傳感器課程“多元化”與“透明化”的雙向融合教學模式探索

摘"要：鑒于當前傳感器課程教學過程中存在的問題，本文提出了通過建立“多元化”理論教學模式和“透明化”實驗教學新模式以達到改變傳感器課程常規教學模式的目的，并采取線上線下相結合的方式進行新教學模式的實施，該新思路可為同類型課程提供借鑒。

關鍵詞：傳感器；多元化；透明化；教學模式

隨著電子信息技術的飛速發展，傳感器技術廣泛應用于工業、民用、醫療、環境、安保、交通和軍事等領域，在集成電路系統的信號采集環節中起著決定性的作用［12］。因此，傳感器技術是自動控制類、電子信息類專業的一門重要技術實踐課程。此外，傳感器技術涵蓋材料學、光學、機械學、生物學和化學等學科領域，具有交叉多分支的特點，有著極大的研究意義［34］。國內外所開的傳感器課程各有特色，國外一流大學對于“傳感器”課程的理論建設十分成熟；國內如國家級精品課程“傳感器技術及應用”也發展成為特色的本科生專業基礎課。通過學習該課程，學生能掌握傳感器的基本組成結構、工作原理、應用領域等，能根據需求設計對應的傳感系統，以增強學生動手能力，培養學生的開拓創新精神，改善學生的思維方式。

一、當前傳感器課程教學模式所存在的問題分析

（一）教學模式受傳統教學影響大

隨著互聯網技術的快速發展，各種網絡資源、知識共享已成為現實。然而，當前很多傳感器課程的教學模式主要還停留于“書本理論教學+觀摩式實驗”的按部就班線下模式，未能將網絡平臺或互聯網技術有效地融合起來，教學模式的改革未能跟上科技的變革，導致課堂教學效率低下，成效不足。

（二）理論教學缺乏創新

理論教學過程中仍然是選用一本書作為教材，教學方法主要是由教師對學生采取教材和內容龐大的PPT講授傳感器的傳感機理、傳感系統的組成結構和傳感器的應用方向等，所停留的年代較為久遠，知識體系雖豐富但不夠新穎和精煉，教材較為陳舊，涵蓋的傳感器新類型，新結構特點，應用涉及哪些新領域，過于淺顯，不夠前沿。

（三）實驗教學缺乏吸引力

在傳感器課程實驗教學中，由于實驗室設備的限制，傳感器實驗主要為小組分批次“觀摩+實操”的方式，傳感系統的封閉性致使學生只能觀測到數據采集的結果，而難以將所學理論知識與實驗相結合。使只有少部分較為積極的同學能很好地參與到其中，而大多數同學很難真正參與到其中來，而喪失對傳感器實驗的興趣，進而喪失學習傳感器的能動性，形成對理論知識的杜絕吸收與敷衍實驗教學的惡性循環。

（四）教學資源單一

教學資源單一與匱乏也是現今傳感器課程的一個關鍵問題。僅僅一本《傳感器技術與應用》很難讓學生對傳感器有更全面的認識，很難再提起學生的學習興趣，且在規定學時授完課，學生對于傳感器課程的學習也很難達標。PPT也只是換了個方式繼續講述書本上的內容，對于那些抽象且晦澀難懂的原理，沒有達到以易于學生接受的方式講授，如缺少生動形象的對于傳感器原理的動畫教學。

二、傳感器課程理論教學和實驗模式改革的新思路

（一）總體思路

針對當前傳感器課程教學過程中存在的諸多問題，進一步使學生深刻體會傳感器的精妙之處，通過轉換傳統教學模式、拓展知識傳播途徑等方式，實現“一維”理論教學進階為“多維”理論教學是非常必要的。將“多元化”學習模式與“透明化”實踐模式結合起來，改善學生課堂和實驗室的學習氛圍，形成高效的理論課堂與實踐課堂共融，促進學生成為能滿足新工科發展的高級創新型、復合型、應用型的優質工程人才。

（二）具體實施

1.建立多元化的理論教學模式

由于科學技術和信息化技術的迅猛發展，理論教學的陣地早已突破時間和空間的界限。針對新形勢和新要求，本文提出的“多元化”主要體現在課程教學模式、課堂教學方法、教學資源種類等方面的多元化。具體將從以下幾方面論述。

