傳感器原理與設計“金課”建設

［摘 要］ “金課”建設對于實現以學生為中心、提升人才培養質量具有重要作用。主要介紹了課程團隊在“傳感器原理與設計”“金課”建設方面的實踐和探索，圍繞“金課”的高階性、創新性、挑戰度設計了課程的理論與實踐教學環節。通過充分挖掘思政元素、引入信息化教學手段、創新教學內容和方法，將三級項目、討論課、實驗相結合，構建多元化考核和評價體系等方式，激發學生的學習興趣，培養學生的創新思維、工程意識和道德素養，提高學生解決工程問題的綜合能力，體現對學生知識和能力的綜合評價。

［關鍵詞］ “金課”建設；傳感器原理與設計；項目式教學

［基金項目］ 2020年度燕山大學教學研究與改革項目“‘傳感器原理與設計’教學創新與實踐探索”（2020KCGG05）

［作者簡介］ 楊麗麗（1982—），女，山西大同人，工學博士，燕山大學電氣工程學院講師，主要從事傳感器原理與設計研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）42-0107-04 ［收稿日期］ 2023-05-11

課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量。深化教育教學改革，必須把教學改革成果落實到課程建設上［1］?！皞鞲衅髟砼c設計”是燕山大學測控技術與儀器專業核心課程，專業為優化課程體系，將其與“嵌入式單片機原理與應用”和“傳感器與單片機綜合課程設計”課程組建課程群，致力于打造學生認可的“金課”。根據一流本科課程建設原則，針對目前課程教學中存在的問題，以OBE理念引領教學全過程，以深化拓展教學方法創新和深入挖掘課程思政元素為導向，以培養學生創新能力和提高實踐動手能力為目標，從理論與實踐教學環節出發進行“金課”建設，使學生在提升自身素質與綜合能力的同時，能夠充分體驗到學習的獲得感和成就感。

一、課程教學環節設計

“金課”是具有高階性、創新性、挑戰度的課程，注重培養學生解決復雜問題的綜合能力和高階思維，創新具有前沿性和時代性的課程內容、先進性和互動性的教學形式、探究性和個性化的學習結果，開展具有挑戰度的教學［2］。

以“金課”為標準，“傳感器原理與設計”課程為優化教學內容與課程體系，對理論與實踐兩個教學環節進行改革。理論教學環節以課堂講授為主，通過挖掘思政元素、引入多種信息化教學手段和創新教學內容與方法的方式進行改革和優化。實踐教學環節包含三級項目、討論課和實驗三部分，通過3個創新訓練模塊、3次PPT匯報交流與討論、重要知識點的同步實驗進行改革與優化。以學生為中心，以項目為主導，通過各環節內容的設計與優化，提升課程的高階性，突出課程的創新性，增加課程的挑戰度，全方位提高學生的綜合能力［3］。

二、以學生為中心的理論環節改革

1.緊密結合課程內容，挖掘課程思政元素，實現價值引領。從家國情懷、人文素養、科學精神出發，深入挖掘課程思政元素；以社會熱點、國際前沿、工程應用、科技發展史以及國家發展戰略等內容為切入點，將課程思政合理融入“傳感器”教學內容中，使思政元素和教學內容緊密結合。在《緒論》部分，通過課前思考與內容總覽引入思政內容，讓學生了解在傳感器領域能做什么以及如何去做，突出傳感器在測控領域的重要性，激發學生對“傳感器原理與設計”課程的學習興趣與愛國熱情。在《電阻應變式傳感器》部分，引入柔性應變傳感器助力我國首次火星探測任務“天問一號”探測器在火星成功著陸，以及港珠澳大橋等國家重大工程項目，增強學生的民族自豪感與自信心。在《電容式傳感器》部分，通過民族企業的成功案例講述電容式傳感器改變了現代人機交互體驗，鼓勵學生要自主創新、自主研發，為創造世界知名的中國品牌而努力奮斗［4］。在《壓電式傳感器》部分，引入新型壓電材料及應用的國際前沿與創新案例，鼓勵學生發現趨勢、預見未來，培養前瞻性與創新思維，激發學生的科研興趣。通過講述壓電效應的發現，引出居里夫婦為科學奉獻的精神與感人事跡，鼓勵學生以飽滿的熱情努力學習，為國奉獻。在《熱電式傳感器》部分，引入社會熱點問題，進一步激發學生的民族自豪感與使命感，培養學生濃厚的家國情懷與強烈的社會責任感。

