智慧教室环境下的“现代传感技术及应用”教学改革

刘 春

（北京邮电大学 人工智能学院，北京 100876）

引言

“现代传感技术及应用”课程是北京邮电大学测控技术与仪器专业的一门专业课，课堂授课共32学时，主要介绍现代传感技术及其发展趋势和应用。传感技术是测控技术与仪器专业信息获取的重要一环，也是信息技术的源头，是信息系统的感官。传感器的性能、质量和技术水平直接决定了信息系统的功能、精度、质量和所期望的结果。在某种程度上，传感器水平是一个国家综合国力的体现。因此，对现代传感技术的学习和研究是非常重要的。

通过课程学习，学生不仅需要掌握现代传感技术的理论知识，更重要的是认识并理解其在实际生活、工业等领域中的应用。随着科技的发展和社会的进步，现代传感技术越来越多，其应用也日益广泛，但教学时间特别是课堂教学时间是非常有限的，学生无法学到所有的传感技术，更无法了解所有的传感应用。因此，如何在有限的教学时间内让学生掌握更多的知识，并培养学生的自主学习能力是非常值得教育工作者深思的。

互联网技术的发展，极大地拓宽了知识获取渠道，传统的教学方法、教学手段、教学内容、教学模式已不再适用于当前的教与学。根据《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》，北京邮电大学于2019年制定了“高新课程”建设计划，树立理工融合、科教融合的课程建设理念，突出“高”在原理，“新”在应用，推动课程更新内容，改革教学模式，消灭“水课”。

基于上述背景，借助智慧教室的教学环境，本文对“现代传感技术及应用”课程的教学全过程进行了改革，包括教学内容、教学设计、课程资源。以“学生中心、产出导向、持续改进”的核心思想，注重传感技术基本理论、知识、应用，突出课程的最新进展和发展趋势，培养学生分析问题、解决实际问题的能力。

本文将从以下四个方面展开介绍教学改革的核心内容：（1）充分利用互动研讨型智慧教室的教学环境，设计以小组为单位的教学模式，“以学为中心”，培养学生合作精神、沟通表达能力。（2）分析学情和教学现状，结合本课程的前沿性，设计翻转课堂教学模式，充分发挥学生的积极性，实时跟进最新的传感技术成果。（3）根据社会需求，结合工程教育专业认证中的毕业要求，“面向产出”，提出三个教学培养目标，即知识目标、能力目标和价值目标；采用灵活多样的教学手段和教学方法，使学生达到既定目标，并通过多元考核方式评定学生的综合能力。（4）利用互联网平台，通过雨课堂、爱课堂、邮件、QQ等，建立良好的信息分享和反馈机制，实现与学生的高效沟通交流，并以此“持续改进”教学内容、教学设计、教学方法等。

一、智慧教室助力教学改革

随着传感技术、物联网技术、人工智能技术的发展，硬件设备和软件平台有了质的飞跃，进而使得重构教室环境，提供人性化教与学成为一种必然趋势。在《教育信息化“十三五”规划》《教育部2018年工作要点》《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》均提到，教育信息化现阶段的工作重心应该是加快教育信息基础设施建设。在国家政策的推动下，智慧教室的普及化正在迎来高峰。智慧教室为教学活动提供人性化、智能化的互动空间，通过各类智能装备辅助教学内容呈现，便利学习资源获取，促进课堂交互开展，实现情境感知和环境管理功能。

近几年，北京邮电大学陆续在两校区建设了多种类型的智慧教室，利用高科技技术助力教学，包括示范教学型、互动研讨型、5G远程互动型、VR型等智慧教室。其中，互动研讨型教室内有活动桌椅、多个屏幕、记忆黑板、雨课堂等教学资源，为教学活动提供灵活多样的互动空间与互动方式，便于教师实时掌握学生的学习情况，真正做到“以学为中心”。此外，北京邮电大学的爱课堂教学平台可以让教师能够更方便地提供丰富的教学资源供学生自主学习。根据学科特色和课程特点，利用互动研讨型教室，借助雨课堂，以“学生中心、产出导向、持续改进”为核心思想，从教学内容、教学设计、课程资源等方面，开展了教学设计与改革。

二、学情分析及教学现状

“现代传感技术及应用”课程设置在大三下学期，是专业基础课“传感器与检测技术基础”更进一步的丰富、深入与拓展。此时，学生已从专业基础课中学到了传感的基础知识，具备了一定的传感检测分析能力。并且，学生通过大学三年的学习，已具备一定的自主学习和文献调研能力。

