递进式《传感器原理及应用》课程项目化改革与实践

郭亮

摘要：传感器原理及应用是自动化、仪器仪表等相关理工科专业重要的专业基础课程，对理论、实践能力和工程意识的培养均有很高的要求，项目化教学模式的应用十分必要。本文针对刚进入专业课程学习及初次接触项目化教学模式的高校学生，提出了传感器课程的递进式项目化教学方法，给出了三阶段式项目递进教学实施方案，以及阶段性和综合性过程化考核方法。实践证明该教学法可显著提高学生的理论学习和综合实践能力。

Abstract： Principle and application of sensors is an important basic course of automation， instrument and relative engineering majors. It has relatively high requirements for the training of theory， practice ability and engineering consciousness， so the applications of project-based teaching method is necessary. In this paper， a progressive project-based teaching method of sensor course is proposed for college students who have week professional foundation and no experience in project-based teaching mode. The implementation plan of three-stage progressive project teaching method and the process assessment way combined with periodical and comprehensive results are given. Practice has proved that the teaching method can significantly improve the theoretical learning ability and comprehensive practical ability.

关键词：传感器原理及应用；项目化教学；递进式

Key words： principle and application of sensors；project-based teaching mode；progressive

中图分类号：G423.07 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）03-0256-03

0 引言

随着信息时代的到来，传感器已成为获取自然和生产领域信息的主要途径与手段。传感器技术已广泛应用于工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程等生产生活的各个领域，尤其在工业生产过程中，传感器是生产参数监视和控制的基础部件，其性能指标直接制约着现代工业生产的发展水平。因此传感器的原理及其应用是高等院校机电类、自动控制类、仪器仪表类、电子信息类专业学生均必须具备的专业知识。目前很多高校開设了“传感器”系列课程，学者们也针对如何提高教学成果的问题展开了很多教学改革研究和实践工作[1～4]。

在浙江理工大学，“传感器原理及应用”课程同样是机械与自动控制学院和信息学院多个专业的基础课程，传感器教学团队每年授课人数超过400人，其课程的重要性可见一斑。但不同于苏州大学[3]、江南大学[4]、山东师范大学等高校，浙江理工大学测控技术与仪器等专业中“传感器原理及应用”被设定为基础类课程，授课对象为初入二年级的本科生。这些学生刚接触专业知识、工程思想薄弱，还保留了一些“被动”的学习习惯，这些特点都给基于CDIO的“项目化”教学方法的推进带来了困难。因此教学团队通过数年的教学探索，参考兄弟院校教学经验，结合各专业培养目标和社会需求，提出了符合初接触专业知识的低年级学生特点的递进式项目化教学模式，并取得了较为良好的教学效果。

1 递进式项目化教学的提出背景

随着CDIO工程教育模式的推广和专业认证的迫切要求，各高等院校纷纷加强了以学生为中心的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力的培养。浙江理工大学“传感器原理及应用”课程在测控技术与仪器等专业的CDIO课程体系中处于基础地位，不仅需要在有限的课时内教授学生关于传感器和检测的基础知识，还需初步建立学生的工程思想和系统意识，为后续的学习和科研起到导向作用，因此项目化教学模式的实施成为必然。但对于面向习惯“填鸭”式教学大二学生来说，项目化教学模式的忽然引入带来的一系列课程内容多样化、课时安排紧凑化、课外作业复杂化等问题，一时难以接受和解决。前期尝试结果表明：项目化教学模式的推进虽旨以提高学生的学习主动性，但刚接触专业知识的学生易顾此失彼，部分学生会因为一两次项目化作业的延迟或失败产生抵触和畏难情绪。

德国教育学家戈·海纳特曾说：“向学生预示结果或解决方法都会阻碍学生努力研究，因此，应该对结果迟下定论。对学生的错误不应看得过重。教师须明白，所有有活力的思想都有一个缓慢发展的过程。”故，浙江理工大学传感器教学团队依据学生的学习和思想发展过程调研结果，提出了更易于接受的递进式项目化教学方法。根据课程的进程逐步推进行项目化教学的实施力度和难度，通过阶段性初级项目和综合性高级项目相结合，采用激励和迫使双重方式，以引导、讨论、探究、实践等教学模式，逐步刺激学生的学习主观性，让学生通过由浅入深的项目化解决进程，切身感受到学以致用的快乐，实现传统教学方法所不能达到的效果，培养学生发现、思考、解决工程问题的能力，帮助他们树立自信心和责任感。endprint

