“以学生为中心”的“传感器与测试技术”课程教学实践研究

雷慧　荣星　肖国红

摘 要：课堂教学是传授知识、培养人才最重要的环节。高等教育阶段的教学要结合网络时代和具体课程的特点，围绕学生知识结构的需求从教学内容、教学方式上不断进行探索创新，形成学生喜爱、手段多样、教学相长的教学全过程。“传感器与测试技术”作为机械专业一门重要的专业课，研究如何“以学生为中心”展开教学工作，不仅对本课程的教学有帮助，而且还可以将成功的经验拓展到其他课程的教学上，同时对其他教师也有一定启发作用。

关键词：以学生为中心 传感器与测试技术课程 教学实践

Research on the Teaching Practice of the “Sensor and Testing Technology” Course “Student-centered”

Lei Hui，Rong Xing，Xiao Guohong

Abstract：Classroom teaching is the most important link in imparting knowledge and cultivating talents. Teaching at the higher education stage should combine the characteristics of the Internet age and specific courses， and continue to explore and innovate in teaching content and teaching methods around the needs of students' knowledge structure， forming a whole teaching process that students love， with diverse methods， aiding teaching. "Sensor and Testing Technology" is an important professional course for mechanical majors. Studying how to "student-centered" teaching work is not only helpful to the teaching of this course， but also can extend the successful experience to the teaching of other courses. At the same time， it also has a certain enlightening effect on other teachers.

Key words：student-centered， sensor and testing technology courses， teaching practice

習近平总书记说过：“办好高等教育，事关国家发展，事关民族未来”[1]。当前及今后一段历史时期，实现“两个一百年”和中华民族伟大复兴是全体中国人民的共同奋斗目标。要实现这一目标，必须培养一大批各行业建设的合格人才，尤其是受过高等教育的人才，“怎样培养人”是教育的关键问题[2]。对大学生的教育，主要是以“德智体美”的目标培养他们树立正确的“三观”（世界观、人生观、价值观），并具有一定的理论知识和实践能力。

围绕“怎样培养人”的问题，在教学实践上不同课程的教学方法不尽相同，但总体原则就是要“以学生为中心”，根据学生的特点合理制定教学方法。“传感器与测试技术”是机械工程专业的一门重要专业课，实际应用广泛，如何开展教学工作，达到教育部工程认证对学生在理论知识、实践能力上的要求，是教师必须考虑的首要问题。本文从课前的教学引导、课堂的教学过程、课后的辅导答疑以及通过项目实做提高实际动手能力等环节分析了本课程的教学方式，并提出了相应教学考核的办法。

1 “以学生为中心”教学的总体思想

传统的教学方法主要是依靠教材、教辅的知识体系和课堂讲授，不但传授的知识陈旧，而且有些理论随着相关研究的深入可能还存在不完善之处，因此课堂讲授内容需要随着时代与科技的发展不断更新[3]。同时，在互联网时代，学生更乐于在网络上获取知识，如何将网络上碎片式的知识与所讲授的内容有机结合形成完整的知识体系，是教师应该考虑的问题。“以学生为中心”的教学思想，就是要充分利用网络等各种现有技术条件、教学方式、教学资源等，在课前、课中、课后的教学全过程中将需要讲授的内容以学生易于接受的形式传导给学生[4]、[5]。

2 授课前抛出问题，吸引学生关注，启发学生积极思考

在基础教育阶段，为提高教学效果，教师一般都会要求学生提前预习。但在大学阶段，由于学业繁重、社团活动、书本知识的枯燥性等多种因素，学生一般很难做到课前预习。针对这种情况，教师可以在课前抛出一些与现实生活有联系、学生有认知的实例来启发学生课前思考，使学生带着疑问进课堂，往往会有较好的效果。例如在“电阻应变式传感器”这一章，讲到了如何利用电阻变化原理测量力，教师在课前可以通过班级微信群给学生提出这样一个问题：针对货车超载问题，如何设计一个称重装置使司机能随时知道所载货物的重量？学生带着疑问听课，课堂上老师就可以这个问题为背景，从电阻变化的原理出发，抽丝剥茧地将相关导致电阻变化的理论、如何设计应变片、如何布置传感器、如何获取测量数据、如何减少误差等问题向学生娓娓道来，这样有预设背景的教学内容会使学生奔着目的而来，不至于感到空洞枯燥。

3 课堂上以教学内容为导向，采取不同教学方法，激发学生学习兴趣[6]

“传感器与测试技术”这门课的前面部分主要讲信号与测量的基础理论，后面讲不同传感器的具体应用，两者的教学重点难点不一样，因此在课堂教学中要针对不同内容采取不同的教学方式，激发学生的学习兴趣。

