基于网络时代下传感器原理与应用课程教学改革研究

赖健琼，陈亮

(1.西南财经大学天府学院智能科技学院，四川绵阳621000；2.绵阳城市学院信息与控制工程学院，四川绵阳621000)

1 引言

以智能化与信息化为特征的第四次工业革命给人类带来深刻变革，“物联网”“大数据”“机器学习”“深度学习”“人工智能”等热词逐渐进入人们的视野，如何应用信息物理系统实现智能化生产成为时代主流[1]。在人们什么都追求智能化的时代，硬件和软件是相互依存的。在物物互联的技术链中，各种设备的数据采集都离不开传感器，成千上万的传感器会有大批数据出现，大量数据为数据挖掘、机器学习和深度学习提供数据源，成为这些技术的助推剂，这些技术的目的就是实现人工智能，而人工智能的最终目的是让人们的生活更加智能化，智能化的生活又离不开各种各样的传感器[2-3]。由此可以看出，传感器技术在万物互联中起着关键作用。

2 课程教学现状

传感器原理与应用是机电类和计算机类专业的核心课程。因此传感器原理与应用课程在整个教学课程体系中起着举足轻重的作用。传感器原理与应用这门课程具有章节内容相对独立、应用性强、实践性强和综合性强等特点[4]。不过，传统的教学模式存在许多不足之处，主要体现在两大方面：第一方面就是理论教学，主要采用的是以课堂教授为主，学生被动接受知识的灌输，参与度不够，课堂气氛容易冷场，很难激发学生的积极性；第二就是实验实操方面，大多都是按照教学内容开展少量验证型实验，这些实验没有很好地贴近学生的实际生活，这就很难让学生产生兴趣。因此，教与学都正面临很大的挑战。

2.1 学生学习现状

1)独立院校学生生源特点

独立院校的学生大多具有“三高一低”的特点，即城镇生源居多，独生子女多，家庭条件优越者多，入学成绩低[5]。城镇学生大多都具有思维活跃、见多识广、接触新鲜事物较快的优点，但是也具有对学习专业知识热情不高和主动意识差的缺点；独生子女容易以自我为中心，自律意识差和没有团队意识等特点；家庭条件优越的学生具有自理能力、感恩意识差等特点；学生入学成绩相对较低，一部分学生认为高考成绩差强人意，希望通过自己的努力可以考上研究生改变现状，相反有大部分的学生仍然处在游离状态，没有明确的目标和主动学习的意识，整天沉溺于游戏而虚度时光。除此之外，还有部分学生来自农村、不是独生子女且家境困难和高考失利进入独立院校的学生思想问题，家境贫寒的学生与家庭条件优越的学生容易形成明显反差，使得学生产生自卑、破罐子破摔、自暴自弃等心理问题。

2)被动式学习和畏难情绪

很多大学生在课程学习的认真度和专注度明显降低[6]。大部分学生对很多专业课程的学习提不起兴趣，缺乏主动性。一遇见问题就会产生畏难情绪，就只会找各种借口，很少反思自己，从而造成课程学习进度滞后，甚至是停滞不前。还有部分学生还未从高中的教学模式中扭转过来，还是习惯于在老师的监督下学习，还是重结果轻过程，还处于一种应试教育模式。比如理论学习，唯分数论高低；实验学习，只会“依葫芦画瓢”；长此以往，学生在学习的过程中缺乏主观能动性，导致学生仍处于一种被动盲目的学习状态[5]。

3)网络原住民和多元化的学习环境

网络原住民是指一出生就面临这个无处不在的网络世界的新时代的年轻人[7-8]。对于80后甚至是90后来说，网络是一种工具。但是对于零零后来说，网络就是他们的世界。新时代的大学生的一切活动都与网络息息相关，如各种社交、学习和娱乐活动都依赖于网络。网络对学生来说是一把“双刃剑”，用好了似如虎添翼，用反了就会得不偿失。不仅如此，随着手机App的迅速发展，有的学生刷抖音、拍娱乐短视频可以占据自己大量的时间，根本经不起来自网络的各种诱惑。除此之外，现在的学生拥有多元化的学习环境，获取知识的来源也变得多样化起来。从而使得学生获取知识的途径不再是仅仅来源于教师教授，而是开放性的、无边界的和多方位的。因此，如何抵御手机各种与学习无关的App诱惑，如何在丰富多彩且多样化的知识海洋中获取适合自己的知识，这对学生来说是一个挑战。