一是課程教學模式的“多元化”。借助超星學習通、慕課等平臺實現線上、線下和線上線下混合式教學模式。線上教學方面，一方面，謀劃好課前，發布和轉發與傳感器技術對應的微課、講座視頻，讓學生自主觀摩學習，并完成相應的線上試題測驗；另一方面，安排好課后，針對學生在對知識的轉化、消化和強化過程中反饋的問題進行線上互動或遠程指導。線下教學方面，開展基于多種教學方法的課堂高層次知識教學，并通過線下課堂教學的反饋以及課堂翻轉暴露的問題，優化線上教學的設計、自主學習過程和學習成效評價。線上線下混合式教學方面，以混合式教學模式的需求為核心，充分利用網絡平臺和互聯網技術將線上線下深度融合的模式走深走實，不斷調整教學制度，為傳感器技術混合式教學模式的順利開展與推進提供良好的制度與體系保障，讓線上教學與線下教學的教學環境互相協同。

二是教學方法的“多元化”。學生作為課程的主體和培養對象，通過反向設計將他們應具備的能力作為傳感器原理及應用的課程目標。根據該課程性質，課程目標具體包括知識、能力和素養三個層面的目標。為了達成學生各方面的課程學習目標，在不同目標的達成過程中采取不同的教學方法。知識層面上，傳感器技術課程要求學生掌握各種傳感器的基本概念和基本原理，采用講授式和情景式的教學方法，幫助學生深入理解傳感器的基本概念及其特性。能力目標層面上，傳感器技術課程要求學生掌握不同傳感技術在不同領域的應用，采用討論式和探究式的教學方法，鼓勵學生將理論知識轉化為自主實踐能力。素養層面上，傳感器技術課程要求學生能夠從具體的應用案例中獲得感悟，感受傳感器技術舉足輕重的作用，采用案例式和啟發式教學方法，通過灌輸巧妙的思政點，如“崇尚科學精神”“實踐是檢驗真理的唯一標準”等，培養學生嚴謹認真的職業態度，提升學生發現問題、認識問題和解決問題的能力。

三是教學資源的“多元化”。教學資源的多元化不僅可以促進教師與學生之間更好地教與學、降低教學成本、避免資源浪費，而且更能夠拓展學生的學習視野和增強學生學思踐悟的創新能力，讓學生最大限度地利用教學資源，不受時間和空間的限制。課堂教學資源方面，首先，打破單一教材界限，選用關于傳感器技術方面的經典書籍作為參考教材，融通多本教材；其次，大力推進“教研相長”，將傳感器領域的最新科學研究成果作為教學案例資源，有機地融入課堂教學。線上教學資源方面，收集傳感器產品網站、學術網站、課程網站、講座網站等作為拓展學生知識面的線上教學資源。

2.建設透明化的實驗教學模式

新工科教育對工程專業課程的實踐教學方面提出了更高的要求，不僅要在理論教學模式的與時俱進上花精力，而且要在促進理論和實踐教學的融會貫通上下功夫。課程實踐教學環節不僅能夠促進學生鞏固和應用所學的理論知識，培養學生創新思維和解決問題的能力，還能夠促進學生團隊合作和溝通能力的培養。因此，針對傳感器技術實驗教學提出了一種“透明化”模式，其“透明化”主要體現在以下四個方面：

一是實驗教學目的透明化。實驗目的的透明化是保證實驗效果和學生實驗目標達成的重要前提。在實驗開始前，將傳感器實驗目的清晰地闡述給參與實驗的學生，以便有針對性地設計實驗方案和確定實驗方法。實驗目的主要包括掌握各種傳感器的工作原理與使用方法、傳感器檢測電路設計方法、誤差分析與標定方法等。明確實驗總體目的后，教師可以有針對性地設計梯度實驗類別。

二是實驗操作步驟透明化。實驗操作步驟的透明化是保證實驗操作規范、準確和安全的關鍵。因此，在實驗開始前將傳感器實驗的步驟詳細地列出和闡述。尤其地，在關鍵實驗操作時，借助視頻資料進行多次回放和講解。對于授課教師而言，不僅要對所有實驗的操作流程需要爛熟于心，而且需要根據不同類別的傳感器實驗（如基礎性實驗、強化性實驗、綜合性實驗、創新性實驗等）所能達成的實踐能力目標進行精準施教。

三是實驗過程透明化。傳感器實驗過程主要包括實驗原理傳述、實驗模塊切分、實驗結果分析等環節。實驗原理的透明性是保證學生和教師產生實驗設計思路的基礎。在實驗過程中，將傳感器實驗所依據的基本原理和理論知識進行詳細闡述，以便學生能夠更好地理解實驗的設計原理。同時，對于涉及的相關學科知識，進行必要的講解和說明，以便學生能夠更好地理解實驗內容。對于實驗模塊切分環節，將傳感器分為各個模塊，由不同小組成員分別進行研究，研究順序可在組內循環，不同小組成員經過討論、交流，將模塊化的實驗串聯起來達到“化零為整”的目的，該環節旨在鍛煉學生的團隊合作意識、動手實踐能力、開拓創新精神和“理論結合實踐，實踐反證理論”等能力。對于實驗結果分析環節，針對特殊的傳感器實驗現象和數據進行解讀，教會學生挖掘實驗背后的理論詮釋，幫助學生去發現自己對于理論知識的欠缺，從而強化對理論知識的理解。