传统课程教学具有如下特点：（1）在传统的教室中开展教学，座位固定，不利于学生讨论；黑板固定，不利于学生分享观点。（2）以教为中心，介绍传感器的相关知识及最新传感技术的发展、应用等。（3）学生参与少，不论是课上还是课后，学生很少表达自己的观点，更难以主动学习相关知识，特别是课上没有讲的知识。（4）考核方式单一，以考勤和考试为主，无法多维度综合评定学生的能力。

在上述学情和教学背景下，通过高新课程建设，基于“互动研讨+雨课堂”型智慧教室开展这门课程的教学改革，改变授课方式，设计合理的教学内容，增强学生参与度，建立良好的反馈机制，多维度全面考核学生的综合能力，达到良好的教学效果。

三、教学内容改革

智慧教室极大增强了学生的互动性，使“以学为中心”的教学实现得更加容易。采用翻转课堂教学模式，将课堂分为教师讲授和学生分享两个环节，使“教”与“学”有机结合。

教师授课：以高精度、高分辨率、高灵敏度、高绝缘性、易分布测量的光纤传感为核心，在讲授基本原理、结构特性、系统设计的基础上，更进一步地深入拓展其相关应用。紧跟国内外最新的传感技术发展和研究成果，结合实际应用场景，分析现代传感技术的特点及发展方向。

学生分享：以学为核心，引导学生查阅相关文献资料，相互分享自己感兴趣的传感技术，如红外传感、机器人传感、生物传感等。相比教师授课环节，学生分享的内容不是固定的，学生可以选择任意传感技术进行分享，使教学内容更加灵活，而且通过分享，学生可以相互观摩交流，提高有效沟通能力。

四、智慧教室环境下的教学设计

（一）面向产出的教学目标

基于智慧教室，根据社会需求，结合工程教育专业认证标准规定的12条毕业要求，课程面向产出设计三个教学目标。

1.知识目标。掌握典型光学传感器（如光纤）的基本原理、结构、特点及应用；了解近年来国内外现代传感器的技术成果、新型传感器的发展方向，以及新型传感器中的新效应、新材料、新工艺等。

2.能力目标。分析思考能力，能够分析问题、独立思考并提出解决方案；工程实践能力，能够正确合理地应用传感技术解决实际问题；主动学习能力，能够有效运用互联网和文献检索工具，获取现代传感技术的前沿及动态；表达沟通能力，能够清晰、明确表达自己的观点，并高效沟通。

3.价值目标。紧跟科技前沿，激发学生兴趣和社会责任感，培养学生勇于创新的精神；立足事实依据，培养学生实事求是、严谨认真的科学作风和辩证思维；建立良好的反馈机制，让学生不断完善自己的调研与设计，培养学生精益求精的科学态度。

（二）灵活多样的教学方法

1.借助智慧教室，以“互动”为核心，开展教学。除了通过传统的多媒体展示教学内容之外，还可以利用以下教学手段进行个性化、智能化互动：（1）活动座椅，为教学过程提供互动交流的物理支持。课程教学全程以小组为单位展开，利用活动座椅将整个教室分为小组，便于学生讨论交流。（2）多个屏幕，为教学过程提供便捷的观点分享支持。智慧教室设置多个展示屏幕，可以独立运行，也可以联动展示，学生可以将个人或小组观点分享在屏幕上，进行有效的互动交流；教师也可通过多屏同时展示教学内容和各小组的讨论结果。（3）记忆黑板，为教学过程提供数字化信息记忆支持。教师可以将讲课笔记和重点内容进行保存，并分享给学生，便于学生课下回顾课堂内容。（4）雨课堂，为教学过程提供数据化、智能化的信息支持。教师通过雨课堂将课件、作业等分享给学生，设置提问、测验等，掌握学生对知识点的理解程度；学生通过实时答题、弹幕互动等方式与教师进行交流。

2.充分利用智慧教室的软硬件环境，采用多种教学方式，以学为中心，激发学生的创新创造能力，促使学生从被动学习到主动学习的转变，培养学生的综合素养。课程教学过程中采用以下教学方法：（1）启发式：采用启发式教学，能够将学生所学知识、所见事物与课堂讲授内容相关联，使学生能够更容易理解并掌握所学知识点，培养学生将所学知识融会贯通、实际应用的能力。（2）互动式：借助雨课堂，可以进行随堂提问，学生实时回答。采用雨课堂进行互动，可以增强学生的参与度，师生沟通交流更为顺畅，培养学生高效表达个人观点的能力。（3）协作式：以小组为单位进行所有环节的教学，引导学生通过小组沟通交流的方式合作完成任务，培养学生的合作精神和沟通表达能力。（4）探究式：课堂教学过程中，以多个问题为引线，贯穿对某个知识点的讲解，引导学生主动学习思考，加强师生互动，培养学生思维能力、解决问题能力。（5）自主式：课堂时间有限，在每堂课结束时设置思考题，引导学生课下查阅相关资料，培养学生自主学习能力。学生课下的作业或调研结果可以在课堂上通过多屏模式相互分享，也可以在课下通过雨课堂提交作业和报告，教师可以随时掌握学生的学习进度。