2 递进式项目化教学的实施方法

递进式项目化教学依据学生对各项目的接受、掌握和完成能力，主要分为三大阶段：

2.1 以教师引导为主的初级阶段

在课程开设初期，学生刚接触传感器相关知识，理论基础薄弱，没有工程应用的概念，不熟悉“传感器原理及应用”的学习方法。因此在该阶段中，以教师的教授为主，重点解决学生“为什么学”、“学什么”和“怎么学”的问题，教授学生具体的学习方法，建立他们的学习自信。该阶段的教学主要内容包括：传感器基本知识的引入、测试系统的静动态特性以及电阻传感器的原理及应用三大部分。

具体实施过程：先使用生活中经常接触的或学生们比较感兴趣的信号检测系统，如温湿度检测、侵入式检测、机器人位置检测等系统为范例，介绍传感器发展历史，简单的阐述模拟型传感器的基本组成和检测方法，引入传感器的基本概念及检测系统基本知识，初步建立学生对传感器课程的认可度，解决“为什么学”的问题。

接着以传感器产品说明书为例，讲解非线性度、灵敏度、重复度等传感器的静动态特性的具体含义，并从学生最熟悉的滑动变阻器式传感器入手，通过滑点位移—输出电压的基本原理、灵敏度、非线性误差等特性分析及解决措施、输入信号—滑点位移—输出电信号的测量系统应用三大部分的讲述，解决学生“学什么”的问题。

进而通过引导式教学模式，以更为复杂的应变片传感器为例，给出学习提纲，通过传授和提问并行的教学方式，引导学生一步步跟随教师的步伐，通过原理分析、特性推导、测量电路及系统组成的学习步骤，掌握电阻传感器的各主要知识点，并结合单臂电桥、双臂电桥和全桥应变片基础性实验，解决“怎么学”的问题。

通过初级阶段的学习，学生已经对“传感器原理及应用”的课程的学习方法有了一定的认识，了解了传感器的基本组成、特性和应用方法，具备了初步的实验能力。

2.2 引入初级项目化作业的中级阶段

有了初级的学习基础，在接下来的教学中级阶段中，教师逐渐摆脱主导地位，学习中逐步突出学生的主体作用，教学内容向科学发展和工程应用类逐步扩展，并通过初级项目化作业的引入，锻炼学生“发现问题”和“分析问题”的能力。该阶段的教学主要内容包括：电容传感器、电感传感器以及压电传感器的原理及应用三大部分。

具体实施过程：从电容型传感器的课堂教学中开始，基于近似的原理、特性和应用的教学提纲，通过逐步增加课堂提问次数，引导学生进行主动性学习，逐步增加学生的自学比重，教学模式由教授式改用半教授半引导的模式，并结合测量电路，引入模拟传感器系统的概念，通过在工程应用中各范例的介绍，初步树立学生检测系统的思想。通过分极型液位检测或厚度检测等简单的传感器系统设计等初级项目作业的布置，让学生尝试学以致用。

进而通过设计中存在的问题或工程应用、科学发展中存在的问题，引导学生展开探究式学习。在此阶段中，有限的课堂时间除了传授必要的、如涡流传感器、压电原理和压电常数矩阵等较重要的知识点以外，其他辅助性内容均采用引导的模式督促学生一步步采用独立或团队合作的形式自学完成。更珍贵的课堂时间用于传授学生查询学术论文和收集资料的相关知识。

在此阶段中期，通常会根据课程进展，布置新型传感器结构及应用等资料收集等小项目作业，让学生了解国内外发展现状和应用需求，以锻炼学生“发現问题”的能力。在此阶段后期的压电传感器教学过程中，则常会要求学生通过资料收集和综合实验验证完成电阻、电容、电感及压电传感器在压力或位移检测中的特性和应用领域对比性作业，并在课堂中进行讨论，以锻炼“分析问题”的能力。

通过中级阶段的学习，学生已基本具备了自学以及论文等资料的收集能力，并初步具有了综合实验能力、分极型模拟传感器的设计能力，以及数种传感器的比对和选择能力。

2.3 完成综合式项目化作业的高级阶段

在所谓的高级阶段中，学生的中心性进一步加强，教学重心进一步向学生的综合能力培养上偏移。在此阶段中，课堂时间主要用于测试、讨论和解惑，学生需高度调动其学习主动性，并在教师指导下完成给定的或自创的综合类项目作业。该阶段的重点在于进一步锻炼学生的自学能力，培养学生系统观的思想，培养他们“解决问题”的能力以及工程应用能力。该阶段的学习内容为热电传感器、光电传感器以及磁电传感器的原理及应用三大部分。