2.引入信息化教學手段，增加課堂互動環節，提高課堂管理效率。積極使用中國大學MOOC、學堂在線、學習通和教學質量管理平臺等信息化教學手段，建立混合教學模式。利用學習通平臺，課前發布課件、視頻等學習資料和相關鏈接、網站等擴展閱讀資源，讓學生課前學習，提高聽課效率；課上進行隨機點名、課堂互動、隨堂測試等環節，增加課堂互動，提高上課效率；課后發布作業，設置提交截止時間，及時發現問題并解決問題。以上內容可以在課后生成統計報告，作為平時成績計入期末總成績。利用教學質量管理平臺，針對傳感器每章內容難點及相關問題發布調查問卷，通過學生的反饋信息，及時了解并解決學生的問題，同時有助于課程教學內容及教學方法的持續改進。

3.改革和創新教學內容及方法，提高課堂學習效率。跟蹤傳感器前沿發展，在教學內容中加入最新研究成果，并在課前或重要知識點引入與之相關的工業實例、歷史、人文、科技等知識，寓教于樂，活躍課堂氛圍，調動學生的學習興趣，促使學生積極互動、主動探究。增加豐富的視頻及動畫以展示各種傳感器的工作原理，加深理解。以具體問題或工程應用場景引出相關知識點，讓學生明白各種傳感器的應用價值，提高學習興趣。梳理傳感器知識點，將傳感器的靜態特性、動態特性、差動結構改進方法、分類方法等知識點貫穿全課程，做到首尾呼應。每章后，讓學生在學習通平臺上提交本章思維導圖，形成清晰的知識結構，及時做到對本章內容的復習、鞏固和升華［5］。

三、以項目為主導的實踐環節改革

課程實踐環節以三級項目模塊化訓練為主，以實驗為輔的形式，加深學生對傳感器基礎理論知識的理解，使其提高綜合運用“傳感器原理與設計”課程知識分析和解決相關理論和實踐問題的能力，鍛煉和提高交流、溝通和表達能力以及團隊合作能力，培養學生工程意識、創新能力、責任感和職業道德素養。

1.三級項目實踐訓練環節包括電子秤設計模塊、接近開關設計與制作模塊以及溫度傳感器的設計與制作模塊三部分。組織形式按班級以3人為一組，每組有一名負責人，通過組內討論明確任務分工和個人貢獻，每個模塊結束后提交項目報告并進行討論課匯報。（1）電子秤設計模塊包括電橋電路基本特性仿真和電子秤實際制作兩個部分。針對多種不同類型電橋電路，以Matlab、Multisim等仿真工具作為載體進行仿真分析，進一步使學生加深了對基礎理論知識的掌握程度，理解了理論模型、電路仿真模型與實際系統工程實現之間的區別。通過應變片粘貼訓練、電橋與放大調理電路的設計、輸出測試、測量數據評定及誤差分析，使學生進一步掌握了電阻應變式傳感器的相關理論知識，提高了學生的實踐動手能力。（2）接近開關設計與制作模塊主要以電容、電感等傳感器為基本內容進行理論設計、實物制作、測試與應用。通過自行查閱資料、擬定應用背景，鼓勵采用大膽、新穎的方案和奇思妙想。學生積極創新，應用不同種類的傳感器，實現了不同的功能應用。比如，通過自制電感線圈，實現了金屬探測；通過設計電容式傳感器，實現了手勢識別；通過設計電容式觸摸按鍵，在OLED上實現了觸摸按鍵游戲，即通過電容按鍵控制小鳥的上移和下移，通過障礙物可得分，碰到障礙物后游戲結束等。通過該模塊訓練，進一步加深了學生對接近傳感器應用的理解，培養了學生的創新思維。（3）溫度傳感器設計與制作模塊主要以熱電偶的實際制作為訓練內容，設計制作熱電偶、測量電路和溫度補償變送環節，完成單片機采集與溫度顯示。通過熱電偶絲的焊接、溫度補償和放大電路的設計與制作、電路部分的設計與制作、輸出的測試與誤差分析等，進一步加深了學生對熱電偶測溫原理與應用的理解。

2.討論課是以學生為主體，進行自我學習和相互學習的過程。主要針對三級項目實踐內容，通過以小組為單位進行PPT匯報和問題探討，充分調動了學生的主動性和參與性，提高了學生的交流與表達能力。使學生能夠及時發現問題與解決問題，并在相互學習過程中取長補短、不斷進步。

3.課程實驗以基礎性實驗為主。與理論課教學內容同步進行，使學生能夠及時用科學的方法對所學理論及應用進行實驗驗證，能夠采用科學的方法，對實驗數據進行采集、處理和分析，對實驗預期和結果做出合理的判斷和解釋，得出合理有效的結論。