（三）多元评价考核方式

为全面考核学生的综合能力，通过多种考试方式，多维度评价学生学习的全过程。课程从以下三个维度进行评定。

1.平时成绩，占总成绩的20%，包括出勤情况、课堂参与情况、课堂测验、课下作业等，考查学生的综合素养。对课下作业按照是否按时提交、完成情况等进行综合评定。

2.调研报告，占总成绩的40%，包括口头汇报和书面报告，考查学生的资料收集整理、文字表达、逻辑思维等能力。课程设置了一个大作业，调研某一现代传感技术的原理、设计、发展、应用等，让学生通过口头汇报和书面报告的方式展示调研成果，综合考查学生的文献调研能力、分析汇总能力，以及有效进行口头和书面表达的能力。调研报告的评价分为三个维度：（1）学生口头汇报，教师和其他学生对其口头报告进行评分，师生评分综合评定占总成绩的20%；（2）调研书面报告，教师对学生提交的书面报告进行评定，占总成绩的10%；（3）书面报告再评定，在调研报告的评定环节中设置一个反馈机制，即教师对学生的第一次书面报告评定后，将结果反馈给学生，学生根据修改意见对报告进行修订完善，再次提交后，教师对书面报告进行最终评定，占总成绩的10%。

3.期末考试，占总成绩的40%，采用闭卷笔试考查学生对课堂基础知识点的掌握程度。期末考试题目设计包括填空题、名词解释、简答题、论述题、计算题等，涵盖课堂所讲内容，督促学生巩固所学知识。

通过多元考核评价方式，发挥学生个性特点，培养学生自主意识、合作精神、综合能力。

五、课程资源

借助爱课堂和雨课堂教学平台，在线上发布教学资源：（1）将参考资料、教学大纲、教学计划等通过爱课堂平台分享给学生，方便学生课前预习和课后复习；（2）课后作业通过爱课堂平台发布并回收，便于管理与保存；（3）随堂课件、测验、作业通过雨课堂平台分享给学生，实时了解学生的学习情况。通过QQ群、邮件等方式建立良好的反馈机制，一是进行课程答疑，发布通知提醒等，实现与学生的高效沟通交流；二是根据与学生的交流情况，持续改进教学内容、教学设计、教学方法等。

六、教学改革效果

经过教学改革，效果也是非常明显的。首先，紧跟科技前沿，激发学生兴趣和社会责任感。通过教师介绍和学生调研现代传感技术发展，激发学生兴趣，并通过介绍我国在传感器领域的贡献，培养学生的社会责任感。其次，借助智慧教室，增强师生互动和合作交流。智慧教室环境下，师生互动更为方便，培养学生口头和书面表达能力；小组互动模式，让学生分享个人观点，倾听他人观点，并能够总结对比分析，综合各家所长，得到合理的结果。再次，建立反馈机制，促进学生进步。在调研书面报告的评定中，设置了反馈机制，可以让学生清楚书面报告的注意事项，从而更进一步完善书面表达，促进学生进步。在平时教学过程中也设立了交流沟通渠道，通过QQ群、邮件等方式，教师与学生实现无障碍随时沟通交流，促进教与学的进步。最后，设置课下思考，培养学生自主学习能力。每堂课设置思考题，与作业不一样，思考题没有明确的答案，通过引导学生思考并调研，培养学生自主学习能力，进而养成终身学习的意识。

结语

基于“互动研讨+雨课堂”的智慧教室开展教学，能够让学生通过多种途径更方便地融入教学环节，和教师进行互动交流。互动研讨智慧教室非常利于学生进行小组讨论，协作完成任务，并通过无线投屏、白板等方式清晰展示分享小组研讨结果，加深学生对知识的理解，所有学生都可以参与分享。雨课堂弹幕能够拓展学生回答问题的方式，增加学生的参与度；雨课堂测试能够让教师及时了解学生对课堂知识的掌握情况，调整授课节奏，并使学生进一步巩固已学知识点。“互动研讨+雨课堂”师生均受益，使教学不再单一枯燥。