2.2 教师教学现状

1)灌输式教学

在传统的教育模式里，满堂灌、死记硬背、反复训练繁杂的解题技巧等，这都是应试教育带来的必然结果。在“传感器原理与应用”课堂教学中，有的学生忙于记笔记，不肯放过教师课件上的蛛丝马迹，有的学生则是书本整洁如新，走向另一个极端。教师表面上讲得神采飞扬，实则学生的思绪并没有完全同教师的讲述形成共振。在这种教学模式下学生更多的是被动接受，教学过程依然是教师为主，学生为辅，学生机械地记忆，缺少思考和理解性的学习。在课堂提问环节容易冷场，有的学生一头雾水，有的则敷衍应对、照本宣科，缺少自己的思想和见地。从学生对课程的自评结果来看，更多的学生表示课堂发言是一个薄弱环节，主动学习的动力不足，有待提高[9]。

2)重理论轻实践

目前，大多数学校的传感器原理与应用这门课程还是以“教师为主体”，花极大部分的课时讲授理论，花少部分的课时用于实践。不仅如此，很多时候实验内容还在停留于原理性验证实验，内容陈旧，并且枯燥乏味，很难调动学生的积极性，从而导致理论联系实际成为一句空话。

3)产教脱节

在文献[10]中提到“人才培养供给侧和产业需求侧在结构、质量、水平上还不能完全适应，‘两张皮’问题仍然存在”。也就是说，从全局来看，就是指现在高校现在的人才培养方式和企业实际需求还是脱节状态[10]；从局部来看，就是传感器原理与应用课程的实践内容比较陈旧，和新兴传感器技术存在脱节现象，因此会造成高校培养的人才和企业需求的人才不对等的现象。

因此，如何根据课程的特点，顺应时代的发展，探索出一套着实有效的教学方法，实现具备创新意识、实践能力的应用型人才的培养目标，是一件迫在眉睫的事情。鉴于此，提出一种“一体两翼三课四评五检”的混合教学模式。

3 课程教学改革

所有的课程改革均离不开学生，目的就是通过各种课程改革将学生培养成适合社会需求的应用型人才。古人云：“知己知彼，方能百战百胜”。为了达成此目的，通过不断地摸索和总结提出了“一体两翼三课四评五检”的混合式教学模式。“一体”是指“以学生为主体”[13-12]，“两翼”是指“教师端”和“学生端”，“三课”是指教学过程实施分“课前、课中和课后”，“四评”是指教学效果评价有“学生自评、同行评价、教学督导评价和教师自评”，“五检”是指教学考核包括“课前检测、随堂检测、课后检测、期中检测和期末检测”。

3.1 学生学习现状的调整

改变学生的学习状态，应该从多方面入手。首先是学习心态。不管是属于城镇子女或农村子女、独生子女或非独生子女、家庭条件优渥还是贫困中的哪一类学生，都应该拥有一个积极向上的心态。因此，教师的课堂教学策略和方法就显得非常重要，在教学过程中，应该对学生进行赏识教育和因材施教，根据不同基础的学生群体适当地改变自己的教学策略，不能一概而论。恰当的教学策略不仅可以使自己的课堂生动形象，还能满足学生的心理指导；其次是学习状态。教师在授课的过程中应该以学生为核心，投入更多的情感，并且以平等的身份对待学生，引导学生在课堂中积极参与讨论、主动思考、主动提问，让学生能够享受主动学习带来的乐趣。不仅如此，将教授的课程中的内容与实际生活相联系，例如，小区楼道的自动感应灯、商场厕所的自动感应烘干器、家用空调、家用热水器等。在课堂教授过程中，利用学生感兴趣的知识点作为课题的切入点，引导学生主动学习，长此以往可以将学生从被动式学习向主动式学习转变[14]；最后就是正确地获取学习资源。在互联网普及的时代，学习资源丰富多彩，如何正确获取有用资源是非常重要的。俗话说，方法对了会事半功倍，反之会得不偿失。因此，在上第一次课的时候，就应该告诉学生在哪里可以获取适合学生的参考资料、使用什么教学平台、答疑时间地点等，这样让学生少做无用功，提高学习效率。

3.2 课程教学项目的设计

根据传感器原理与应用这门课程具有综合型、实践性强和知识点相对独立的特点，课程教学采用项目驱动式教学。项目驱动式教学成功执行的先决条件就是项目的合理设计。教学项目的设计应该以企业需求为原型，以教学内容为依据，能够体现课程容的重难点为目的，以实现生活智能化为最终目标。因此，需要合理地设计项目内容，把握好项目内容的重难点，使学生能够系统地掌握知识。本课程的教学项目的设计主要用先分后总的设计思路，将智能家居系统拆分成多个子系统，根据教学计划、分课时和分阶段地进行。本课程主要设计了八个仿真项目实验和八个实操项目实验。这十六个实验的类型包括验证型、设计型、综合型和创新型四种，四种实验的关系是有了理论基础，在进行验证型实验；在验证型实验的基础上进行设计，在设计型实验的基础上进行综合型实验，在综合型实验的基础上进行创新并完成创新实验，基本路线就是理论基础→验证型→设计型→综合型→创新型[15]。根据该设计思想，设计的传感器原理课程教学项目如表1和表2所示。

