以項目設計為導向的傳感器技術課程實驗教學改革研究

摘 要：在當前的高等教育中，傳感器課程將理論知識與實際應用緊密結合，在推動學科交叉融合和培養(yǎng)學生的綜合能力方面至關重要。針對現(xiàn)有的傳感器實驗課程過于注重理論知識的驗證，沒有充分發(fā)揮實驗課程在培養(yǎng)學生實踐能力方面的問題，采用以項目設計為導向的教學模式，設計教、學、做為一體的項目，完善實驗教學課堂機制，開展傳感器技術實驗課程的改革探索。

關鍵詞：傳感器技術 實驗教學 項目導向 教學改革

1 緒論

在現(xiàn)代化信息技術中，傳感器是其重要的組成部分，其應用領域較為廣闊，包括智能家電、智能制造、醫(yī)療設備、航空航天，對技術的進步與產業(yè)升級都起著巨大的作用。尤其是在物聯(lián)網、人工智能等新興技術崛起的大形勢下，傳感器方面的熟練掌握者在就業(yè)中更占優(yōu)勢。在測控技術與儀器、自動化、智能電網、智能儀器專業(yè)的人才培養(yǎng)過程中，傳感器知識不能忽視，可以構建專業(yè)知識體系，夯實后面自動控制原理、信號與系統(tǒng)、測控電路等學科專業(yè)知識。

在傳感器課程的教學實踐中還存在諸多需要改善的問題和挑戰(zhàn)，如課程中熱電效應、霍爾效應等一些相關知識的概念理論性強、抽象度高，單向灌輸式傳統(tǒng)教學手段很難使學生對這些概念有比較深刻和全面的理解與掌握，而實驗教學是幫助學生深刻認識傳感器的工作機理、全面掌握傳感器的性能參數等重要內容的橋梁和紐帶，目前實驗教學現(xiàn)狀存在明顯的短板，實驗教學內容以演示傳感器現(xiàn)象的簡單重復實驗為主、創(chuàng)新性的驗證性實驗不足、實驗內容不系統(tǒng)、實驗內容無突出特點，使得學生的課程學習積極性低下，評價體系方面比較看重實驗結果，而沒有對實驗過程的考核。不利于學生實踐應用及創(chuàng)新意識能力的培養(yǎng)，人才培養(yǎng)質量與產業(yè)結構的契合度有所欠缺。

為進一步適應這一形勢，本研究主要聚焦傳感器技術類課程實驗教學從以項目設計為指針的實驗教學改革，采用項目式學習（Project-Based Learning，PBL）的思想重新設計實驗內容，精雕細琢實驗教學模式，改變以往驗證性實驗的實驗內容和實驗教學方法局限，打造一節(jié)具有層次感、遞進性的實驗教學內容。同時，將實驗教學內容與項目式設計掛鉤，強化培養(yǎng)學生工程實踐能力與創(chuàng)新意識，同時，制定科學的考核評價方法，全面、客觀地反映學生對知識掌握程度與創(chuàng)新意識，從而達到培養(yǎng)理論素養(yǎng)高、實踐動手能力強、富有創(chuàng)新意識的傳感器技術專業(yè)高素質應用型人才的目的。

該研究一是豐富了傳感器技術課程實驗教學的理論體系，具有課程教學理論意義；二是探索和實踐了一種值得推廣的實驗教學模式，具有一定的現(xiàn)實意義，對于人才培養(yǎng)的質量提高具有重要作用。

2 傳感器技術實驗教學現(xiàn)狀

在傳感器技術課程的實驗環(huán)節(jié)，由于現(xiàn)有的實驗項目主要是為驗證傳感器本身的基本特性而設置的驗證型實驗，因此學生的大部分精力都花在了對傳感器基本特性和參數值的驗證工作上，在這種傳統(tǒng)的實驗教學過程中，學生培養(yǎng)的過程脫離了實際工程背景，而實驗也只是按照實驗教學指導書的實驗指導內容進行操作，根據指導書給出的實驗數據，驗證所得出的結論，對于傳感器如何將自身應用到復雜的工程背景中缺乏充分的理解，屬于單純的“按圖索驥”式的實驗，在很大程度上不利于學生興趣的激發(fā)，更不利于解決復雜工程中的現(xiàn)實問題，造成理論與應用之間巨大的割裂狀態(tài)。