四、課程考核與評價

1.課程考核由四部分構成，分別為結課考試（50%）、平時成績（10%）、三級項目（30%）、實驗（10%）。（1）結課考試題型包含綜合題和設計題，在涵蓋大部分知識點的同時，重點考核學生對知識的應用和遷移能力。（2）平時成績以隨堂測試的形式進行，及時考核學生對每章內容的掌握情況。（3）三級項目依據項目報告、實物制作與演示、討論課PPT匯報三部分綜合成績作為該項目的團隊成績，團隊成員的個人成績按照團隊成績的等級和個人貢獻比例進行分配。項目報告在基本設計內容的基礎上，增加了項目中遇到的問題和解決辦法、工作日志兩部分，要求學生按照時間節點完成規定任務，按學時撰寫詳細工作日志，提高學生時間規劃的能力、分析問題與解決問題的能力。（4）實驗考核在實驗報告的基礎上，增加了實驗操作規范程度、實驗完成匯報和驗收兩個過程考核指標，從根本上解決了“實驗就是抄報告”的問題。

2.課程評價由教學質量管理平臺發布的調查問卷和結課考試后形成的課程考核分析報告兩部分構成。根據學生反饋與課程指標點的達成情況，分析確定各環節的優勢與不足，有助于課程的持續改進。針對“傳感器原理與設計”課程的上述教學改革措施，將其應用于我校2019級測控專業4個教學班級，共106名學生，如圖1所示的調查問卷及評分結果顯示，學生綜合評價分數較上一教學周期有所提高，學生普遍反饋良好，達到預期效果，主要體現如下：（1）實現了價值引領和立德樹人。將愛國主義情懷、社會責任、職業道德、科學探索精神、創新精神、工程倫理及職業道德等思政內容與課程相關知識點緊密結合，關注職業素養與專業知識的融合，給予了學生積極的思想指導。（2）提高了學生的上課效率和教師的課堂管理效率。信息化教學手段的引入和教學方法的創新，調動了學生的學習興趣，使無故缺課、遲到以及課堂上玩手機、打瞌睡、走神的學生明顯減少，積極參與課堂互動的學生明顯增加，學生學習的積極性、主動性和創造性逐漸增強。有效的調查問卷統計結果幫助教師及時掌握了學生的學習動態和學習效果，有助于課程教學內容及教學方法的持續改進。（3）提高了學生分析與解決工程問題的綜合能力。多學時“三級項目”的開展，彌補了理論教學的不足，使學生不僅掌握了儀器、器件的操作和使用方法，還學會了如何進行團隊協作、開展具體的項目、發現問題與解決問題，增強了學生的團隊意識、創新能力和實踐動手能力，增強了學生的自信心與獲得感，激發了學生的科研興趣與實現自我價值的信心。

結語

本文主要介紹了“傳感器原理與設計”課程在“金課”建設過程中的具體實施方案、考核評價體系與實施效果。通過理論與實踐教學環節的優化與創新，堅持知識傳授、能力培養與價值引領相統一，將課程內容與思政元素有機融合，引入信息化教學手段與創新教學方法，完善課程考核評價體系，保證實踐項目與教學內容的相關性、創新性與挑戰性，提高學生的自主學習能力、實踐動手能力、創新能力和解決復雜工程問題的能力，激發學生的愛國熱情與奉獻精神，落實立德樹人根本任務。

參考文獻

［1］教育部.關于一流本科課程建設的實施意見：教高

〔2019〕8號［A/OL］.（2019-10-30）［2023-04-11］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

［2］吳巖.建設中國“金課”［J］.中國大學教學，2018（12）：4-9.

［3］吳艷云，田杰，謝少華.“金課”的三種“鍍金者”：形象描摹及其內涵解析：基于16位大學生的深度質性研究［J］.高教探索，2020（10）：60-66.

［4］邱曉天，葉湘濱，張琦，等.“傳感器與測試技術”在線開放課程建設探索［J］.電氣電子教學學報，2021，43（2）：15-18.

［5］何道清，張禾，石明江，等.傳感器與傳感器技術［M］.4版.北京：科學出版社，2020：6-24.

Construction of Gold Class of Sensor Principle and Design

YANG Li-li

（School of Electrical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao， Hebei 066004， China）

Abstract： The construction of gold class plays an important role in realizing student-centered teaching， and improving the quality of talent training. This paper mainly introduces the practice and exploration of the course team in the construction of the gold class of Sensor Principle and Design， and designs the theoretical and practical teaching of the course around the high-order， innovation and challenge of the gold class， which can stimulate the students’ interest in learning， cultivate students’ innovative thinking， engineering awareness and moral quality， improve students’ comprehensive ability to solve engineering problems， and reflect the comprehensive evaluation of students’ knowledge and ability by fully exploring ideological and political elements， introducing information-based teaching means， innovating teaching contents and methods， combining three-level projects， discussion courses and experiments， and building diversified assessment and evaluation system.

Key words： construction of gold class; Sensor Principle and Design; project-based teaching