3.1 对理论知识的讲解，以通俗易懂的形式进行

在课程前面信号与测量的基础理论部分，主要涉及信号处理中的一些概念和数学理论，纯数学的知识点多。在教学中，很多学生对傅里叶变换的思想难以理解，通过虚幂函数由时域信号得到频域的频谱感到不可思议，讲课时如果完全按照教材中数学推演的方法平铺直叙，学生就觉得生涩难懂。结合傅里叶生活的时代背景、前辈科学家如欧拉、伯努利等人做出的贡献讲述这一数学分析工具的发展过程，学生就容易接受得多，课堂也变得生动有趣。通过学习这段知识，学生也明白了创新不是凭空臆想，而是需要充分的知识储备和积累。讲课过程中，适当介绍科学家的一些生活故事，让学生认识到科学家不是遥不可及的神，而是和我们普通人一样在探索的过程中都会遇到困惑和挫折，成功從来都不是一蹴而就轻易达成的。这种教学方法不仅能加深学生对知识点的理解，也帮助学生树立了天生我才必有用、只要努力都会有收获的自信心，也是对学生世界观潜移默化的影响，同时这些科学家的故事还是课程思政教学的极好素材。

3.2 对应用知识的讲解，以工程案例的形式进行

在本课程的后续章节，主要讲不同类型传感器的工作原理及实际应用，其中理论知识比较容易理解，重点和难点在如何应用上。对某一种传感器的教学可采用翻转课堂的形式，让学生自由组合分小组讨论，每组5-6人，通过讨论学生不仅加深了对理论知识的理解，还能够探讨在实际应用中可能存在的问题，训练了学生系统化、工程化的思维习惯，有利于学生将所学的知识融会贯通。比如讲解电容式传感器，它的原理是通过电容值的变化来测量被测参数。影响电容变化的因素在高中阶段就已经学习，那么大学阶段就应侧重于应用方面的教学。在实际中，电容式传感器可以用来测量液位高度、金属板厚度、流体的压力差等，教师设定一个应用场景要求每组提出一个实际可行的测试方案，每组提出方案后再由全体同学讨论 。比如对液位高度的测量，教师设定某企业在生产中需要测量水槽中水位的高度，学生在选用电容式传感器时就要考虑根据水槽的极限液位高选定相应型号的传感器，还要考虑如何显示测量结果，有时根据企业需要还要能实现远距离传输。由于电容式传感器测液位高是基于极板间介电常数变化的原理，在讨论中学生就发现测量误差与液体属性有关，即水槽中水质情况会影响测量准确度。如果水质变化大，那么电容式传感器就不一定适用了，由此教师可以适当延伸讲授一些如超声波、光电折射式传感器测量液位高的方法，不仅丰富了学生的思路，而且让学生对电容式传感器的认识更深刻。讨论结束后，部分同学还余兴未尽，这时教师可鼓励他们申报一些校级的创新创业项目，将自己的思想通过具体的实际作品表达出来，学生实做出来的作品还可以作为以后课堂教学中很好的教具。这种理论与实践紧密结合的教学方式，不仅使学生扎实地掌握了理论知识，还锻炼了他们的实际动手能力。

4 课后形式多样的辅导，夯实学习效果，提高学生实际工程能力

本课程的教学目标是让学生在对基本理论有一定了解的基础上，掌握在实际中如何应用，因此对学生的教学与辅导重点也应体现在实际的项目上。在实际教学中，一般在每章结束后布置2-3道课后作业，其中1道偏向于理论，使学生巩固所学习的理论知识，另外1-2题就偏向实际应用。对这些理论作业题，可以通过班级微信群讲解答疑，对实际应用题就在下次上课时讲解。对学生实做出的作品，选择合适的时间集中进行指导，这种指导可以当面进行、由教师主讲，也可以通过线上指导，由学生做“主播”、教师做“助理”配合视频进行。在每次指导中，可安排不同的项目小组依次进行，使大家能同时高效率地学到更多知识。比如，有学生在课后实做了一个可自动分类及报警的垃圾桶项目并申请了校级大学生创新创业项目的支持。垃圾桶是日常生活中非常熟悉的生活用品，通过对熟视无睹的对象以创新性的思维进行改进，锻炼了学生在以后如何真正地结合工作和生活实际进行创新性研发的能力。本垃圾桶要求具有自动识别垃圾类型、垃圾装满以后自动向保洁人员报警等功能，设计目的是不仅能让保洁人员及时清理垃圾美化环境，而且减轻他们的工作强度。在设计上，学生们利用图像传感器运用模式识别的原理对垃圾分类，然后通过机电传动机构将不同垃圾分别投入不同的分隔桶中。其中学生要学会如何选购合适的图像传感器、如何将投放的垃圾与数据库中的垃圾图像进行比对，融合了数据库、图像识别等知识。尽管图像识别已经不属于本课程的教学范围，但学生通过自学的方式将其掌握，又锻炼了自学的能力。在垃圾桶的机电传动部分用到的角位移传感器、步进电机等机电控制知识，使学生不仅掌握了本课程的学习内容，而且也巩固了本专业其他课程的知识。在项目进行过程中，学生需要完成项目背景调查、技术路线拟定、实施进度安排、元器件采购、项目实做、项目结题等全流程工作，不仅锻炼了他们实际动手、进度管理能力，而且提高了技术文件的写作水平，还让他们有了撰写项目申请书的初步经验，对学生的综合能力无疑有极大的提高。