該培養(yǎng)模式存在著嚴重的問題。首先，學生實踐能力得不到有效的加強，學生在面臨實際的工程時會顯得束手無策；其次，學生創(chuàng)新意識得不到有效的增強，把知識轉變?yōu)閷嶋H的能力相當弱。在這種培養(yǎng)模式下培養(yǎng)出來的學生難以實現(xiàn)社會發(fā)展的人才需求，很難滿足當代工業(yè)社會對復合型的工程人才的需求。從相關調查統(tǒng)計中可以看到超過70%的工科學生在第一次就業(yè)的時候就存在“學非所用”的問題，尤其在傳感器技術方面的實踐能力更是嚴重不足。

由此觀之，需要將舊的實驗教學模式進行革新。基于項目設計的實驗教學模式是對此問題進行革新，將實驗課講授的物理量傳感器應用的理論知識與物理量傳感器應用的實際工程進行結合，創(chuàng)設出更加接近工程環(huán)境的學習情境，引入物理量監(jiān)測項目等場景，設計綜合性實驗項目。在此背景下，學生可針對項目展開設計，認知物理量傳感器的工作原理及應用方式，在此背景下可以優(yōu)化學生的綜合性實踐能力，并培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，促使學生可解決更加復雜的工程問題，更好滿足社會需求。

項目中的課程實訓內容從模擬電子技術初步了解傳感器器件，再到單片機程序設計，完成信號處理電路設計和系統(tǒng)設計，通過典型的項目實踐，學生不僅深入理解傳感器的基本原理知識，而且學會傳感器應用中的信號處理、數據通信、嵌入式程序設計等跨學科知識的學習，培養(yǎng)了學生分析、解決現(xiàn)實中的問題，為繼續(xù)開展本專業(yè)的學習及今后走向工程實踐打下了堅實的基礎。

3 以項目設計為導向的傳感器技術實驗教學改革方案

3.1 實驗項目改革

在實驗項目設計方面，本研究基于工程教育認證標準和OBE理念，開發(fā)了一系列貼近實際工程應用的綜合性實驗項目。通過對比分析原有實驗項目和改革后實驗項目的具體設置（如表1所示），可以看出改革后的實驗項目更加注重工程實踐能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計項目要求學生綜合運用Pt100溫度傳感器、三線制測量電路、放大電路、A/D轉換模塊等硬件設備，結合嵌入式系統(tǒng)的應用，設計并實現(xiàn)一個完整的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅需要實現(xiàn)溫度數據的實時采集與顯示，還要求具備數據存儲、異常報警、遠程通信等功能模塊。智能電子秤設計實驗項目要求學生綜合運用金屬應變片、單片機、信號調理電路、數據采集與處理系統(tǒng)等專業(yè)知識，構建完整的稱重系統(tǒng)

該系統(tǒng)需達成以下關鍵功能：其一，可精確測量單臂、半橋以及全橋這三種不同連接方式下的應變信號，同時，借助對比分析的手段，明晰其在靈敏度、線性度以及抗干擾能力等方面的性能表現(xiàn)；其二，系統(tǒng)必須擁有實時數據采集和處理的能力，能夠利用單片機對信號執(zhí)行放大、濾波以及模數轉換等操作，并且將采集到的數據換算成重量數值，再經由顯示模塊予以可視化展示。智能水流量監(jiān)測系統(tǒng)的實驗項目，要求學生深度領會差動變壓器測量位移的工作原理，同時綜合運用單片機、差動變壓器、信號放大電路、模數轉換模塊、顯示模塊等器件，來完成水流量監(jiān)測系統(tǒng)的設計與搭建 ，實現(xiàn)其實踐應用。

