末的試卷成績組成。這種考核辦法能夠檢驗同學對書本知識的掌握情況，但是缺乏對學生把知識運用到實踐中的能力和動手能力方面的評價。這樣的考核導向，很難客觀公平地衡量學生對課程的掌握深度以及對課程內容的熟練應用程度，容易把學生引入對課程理論死記硬背應付考試、依葫蘆畫瓢做實驗的死胡同，不利于創新應用型人才的教育和培養。

從培養應用型和創新型人才綜合能力的角度出發，傳統授課考核等方法與工程實際聯系不夠緊密，不利于培養學生的實踐能力和綜合能力。

2? 課程改革措施

為了培養研究生的實踐能力和綜合能力，對課程進行了基于項目的工程案例課堂教學改革，在教學內容中融入了思政教育的元素，在講授專業知識的同時，讓學生通過生動具體的人物、事跡等思政元素建立起人生中重要又正確的世界觀、人生觀以及價值觀。重新梳理課程內容，對課程內容進行更新、整合、優化，保證授課內容包括科技進步的新成果、新知識、新理論和新技術，能夠體現技術研究的前沿性和具體工程應用中的適用性。根據課程內容設計了工程應用實踐案例，引發學生主動思考和創新思維，提高了低階段研究生同學的工程應用創新能力和課題進展能力。

2.1? 融入課程思政元素

根據不同的課程涉及的內容，提煉課程內容中蘊含的思政點和案例元素，設計課程思政與專業知識怎樣更好地結合，在專業知識傳授過程中，培養具有愛國主義、高尚情操、正確立場、精益求精的專業技術人才，達到思政育人目標。培養學生具有科學的思維方法、自主學習的意識和創新精神；具備工作嚴謹、誠實守信、敢于承擔責任的職業道德與操守。

2.2? 改變教學方式，提高學生能力，豐富教學手段

為全面提高一年級研究生的創新能力和課題進展能力，探索能夠真正達成人才培養目標的教學模式，改變教師講解學生聽講的傳統教學方式，采用學生組織講解為主體、教師評論引導答疑等為主導進行課堂教學。為了對學生的PPT制作能力、表達和答辯能力做全面的訓練，該課程要求每個學生選擇課程某一部分理論知識內容制作PPT，完成一個25分鐘左右的課堂報告，制作PPT的過程培養學生用PPT表達自己的思路和清晰闡釋內容的能力。課堂講解主要檢驗學生自學能力，對知識的理解和解讀的能力，培養和鍛煉學生當眾表達的能力。學生講完后，組織其他學生對所講內容進行提問，通過講解者向臺下學生提問，促進學生認真聽講，加深對知識的理解；臺下學生對講解者提問，促使講解者認真準備所講內容。有疑問和不清楚的問題，教師和學生一起交流討論。學生課前認真準備，上課時集中精力發現問題，所提的問題要具有一定的難度和合理性。

2.3? 工程應用案例教學改革

傳感器技術及應用課程既包括理論性強、難以理解的知識點，如信號描述、信號分析、測試系統特性，又包括與工程實際聯系緊密、實踐性強的內容，如多種傳感器應用、典型量測量。根據課程不同內容的特點，將內容分為理論性強的知識和實踐性強知識兩大類。根據課程內容特點，為課堂實踐項目設計做好前期準備。

將基于項目的實踐訓練引入理論教學課堂，把理論教學與實踐教學進行融合，提高實踐訓練的比重，把理論知識真正應用于工程實踐。為此設計以下13個教學案例：

案例1：位移檢測電路應用案例；

案例2：霍爾轉速測量儀應用案例；

案例3：大氣壓力測量電路設計案例；

案例4：加速度測量電路設計案例；

案例5：頻率測量電路設計案例；

案例6：液位測量顯示電路設計案例；

案例7：熱電偶溫度測量電路應用案例

案例8：單片機控制振動傳感器應用案例；

案例9：電梯曳引電機光電脈沖測量轉速與行程設計案例；

案例10：電梯超載系統中壓力傳感器的應用案例；

案例11：基于單片機的輪胎烘干房溫度監測與控制系統設計案例；

案例12：鐵塔構件制孔的MATLAB自動檢測設計案例；

案例13：基于MCS51系列單片機直流電動機轉速測量電路應用案例。

案例1～7包括基本傳感器的使用，案例8～13是采用工程中的綜合應用實例。通過案例使學生從簡單的單一傳感器應用到復雜綜合傳感器案例應用，實現循序漸進。

每個案例的主要內容包括：1）設計任務；2）基本要求；3）方案總體思路；4）系統組成；5）模塊詳解；6）軟件設計；7）調試與仿真；8）PCB版圖、實物測試。

2.4? 課程考核方式改革

幾乎所有學生在本科階段都用傳統的教師講學生聽的方式學過該課程。結合筆者十多年來上課和指導研究生的體會，感覺到如果繼續延續教師為中心的理論教學模式，學生學到的只是記憶性的知識，在知識的應用能力方面顯得比較欠缺。為了使學生在后續的課題研究中能夠盡快地上手到研究工作狀態，在教學過程中開展了成績多元化的評價方法，目標是在學習知識的同時提高研究生的綜合素質和能力。為了提高學生的綜合素質，取消了一張試卷的考評方式，采用教學過程各環節均進行評價的評價方式，該方法包括以下7部分內容來共同評價給出學生的最后成績。