一般而言，校级项目由于时间、学生的持续兴趣度等多种主客观因素影响，最后做成的作品还有诸多有待完善的地方。但学生所储备的知识和获得的经验可以为后续做更深、技术难度更高的项目打下很好的基础，这时教师可鼓励部分表现突出的同学参加一些高层次的设计比赛以进一步提升自己。这些参加比赛的同学，由于学校有了相关的激励措施，加上发自内心的兴趣，他们往往愿意花1-2个月时间专注于创新设计，这样在老师的指导下，他们能从设计构思到实际完成的各方面能力都得到进一步提升。比如有学生设计出了一种智能避障小车参加全国的科普知识创新设计比赛，该项目比自动分类的垃圾桶技术难度更高、所涉及的知识面也更广。该小车以Arduino 电子开源平台为基础，通过循迹方式实现预定的运动，要求能自动规避行进中的各种障碍物，在实际中可应用在物流仓储、无人驾驶等流域。小车的循迹采用图像传感器，避障采用超声波传感器，为了避免障碍物位置过低超声波检测不到或小车的转向舵机来不及控制，还增加了红外避障模块，从技术上而言比上述垃圾桶更有难度一些。通过做这个项目，学生不仅巩固了超声波传感器、图像传感器知识，而且学到了在技术平台上集成开发项目的经验。同时，由于比赛还要求视频资料、现场答辩等，又使学生学会了如何拍摄剪辑视频、如何演讲、如何将团队成员合理分工等，锻炼了本课程知识以外的能力，无疑又使学生的素质上了一个新台阶。

5 改革课程考核方式，促进学生注重实际能力的培养

传统的课程考核以期末闭卷考试成绩为主，常常只能考查学生对理论知识的掌握程度，容易导致学生陷入死记硬背的学习误区。改进考核办法，将平时成绩的比重从20%提升到50%，特别是提升学生课堂表现的成绩占比有助于提高学生上课的积极性，使学生改变了以往靠期末考试前短时间突击复习的学习方法而更注意平时的课堂表现、课后作业、项目实做的成绩，这有助于学生更注重平时的知识积累和实践动手能力的提高。

6 结语

“以学生为中心”开展教学工作，是一项需要长期投入精力的实践过程，要求教师具有良好的教书育人的职业精神。在教学实践过程中，需要解决不断出现的新问题。如何避免实做项目的虎头蛇尾，需要针对不同的学生和情况提出相应的改善办法。“传感器与测试技术”这门课兼有理论与应用两部分的知识，在工科课程中具有一定代表性，“以学生为中心”做好本课程的教学，不仅使学生学好本课程，而且也为教师在其他课程的教学积累经验。教师只有在教学工作中真正做到“以学生为中心”，根据时代、技术的变化不断与时俱进地改进教学方法，才能真正提高学生的综合能力和科学素质，培养出为中国特色社会主义建设服务的高素质人才。

基金项目：集美大学“习近平三部采访实录”项目（项目号XJP202016和XJP202017）。

参考文献：

[1]习近平. 致清华大学建校105周年贺信[N].人民日报，2016-04-23.

[2]石中英. 把握习近平总书记关于教育的重要论述的思想主线[J].中国高等教育，2018（18）：7-9.

[3]赵严. 以学生为中心的“材料科学基础”课程教学改革与探索[J].高等理科教育，2021（01）：49-53.

[4] 李向荣. 开放、共享、提高：MIT开放式课程的运行机制、特色及启示[J].清华大学教育研究，2007（3）：36-39.

[5]吴胜和.“以学生为中心”的多元混合式课程教学模式的探索与实践[J].中国地质教育：2018，27（04）：77-81.

[6] 王慧.基于任务导向和能力评价的课程考核方式改革研究[J].知识经济，2019（11）：119-120.