传感器课程的课堂教学内容重构探索

袁 博

（南阳理工学院 信息工程学院，河南 南阳 473004）

0 引 言

传感器课程作为高校电子信息类专业的核心专业课之一，内容涉及大学物理、电子电路基础、单片机原理与应用等一系列专业基础知识，是一门经典技术与新技术相结合、理论与工程实践相结合的重要课程，对于培养学生识别、分析、设计和仿真复杂工程问题的能力以及在工程方案设计中的创新意识具有重要支撑作用。该课程的特点可以概括为：知识点分散、应用性强、技术更新迭代快[1-6]。而传统的传感器课堂教学内容多数局限于选定教材的有限范围，与行业现实脱节严重，既无法反映传感器的最新技术与应用发展现状，也不符合社会上用人单位的实际需求，难以调动学生的学习热情，对培养学生的探索精神、创新精神和团队合作能力作用较小，更缺乏对学生政治观、价值观、工程伦理和人文精神的培养，无法满足“工程教育专业认证”“新工科建设”和“课程思政”等高等教育改革方向的要求[7]。因此，需要对传感器课程的课堂教学内容进行重新配置、改造和优化，亦即对教学内容进行重构。

1 教学内容重构必要性

1.1 教材的必要补充

理想的传感器教材内容应该同时具有正确性、实用性、时效性和启发性，能够激发学生的学习动机、思考能力和探索热情，还要兼顾课程思政教育和工程伦理教育[8]。而由于教材篇幅与学时的限制、编者专业与知识面的约束以及教材编著和讲授存在时间差，传感器教材除了能够满足专家学者拟定课程标准和任课教师选定授课内容之外，往往难以体现学生对传感器课程的真实学习需求以及社会用人单位对高校学生在传感器课程内容掌握的最新要求和实际期望，同时缺乏课程思政教育和工程伦理教育，也缺乏学生之间、师生之间关于传感器知识的交流互动。具体来说，传感器在智能化、微型化、集成化、网络化等方向的发展日新月异，而若干年前编著的教材往往难以及时、全面地反映行业的最新进展和发展趋势。传感器领域的用人单位不仅需要毕业生了解传感器的测量原理和组成，往往还要求具备传感器方案评估选型、电路原理图设计、传感器测试计划制定以及与供应商的日常技术沟通等全方位的综合能力，而教材中往往缺乏上述实际需求的内容或一笔带过。此外，多数教材在章节结构设置方面过于强调传感器的学科体系，忽视了学生的认知规律，对传感器课程学习和理解过程中缺乏引导；提供的练习题主要强调记忆和理解能力，容易忽视对学生创造力和批判性思维的培养和激励[9]。因此，重构传感器教学内容，有利于对现有教材内容进行必要的补充和完善。

1.2 专业需求的适应

目前，大量电子信息类专业及其他相关专业都开设有传感器课程，这些专业对应的行业特征、就业去向和社会需求各不相同，对传感器课程的实际需求也各不相同。例如，物联网工程专业偏重于利用传感器进行智能家居、智能物流、智慧交通等物联网应用方面项目的开发；通信工程专业偏重于实现无线传感器网络等传感器与通信技术的融合；移动互联网设计专业偏重于设计开发具备环境参数感知功能和环境交互功能的手机APP；测控技术与仪器专业看重传感器在精密测量系统中不可替代的作用；机械制造专业看重传感器在精细零部件生产中的作用；自动化专业则更倾向于使用传感器实现各种工业自动控制。而传感器教材的内容难免带有编者专业背景或科研方向的烙印，很难满足其他某个特定专业的个性化需求。因此，需要根据授课的具体专业，对传感器课程内容进行针对性的重构。

1.3 教学魅力的提升

导致学生课堂学习积极性不高的主要原因往往在于教师对教材的过分依赖。传感器课程同时涉及物理、数学、电子电路、机械、化学和生物等学科中的概念或原理，还包括每类传感器的特性、结构、材料、补偿和应用等大量孤立元素，如果按照教材固有内容进行照本宣科式的“念读”或“解读”，很容易给学生带来一种既抽象难懂又凌乱难记的不良印象。加上部分内容过时、真实的社会应用需求不明确等因素，很容易使学生产生一种“听着无趣”“学了没用”“自学就行”的消极感受，极大地破坏了传感器课堂教学应有的魅力。因此，传感器教学内容不应局限于教材的框架，只要与课程教学目标相一致，同时又能够提升课堂教学魅力、促进学生知识获取和能力提升的任何材料，都可以作为教学内容重构的吸纳对象。

综上所述，传感器是一门应用性很强的课程，不仅需要学生对具体知识点进行记忆和理解，更需要培养学生分析和解决实际问题的工程素质以及探索传感器新原理、新材料、新应用的创新意识。重构教学内容对于改变记忆、理解式的传感器学习现状，培养学生对传感器的分析、应用能力和创新热情具有重要意义。