1)仿真实验项目设计

仿真实验主要是选用Proteus和Keil两个软件配合使用，利用Proteus软件设计硬件电路仿真图，利用Keil软件编写程序代码。传感器检测的内容主要包括温度、湿度、光照度、气体浓度、位移、压力和加速度等。例如，对压力的测量，首先设计一个应变片测量电桥性能测试实验，先给学生讲解惠更斯平衡电桥的原理，然后进行电路分析，接着分别进行单臂半桥、双臂半桥和四臂全桥三种工作方式进行灵敏度的分析和探讨，最终比较三者的优缺点等，进行最终的评述。紧接着又设计一个数字式电子秤系统设计实验，让学生在理解了四臂全桥的理论知识的基础上来完成该实验，这样不但能够让学生对理论知识的理解得到升华，还能让学生将学习的理论运用到实践中，从而达到理论联系实际的目的。根据这一设计思路，传感器原理与应用课程仿真实验项目设计如表1所示。

表1 传感器原理与应用课程仿真项目设计

2)实操实验项目设计

实操实验主要是以传感器原理与应用实验平台作为支撑。传感器检测的内容主要包括温度、湿度、光照度、气体浓度、位移、压力和加速度等。例如，对温度的测量，首先设计一个Pt100 铂热电阻温度特性测试实验，先给学生讲解铂电阻的原理，然后进行测量转化电路分析，接着让学生准备一个数字式万用表、一个温度计和一个装满热水的玻璃瓶，将铂电阻的测量端放在玻璃瓶下，并利用温度计和数字万用表观察铂电阻的阻值随温度的变化而变化的现象，且记录相应的实验数据，最后绘制铂电阻温度——电阻之间的曲线图。紧接着又设计一个铂热电阻测温报警系统设计实验，让学生在理解了铂热理论知识的基础上来完成该实验。最后将温度测量报警系统运用到智能家居系统设计中，这样不仅能够提高学生的动手实操的能力，还能使学习的理论知识得到验证，从而真正做到理论与实际相结合。根据这一设计思路，传感器原理与应用课程实操项目设计如表2所示。

表2 传感器原理与应用课程实操项目设计

3.3 课程教学过程的实施

教学过程的实施主要是分为课前、课中和课后三个阶段。教学内容的设计是以项目驱动为导向，线上线下相结合。即项目为载体，以问题为导向，引导学生思考，线上小视频讲解理论，线下课堂学生讨论，师生互动和学生实操等多方面进行合理的设计。

课程教学主要采用基于云教学平台的线上线下混合教学模式[16]。混合教学主要分为线上和线下两个课堂。第一阶段就是课前准备，也是线上课程建设。首先，同课程组的教师通过超星平台完成课程资源建设，主要由理论教学视频、课前检测题、随堂检测题、课后检测题、期中检测题、讨论区、问卷调查等组成。学生可以通过超星平台的通知公告了解每一周的学习目标、学习方法和学习资源的获取途径，并在规定的时间内完成视频学习和课前检测。教师可以通过平台数据了解学生的基本学习状况，不仅可以了解课程内容的共性问题，还可以将课前检测作为本课程的一项考核；第二阶段就是课堂实施，也就是线下课程的设计和实施。首先是对理论知识的讲解，并注重学生们的共性问题的讲解。例如，设计一个系统应该从需求分析开始，然后是器件的选型、系统整体方案设计、硬件电路设计、软件程序设计、系统调试和测试以及实验报告的撰写等。其次是实操实验的操作过程及注意事项的讲解。最后是答疑和课堂小结，并指导学生进行案例分析和学习。学生则在课堂上分组完成项目任务；第三阶段就是课后，也就是学生对每次课程中重难点进行复盘，并进行拓展学习。即学生完成课后拓展视频学习，并在超星平台完成课后检测和实验项目，还可以通过QQ 群或超星平台的讨论区提问或讨论，且将课后检测和实验项目纳入过程考核。

通过上述课前、课中和课后的线上线下相配合的混合教学模式，使得学生学习在一定程度上不受时间和空间的束缚，能够让教学资源得以充分利用，线上线下课程讨论和答疑，不仅可以拉近师生距离，还可以帮助学生克服畏难情绪。此外，学生可以利用学习通(超星手机端)随时随地完成学习任务。这种混合教学模式能够让学生的学习环境在一定程度上不受限，且能够提高学生的积极性，还可以给学生提供课下自我提高的课程视频链接。