具体实施过程：由于热电传感器等后续章节中原理、特性分析和测量电路等对应的知识点并不深奥，且学生已具备了一定的自学能力，因此从热电传感器部分开始，课堂中基础知识传授时间进一步减少，随堂测试的比重增加，学生需借助于教学团队制作的慕课等教学资源，在课下完成知识点的初步学习，在课堂中主要对包括如冷端补偿及标准电极等定律在内的综合性问题进行随堂测试和解惑。

在进入高级阶段后，课时已所剩不多，项目化作业不再是根据课程相关内容进行简单的资料收集并撰写文献阅读报告，综合和创新型难度大为提升，学生在此阶段需要2～3人团队合作，集中课外时间，结合课程实验和《传感器及测试技术》课程设计，以压力分布检测、入侵系统检测等工程应用为背景，基于国内外研究现状，结合学过的模电和电子类课程设计知识，完成给定的或创新型的传感器测试系统构建的工作，以锻炼“解决工程问题”的能力。

3 考核方式

考核属于教学活动的一部分，其目的是促进教师的教学和学生的学习，适当的闭卷考试是必需的，可以督促学生对本课程的内容进行全面的复习。但传统的考核方式以考试分数为主要评定指标，以概念、原理、推理等知识为主要考核内容，对学生的整体学习效果考核不全面，容易使学生只重分数不重能力，期末为了应付考试而进行的应急式学习，影响了学生综合能力和素质的提高[5]。

为了能够督促学生能够及时跟进递进式项目化教学的进展，递进式项目化教学模式中考核形式也更加多样化。在注重掌握基本理论知识的同时，侧重学生多种能力的培养和学习过程中有效学习的引导，构建了集知识（knowledge）、能力（ability）、过程（process）评价为一体的“KAP立体考核法”。由于“传感器原理及应用”是一门理论和实践结合十分紧密的课程，为了突出实践的必要和重要性，考核中实验课作为一门课程单独打分。在理论课的考核方式上，注重形成性评价与总结性评价相结合。教学团队对各阶段课堂提问、随堂测试及各项目化成果进行了过程评价，包括随堂提问成绩、随堂测验成绩、阶段项目作业成绩以及综合项目作业成绩等在内的平时成绩的比重也不断提高，由原来的40%增至50%以上。且随着初级阶段、中级阶段和高级阶段的推进，项目化作业的难度和比重也逐步递增，其中以项目化成果得分权重最高，其整体占综合评价得分的60%左右。这虽增加了教师的工作量，但学生的积极性得到了有效的促进。

4 结束语

递进式项目化教学开展以来，同学们自学能力、文献收集及整理能力、项目化成果水平显著提高。相同评价指标下，文献收集及资料对比项目的优秀率由原来的10%提高到30%，最终的综合型项目化作业中自创性项目由过去的20%提高到37%。同学们对综合实验、创新型实验开发的兴趣也明显提升。考核中设计题和对比分析题的得分也有所提高。

不可否认的是由于课堂教学中基础知识传授所占用的比例逐步减低，学生的自学比重的增加使得新授课模式与传统授课式教学模式相比，期末考试中学生在基础知识方面的平均得分略有下降。因此丰富习题库和课程资源，开发更利于师生互动的在线开发课程网络平台将是浙江理工大学教学团队接下来的主要工作。

参考文献：

[1]闫钧华，杭谊青.实践论下的理论与实验相融合模式研究——以《多传感器信息融合技术》课程为例[J].价值工程，2015（5）：225-228.

[2]凌红英.基于新课标的《传感器技术》课程改革探索[J].价值工程，2010，29（36）：265-266.

[3]林红，曲波，黎穗琼.基于翻转课堂的传感器原理教学探讨[J].教育教学论坛，2017（2）：166-167.

[4]朱启兵.面向工程应用能力培养的《传感器与检测技术》教学改革[J].贵州师范学院学报，2013，29（3）：27-30.

[5]潘承怡，段铁群，解宝成.“创新设计方法”课程考核方式改革[J].黑龙江教育：高教研究与评估版，2016（3）：38-39.endprint