2 重构原则

源于教材和高于教材、适应学生需求和社会发展是许驰等人提出的两项教学内容重构的一般性原则[10]。本文借用这两项重构原则，针对传感器课程特征对其进行如下诠释。

2.1 源于教材和高于教材

“源于教材”是指传感器教学内容不能脱离教材的逻辑体系、核心内容和重点难点，要保持教学内容与教学大纲的一致性，以大纲中的课程目标作为教学内容重构的遵循规范和边界约束条件；同时要保持教学目标与工程教育专业认证和专业培养方案中毕业要求的相关性，体现传感器课程与单片机、电子电路基础、无线传感器网络等相关课程的关联性和相互支撑，体现教科书上的教学重点、难点和能力要求。

“高于教材”是指传感器教材上没有的，但是与教材内容相关、与教学大纲中教学目标相关、与深入了解原理和对接技术相关的内容。这就要求教师要时刻关注和跟踪传感器相关的前沿理论、技术或方法，了解传感器领域涉及的不同学术观点或技术路线，补充用人单位要求员工掌握的传感器相关技能和生产工具知识；凝练自身科研知识，积淀与传感器相关的工程经验；搜集和整理传感器领域有影响力的学者及其背景。在此基础上，教师还应该着力分析传感器诞生的技术背景和时代背景，介绍其从最初发明到逐步完善的技术发展历程，讲述在传感器领域做出突出贡献的著名科学家、发明家或研究机构的行业故事，分析传感器目前存在的主要问题和局限，未来若干条可能的技术发展路线及各自的风险挑战等教材上没有的、“高于教材”的内容。

2.2 适应学生需求和社会发展

传感器是国家重点支持和大力发展的十大高技术产业之一，就业前景好，创业潜力大。目前社会上已经有了大量传感器相关的就业岗位，如传感器研发岗位、传感器技术支持岗位、传感器网络工程师岗位、传感器销售岗位和传感器工艺岗位等，且大部分工作地点位于大城市，待遇优厚，当然其中也蕴含着大量的自主创业机会。学好传感器就能增加毕业生加入传感器从业队伍或自主创业的机会。因此，传感器课程是一门与学生就业耦合程度较紧的课程。

“适应学生需求”是指在教学内容重构过程中应满足学生对传感器课程的学习期望，关注学生毕业后在传感器相关领域的就业能力和未来发展潜力，从而提高学生的学习兴趣，并使其真正从传感器课堂上受益。

在进行教学重构之前，需要进行学情分析，具体作用如下：一是了解学生在传感器基础方面的薄弱之处，便于在重构过程中进行针对性地强化；二是了解学生对传感器课程的学习存在哪些共性期望和个性需求，便于指导教学内容的重构过程；三是可以与课程结束后的学习效果进行对照，便于了解传感器课程的学习目标达成情况。

在教学重构过程中，首先应加入教材上没有但与传感器就业岗位核心能力需求相关的教学内容，包括传感器方案评估选型、传感器集成电路设计、传感器性能测试与评估等，使学生熟悉和初步掌握传感器就业岗位的常用技能。其次要加入能够激发学生创新潜力、促进学生进行传感器方向的自主创业的相关教学内容，例如传感器技术的用户需求、技术背景、迭代历程、技术分支以及未来发展方向等，使学生了解传感器技术发展的内因、规律和趋势。然后需要针对不同专业的学生调整教学内容。例如，在为移动互联网专业的学生讲授传感器课程时，着重讲述传感器在手机APP中的功能、配置和开发流程，以及Android Studio等主流APP开发环境中的传感器编程案例，这些内容是绝大多数传感器教材上没有的，但与该专业学生的真实需求密切相关，对增强就业竞争力的助益显著。

“适应社会发展”是指在教学内容重构过程中，需要关注当前社会与传感器相关的最新技术和应用，改造或剔除教材中与之不符的过时内容，引导学生思考和讨论传感器技术发展给人们和社会带来的影响，使课程内容贴近传感器行业所涉及的理论、技术和方法，尽可能与社会实际需求接轨。例如，智能化是传感器未来发展的主要方向，2021年11月在郑州举行的第三届世界传感器大会上提出要将郑州打造成“中国智能传感谷”，建设成为全国重要的特色智能传感器产业基地和国际知名的智能传感器应用示范城市。因此，为顺应社会发展需求和国家战略规划，应在教学内容重构过程中，引入当前大多数传感器教材所缺少的智能化相关内容。此外，MEMS、集成化和网络化也是传感器的重要社会需求和发展方向，应当适当引入相关的教学内容。