1）制作PPT質量，占10%。傳感器技術及應用課程的理論知識部分采用學生自主學習，然后呈現給全體同學的方式進行，從顏色、版式、內容邏輯關系表達等幾個方面來鍛煉學生，評價學生，事前告訴學生評價PPT的標準。

2）課堂講解，占20%。通過自主學習，結合自己知識的理解，講授給學生聽。從對個人講解的正確性及對他人題目參與討論的積極性兩方面由教師按照百分制評定成績。

3）課堂組織能力，占10%。課堂交給學生，學生組織內容后講給全班學生和教師，講解的學生講完后，組織學生對所講內容進行提問。不明白的問題，教師解答或者師生一起討論。學生要認真準備問題，所提的問題有一定的質量。

掌握關于傳感器的理論知識和實踐應用能力是機械工程領域人員必備的技能。除了理論知識，實踐和工程應用能力是研究生的必備能力，也是后續開展課題研究打下基礎。因此課程從實踐能力方面也進行了設計和考核。

4）案例分析設計，占20%。給出工程應用中的案例，學生進行任務要求，分析所用傳感器和設計信號采集處理過程，結合單片機的知識設計應用案例的控制部分，達到信號數據采集后閉環控制目的。根據學生選擇的傳感器和設計方案進行評分。

5）團隊合作能力，占10%。考慮到學生的學業負擔不能過重，把學生進行分組，按照案例的復雜程度分配每組學生數。鍛煉大家團結協助的能力，作為團隊的責任人和團隊個體成員都應承擔自己的任務和責任。最終考核以小組項目得分加上個人負責部分的得分作為學生個人的總分數。

6）工程實踐動手能力，占15%。在條件允許的情況下，學生動手制作自己的案例實物，鍛煉學生動手實踐的能力，展示自己的作品。學生實踐后，將理論知識結合實踐變成可以展示的實物，喜悅和成就感溢于言表。教師根據實物的完善程度來評價學生的動手能力。

7）案例報告撰寫，占15%。根據自己對案例分析設計的結果，撰寫完成案例報告，鍛煉學生科技論文寫作的能力。內容包括案例名稱、任務要求、案例分析、選用合適的傳感器（原理、選型）、設計控制系統原理圖、仿真結果等、實物制作照片等。

根據課程目標，制定考核標準，課程考核評價標準如表1所示，成績分布如圖1所示。

3? 結束語

該課程改革通過2020和2021兩年的教學實踐，效果明顯。首先，課程內容緊跟科技前沿，教學內容的優化擴展了學生的視野，有助于培養學生探索新知識的能力；其次，教學模式的改革提升了學生對教學過程的參與度，提高了學生課堂內外學習的勁頭積極性和學習能力；再次工程應用案例設計有助于培養學生的團隊合作精神和解決實際工程問題的能力，為科研課題階段奠定良好基礎；最后，通過多方面的評價和考核，能把理論知識和實踐內容相融合，有助于學生的科研能力和綜合能力提高。課程教學改革的實施也促使教師做到教與學互相促進，不斷提升自己的認知水平，將科研內容和感悟融入教學過程中去，提高學生認知能力和科研水平。同時，在授課過程中有如下體會。

1）課程多元化的評估方式對教師來說，從學術水平和負責任態度等方面均提出了更多更高要求。課程的準備除了常規的教學內容外，還要解答學生自選的發散性課堂中和工程實例的各種問題。

2）課程的多元化評價方式對已經習慣于聽課加試卷考試的學生而言需要增大課后擴展學習的工作量。對有些學生就顯得負擔偏重，在某些環節質量上就會有折扣或出現不太符合學術規范的現象，對此需要教師及時地指出和引導。

3）課程多元化的評價方式對引導學生擺脫應試的學習方法起到了促進作用，對碩士研究生綜合素質和培養質量的提高有明顯的作用。

4）對學生提交的各個環節的資料閱讀和批改需要付出大量的精力。在目前以上課學時數為工作量的考核體制下，需要教師具備強烈的責任感和一定的奉獻精神。

4? 參考文獻

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