該系統(tǒng)利用差動變壓器精確檢測水流控制閥門的開度位移，并將其轉換為電信號，經放大后由單片機控制模數轉換模塊將模擬信號轉換為數字信號，并設計精準有效的數據處理算法，準確計算水流量，并實時顯示水流量數據。汽車車速實時監(jiān)測系統(tǒng)實驗項目要求學生掌握霍爾傳感器測量轉速的基本原理，并結合單片機、霍爾傳感器、顯示模塊等器件，設計車速實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠利用霍爾傳感器準確捕捉汽車車輪轉速信號，將霍爾傳感器輸出的脈沖信號轉換為電信號。再由單片機對霍爾傳感器輸出的脈沖電信號進行采集和處理，根據車輪周長將轉速轉換為車速。并實時顯示當前車速，也可增加超速報警、里程累計等功能。

這些實驗項目在內容編排上構建起一個逐步進階的知識架構：起始于對基礎傳感器原理的認識，接著過渡到信號處理電路的設計，隨后開展單片機程序的開發(fā)，最終完成完整的系統(tǒng)集成。經由這樣系統(tǒng)的項目實操訓練，學生不但能夠透徹領悟傳感器技術的核心原理，還能掌握信號處理、數據通信、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等多學科交叉知識。這極大地鍛煉了學生解決實際問題的能力，為他們后續(xù)的專業(yè)學習以及投身工程實踐筑牢了根基。

3.2 項目實施過程中虛擬仿真技術的創(chuàng)新應用

在傳感器技術實驗課程中，針對傳統(tǒng)硬件實驗的局限，本項目開發(fā)了采用虛擬仿真技術——Proteus的典型虛擬實驗教學系統(tǒng)，分別基于Proteus進行了智能溫度在線監(jiān)測實驗、智能電子秤設計實驗、智能水流量監(jiān)測實驗、汽車車速在線監(jiān)測實驗等多個典型案例測控系統(tǒng)的虛擬仿真實驗。

智能溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)的仿真設計中，在Proteus仿真平臺建立一個由溫度傳感器、信號調理電路、A/D轉換模塊以及顯示模塊構成的完整的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫度的實時顯示；智能電子秤仿真設計中，在Proteus仿真平臺建立一個由稱重傳感器、信號放大電路、模數轉換電路以及顯示模塊組成的電子秤系統(tǒng)，實現(xiàn)了對物體稱重并進行顯示；智能水流量監(jiān)測系統(tǒng)中，通過虛擬仿真技術仿真了流量傳感器、信號處理電路和顯示模塊的協(xié)同工作過程；汽車車速實時監(jiān)測系統(tǒng)中，完成了速度信號的采集和處理以及實時顯示。

虛擬仿真實驗的采用，不僅解決了在有限的硬件實驗設備面前出現(xiàn)的實驗器材不足、易耗易損、維護費用高；故障現(xiàn)象被掩蓋、實驗被動以及學生易失去安全警覺、人為改變實驗初始條件等困難，而且給學生提供了更為靈活、安全的實驗條件。學生可以對仿真實驗平臺任意調整系統(tǒng)參數、觀察系統(tǒng)反饋、理解各模塊的功能。而虛擬仿真實驗這種教學模式則使學生實現(xiàn)了對理論知識的鞏固，實現(xiàn)理論知識與實驗知識的結合，有效提高了實驗教學質量，培養(yǎng)了學生的實踐創(chuàng)新能力。據統(tǒng)計，虛擬仿真之后，學生的實驗完成率達93%，系統(tǒng)設計能力提高了35%，充分說明該方法的有效性。

3.3 以項目設計為導向的實驗教學評價體系構建

將工程導向式教學模式以項目設計為背景開展教學，實驗的合理評價體系是保證教學任務完成的關鍵環(huán)節(jié)。該工程設計項目設計了一種科學的實驗評價體系，將過程性評價和終結性評價結合、定量評價與定性評價結合，以全面、客觀地對學生的學業(yè)和實踐能力進行評價。