四是實驗模式的透明化。傳感器課程實驗模式可以將線上的虛擬仿真實驗與線下的實際操作實驗分別進行。線上實驗采用COMSOL和MATLAB等軟件通過網絡教學平臺進行傳感器課程的仿真模擬給定的實驗項目。開展線上虛擬仿真實驗時，學生的線上虛擬仿真實驗過程將被記錄在網絡教學平臺上，其目的主要是引導學生自主預習實驗，提前熟悉實際操作實驗的基本原理，從而為線上實際操作實驗的順利進行提供保障。開展線下實際操作實驗時，采取“透明化、放大化”的教學模式。“透明化”主要是把集成的傳感系統拆分為各個獨立模塊，將教學班級分為若干個小組，由小組的各位成員輪流調試不同的模塊，交流探討各個部分的作用；“放大化”則是采用大模型還原關鍵微型部位的工作機理，如石英的壓電效應機理可以用打火機的電子點火器進行演示。其優勢在于：一是提高了實驗教學的成效，也提升了學生的自主學習積極性；二是加快了學生獲取信息的速度，使學生擺脫了“時—空”的固定學習模式，能隨時隨地在移動設備端進行學習資源共享、模擬仿真實驗討論等學習討論；三是更容易暴露出學生自主學習過程中的問題，為精準施教提供了明確的指導方向；四是契合了以成果為導向教育（Outcomebased"Education，OBE）的基本理念［56］。

3.多元化理論教學與透明化實驗教學的雙向結合

本科生傳感器課程“多元化理論教學+透明化實驗教學”打破了常規教學模式，無論是以何種方式開展理論教學與實驗教學，其最終目的都必須是以成果為導向的模式。對于新工科背景下的教學模式，“多元化”理論教學與“透明化”實驗教學必然是兩個相互依存和相互促進的關鍵環節。在開展教育教學過程中，將兩者真實地結合起來，一方面可以大大提高教學效果和教師的教學能力，另一方面也能夠落實好基于OBE理念的課程教學成果。就傳感器課程而言，將從以下四個方面深入闡述“多元化”理論教學與“透明化”實驗教學雙向結合的關鍵點。

一是理論與實驗互相促進。傳感器理論教學與傳感器實驗教學之間存在互相促進的關系。一方面，實驗可以驗證理論的正確性和實用性，幫助學生更好地理解和掌握理論知識；另一方面，理論知識可以為實驗提供指導和支持，幫助學生更好地完成實驗。這種互相促進的關系可以激發學生的學習興趣和動力，提高他們的學習效果。

二是提高教學效果。傳感器理論教學與實驗教學相結合，可以顯著提高教學效果。通過實驗驗證理論，學生可以更好地理解和掌握理論知識，提高學習效果。同時，通過理論指導實驗，學生可以更好地發現和解決問題，提高實踐能力和創新能力。這種雙向結合的教學模式可以激發學生的學習興趣和動力，提高他們的學習效果。

三是培養學生能力。傳感器理論教學與實驗教學相結合，可以培養學生的工程檢測應用實踐能力和創新能力。通過實驗操作，學生可以培養自己的實踐能力和科學素養。同時，通過理論知識的運用和遷移，學生可以培養自己的創新能力和解決問題的能力，這種雙向結合的教學模式可以提高學生的綜合素質和競爭力。

四是推動學科發展。傳感器理論教學與實驗教學的雙向融合，可以推動相關學科的發展和創新。通過實驗驗證理論，可以發現和解決學科中的問題，推動學科的進步和發展。同時，通過理論指導實驗，可以推動實驗技術的發展和創新，如指導“藍橋杯”“雙創”“挑戰杯”等各種大學生創新創業比賽。

結語

傳感器課程開設以來，以新思路轉變了教學模式，其教學效果初見成效。線上線下相結合的多元化理論教學模式的應用，提高了學生資料組織與自主討論的能力，促進了學生的主動思維能力，讓“教”與“學”距離更近。線上線下相融合的透明化實驗教學模式的應用，提高了學生將理論應用實踐的能力，加深了學生對工程概念的認識，更容易激發學生的創新思維。找準理論教學與實踐教學的融合點和關鍵點，不僅抓住了新工科背景下的教學改革契機，而且也能夠促進OBE理念的貫徹落實。

參考文獻：

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基金項目：西華師范大學人才培養質量和教學改革項目申報書，第124號（項目編號：403793）

作者簡介：許章亮（1990—"），男，四川南充人，博士，講師，研究方向：微機電傳感器。