3.4 教学效果评价方式

1)学生评价

在每一学期设置了三次调查问卷，分别是期初、期中和期末。调查问卷的主要内容主要包括：课程满意度、授课教师教课效果满意度、课程教学目标是否清晰、教师提供的学习参考资料是否有用、教师的课后作业反馈对学生是否有帮助、教师授课能否激发学生学习的热情、教师面对面辅导对学生是否有帮助、教学考核方式是否合理、教学内容的学习是否有难度等。通过期初、期中和期末问卷调查，从多方面获取学生的基本情况，能够根据学生反映的情况做出相应的调整和经验教训总结，对下一轮的教学内容、计划、安排以及考核方式等做出适当的调整，弥补教学过程中的不足，以便在下一学年教学过程中有所改进，使本课程得到良性循环。

2)教师自评

通过期初、期中和期末三次问卷调查，根据调查问卷的反馈情况，教师分别针对线上线下互动、课堂教学、测验、实验/实训记录等多方面进行评价，针对在实施过程中存在的问题及时寻找解决办法，并且撰写形成性报告。并且在期末对一学期的教学过程进行总结和分析，吸取经验教训。

3)同行评价

每一门课程都有一个课程组，作为课程负责人一学期必须听同课程组的教师5次授课，非课程组负责人一学期必须听同课程组其他教师3次授课。每月召开课程组研讨和分享会，大家各抒己见，取长补短。

4)教学督导评价

学院和学校都成立了教学督导处，教学督导会随时，不定期听课，并对听课过程中存在的问题进行反馈。教师会根据教学督导提出的建议对自己的教学做出适当的调整，针对教学督导指出教学过程中存在的问题及时找到解决办法。

3.5 课程教学考核方式的设计

1)课前检测

课前检测(占10%)。学生在超星学习平台需要提前进行课前视频学习，并完成课前测试题。主要是让学生了解每讲课的学习目标，方便教师了解学生课前对于知识点的预习、理解和掌握程度等的基本情况。

2)随堂检测

随堂检测(占10%)。学生在课堂上与教师和同学互动情况，包括提问、回答问题和讨论和在线测试等。主要是让学生积极参与其中，让学生从被动学习变为主动学习，考核学生对于每堂课知识点的理解和掌握程度等。

3)课后检测

课后检测(占30%)。实验项目：上机实验作业按照“学号-姓名-实验*”方式命名，由2~3 名学生组成一组完成实验项目并提交。要求运用本课程所学理论与方法，通过实验使学生学会如何对已有的实验项目进行理论分析并验证，如何根据实际要求进行可行性分析、传感器的选型、测量转换电路的设计和整个检测系统的设计和实现，从器件选型到系统实现来培养学生独立思考、解决问题和系统设计的能力，使学生能够运用在本门课程所学的知识来解决生活中所遇见的实际问题。实验内容要求详见《传感器原理与应用实验指导书》，课后及时在超星云平台作业中进行提交。方便教师掌握学生对知识点的掌握程度。

4)期中检测

期中检测(占20%)。主要是检测学生对前半学期的知识的了解、理解和掌握程度，方便学生找出自己的不足，对自己的学习方法进行适时调整。与此同时，也方便教师掌握学生的整体情况，根据实际情况，查漏补缺，及时调整自己的教学计划。

5)期末检测

期末检测(占30%)。根据教学大纲，对学生需要了解、理解和掌握的知识点进行考核，多维度、全方位地考核学生对本门课程的掌握情况。

4 教学成果

经过这次教学改革，将课程知识点进行重构，以智能家居控制系统为引导，采用总分的结构将所有系统分为多个子项目，激发学生的学习兴趣；重视过程考核，督促学生在学习课程的过程中丝毫不能懈怠；注重教学效果评价，从学生、同行和教学督导等多方面进行评价，帮助教学质量提升。通过近两年的实践情况，教学成果主要表现在，学生的积极性得到显著提高，学生成绩得到明显提升，在全国大学生电子设计大赛中获得“三等奖”“一等奖”多项，教师参加第六届全国应用型人才综合技能大赛“匠心·园丁情”教师创课大赛荣获“二等奖”。

5 结束语

在网络时代，对于在传统教学中“教与学”存在的问题，以传感器原理与应用这门课程为例，提出“一体两翼三课四评五检”的混合式教学模式。经过此教学模式的改革和实践，不单提高了课程的教学质量，培养了学生理论与实践相结合的能力，扭转了学生被动式学习的局面，激发了学生学习的热情，还培养了学生碰到难题，能够剖析问题并处理问题的能力，为学生参加各种比赛奠定了理论和实践基础。