評價指標體系設計中，基礎知識掌握程度，實踐操作能力，創(chuàng)新能力，團隊協(xié)作與職業(yè)能力4個維度進行評價，其中，基礎知識掌握程度主要評價學生對傳感器的理解程度、利用電路設計理論解決實際電路問題能力、利用傳感器設計系統(tǒng)集成方案的可行性分析能力，占權重30%；實踐操作能力主要評價學生仿真平臺操作的熟練程度、系統(tǒng)調試和優(yōu)化能力、故障檢修和排除能力，實驗數據的處理和分析能力，占權重40%；創(chuàng)新能力主要評價學生設計方案的創(chuàng)新性、系統(tǒng)功能的可擴充性、針對問題提出的技術方案改進意見，占權重20%；團隊協(xié)作與職業(yè)能力主要評價學生團隊協(xié)作分工的能力、撰寫實驗報告的規(guī)范性、安全操作意識能力，占權重10%。

過程性評價包括實驗過程中操作的現(xiàn)場記錄與評估、階段性成果展示和答辯、組間互評與教師點評等。結果性評價通過測試系統(tǒng)的功能實現(xiàn)程度、測試系統(tǒng)的性能指標、考核系統(tǒng)的創(chuàng)新點三部分完成。綜合評價包括實驗報告質量、系統(tǒng)演示和答辯、創(chuàng)新設計和實現(xiàn)，占總評分比例分別為30%、40%、30%。

另外，構建了“教師評價+學生互評+企業(yè)專家評價”的三方評價機制。教師評價主要針對學生對專業(yè)知識掌握程度和實踐操作規(guī)范性；學生互評主要針對學生合作交流能力；企業(yè)專家評價主要針對學生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識。

采用這一科學完整的實驗評價體系不僅能夠客觀地反映學生學習效果，而且能夠有效引導學生注重實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。實踐證明，實驗評價體系的應用之后，學生的工程實踐能力明顯提高，在各項創(chuàng)新競賽獲獎率增加25%，畢業(yè)生的就業(yè)競爭力明顯提升。

4 結語

筆者基于項目設計的指導思想，全面系統(tǒng)地對傳感器技術課程實驗教學進行了改革，取得了顯著的成績。該改革過程中開發(fā)了一系列的綜合性實驗項目，如智能溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)、智能電子天平設計、智能水位流量監(jiān)測系統(tǒng)和汽車車速在線監(jiān)測系統(tǒng)等，很好地解決了以往實驗教學驗證性實驗較多、對培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)難等問題。

本文改革性地引入Proteus虛擬仿真技術，打破傳統(tǒng)硬件實驗的局限性，為學生提供更加靈活和安全的實驗條件，提升實驗教學的效果，同時構建科學完善、具有科學性和多元性的實驗評價體系，將過程評價與結果評價相結合綜合評判學生的學習效果及實踐能力。

通過對改革后實驗教學模式實踐效果的驗證可以看出，實驗采用項目設計法，將傳感器的原理由傳統(tǒng)驗證性實驗變成學生為了完成某個項目所需解決的科學問題，學生在完成相關項目的過程中，鍛煉并提高其綜合系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力。

此外，本文研究還存在一定的完善空間，例如虛擬仿真平臺功能有待完善，增強其互動性和實時性；校企合作深度、程度還有待加強，可以加入更多的真實工程實踐項目；評價系統(tǒng)在科學性、全方面性也有待于進一步提高，使其更加能真實反映學生的基本能力。

展望未來，我們會持續(xù)深入推進教學改革，優(yōu)化課程內容，升級虛擬仿真平臺，加強校企合作，建立畢業(yè)生跟蹤反饋機制，不斷提高人才培養(yǎng)質量。此外，還將積極探索把人工智能、大數據等新興技術融入實驗教學，進一步提升教學效果，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。我們堅信，通過不懈努力，能夠培養(yǎng)出更多理論基礎扎實、實踐能力出色、創(chuàng)新意識強烈的高素質傳感器技術人才，為社會發(fā)展和技術進步貢獻更大力量。

基金項目：河南工學院校級教改項目應用型本科高校嵌入式人才培養(yǎng)體系研究（2024JG-YB031）。

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