3 重构方法

教学内容重构的方法很多，下面对其中应用较广的四种重构方法分别进行讨论。

3.1 增加

“增加”是传感器教学内容重构活动中最重要、最常用的方法。所谓“增加”，可简单理解为加入任何教材上没有但具备实际价值的教学内容的过程。可以考虑增加的教学内容包括但不限于：各类型传感器的前沿技术、应用模式和应用场景，传感器知识与学生专业背景之间的交叉点，关于某类型传感器的不同学术观点或技术流派，传感器领域的著名科学家、技术领军人物及其相关研发经历，教师自身与传感器相关的科研积淀、工程经历或心得体会，能够激发学生家国情怀、科研报国热情、大国工匠精神或诚实守信品质的传感器课程思政元素，能够提高学生环保意识、社会责任感和人文情怀的工程伦理元素。

举例如下。在讲授光电式传感器中的“光生伏特效应”时，可以引入我国青海省塔拉滩光伏产业园建设全球最大光伏发电基地的案例，一方面创设情境，自然引出“光生伏特效应”的概念和相关教学内容；另一方面使学生受到润物无声的思政教育和工程伦理教育。具体来说，该案例通过使学生了解到我国光伏技术和光伏产业目前在世界上的领先地位，唤起学生的民族自尊心和科技自信心；通过介绍产业园的“牧光互补”和“水光互补”创新模式及其在环境保护、牧民增收方面的积极作用，激发学生的科技创新意识和创新热情，提高学生的环保意识和社会责任感；通过描述案例中“水光互补协调控制系统”研发的困难程度与日常运行维护的复杂程度，提倡学生坚守严谨务实作风和一丝不苟、精益求精的大国工匠精神；通过分析和讨论案例中水光互补光伏电站创造的社会效益、经济效益和生态环境效益，以及其对于我国顺利完成碳达峰、碳中和战略目标，成功实现能源转型、产业升级、绿色可持续发展乃至中华民族伟大复兴的积极意义，唤起学生的历史使命感、社会责任感和科研报国热情。

3.2 改造

在教学过程中， 要激发学生的学习动机，注意引发和维持学生的注意力。照本宣科式的教学方式、单纯强调记忆和理解的教学思路，属于Bloom教育目标分类理论（从低到高依次为记忆、理解、应用、分析、评价、创造）中的最低层级，难以引发和维持学生注意力，更谈不上对其余四种中高级教育目标的实现。想让学生思考起来，就要与教材内容有所不同。因此，教学内容重构中的“改造”就是基于教材内容中的原理和需求，构造出与教材不同的分析角度、实现逻辑和组成结构，从而形成一定的知识散度，激发学生的思考热情和学习兴趣，使应用、分析、评价和创造这四种中高级教育目标的实现成为可能。例如，针对转速的测量，如果教材上介绍了遮断式光电转速表，授课时就可以转而介绍反射式光电转速表或电涡流式转速表，并分析遮断式测量方式和反射式测量方式的优缺点，对比光电传感器和电涡流传感器的优劣性和适用范围；针对距离的测量，如果教材上介绍了超声波测距传感器，授课时就可以转而介绍红外测距传感器，分析和对比超声波与红外两种测距方式各自的优缺点，并结合具体应用需求凝练技术实施方案的拟定原则。

此外，还需要从适应不同专业学生的不同需求的角度，对教材内容进行基于专业方向的改造。例如，针对教材中传感器的行业应用内容，在面对物联网专业学生时，就应该着重介绍传感器在工业物联网中的应用；面对通信工程专业学生时，就应该着重介绍传感器在无线通信系统中的应用；在面对移动互联网专业学生时，就应该着重介绍传感器在手机APP中的应用。这样才能真正体现课程内容重构中“适应学生需求”的基本原则，使学生学有所用。

3.3 删除

“删除”也是教材内容重构的常见方法。任课教师为学生选定的教材，有可能面面俱到，明显超出教学大纲锁定的范围；有可能篇幅过多，与某些先修课程的内容重复，也可能与有限的课时冲突；有可能出版时间较早，收录了部分已经严重过时甚至被证明为错误的知识点；也有可能作者的专业背景、研究方向和当前授课班级的专业大相径庭，使得教材中部分带有专业倾向的内容显得有些“水土不服”。上述与教学大纲不一致，不能服务于教学目标的内容应该全部删除。

3.4 存疑

所谓“存疑”，就是暂时保留疑问不做定论，留待日后探索和解决。大学教学既是认识真理的过程，也是探索真理的过程，应该培养学生的批判性、探索性思维，鼓励学生关注和发现传感器领域存在的各种悬而未决的问题，包括传感器领域尚未解决的世界性技术难题、现有技术方案的局限性、我国与世界传感器技术先进国家之间的差距、传感器技术发展和应用可能或已经带来的法律和伦理问题等。例如，如何使生物传感器真正实现微型化、智能化和商业化，从而在健康监测和智慧医疗领域更好地造福人类；如何看待手机中加速度传感器可能造成的窃听问题，是否需要进行相关立法；基于大数据和多传感器数据融合的犯罪预测结果，是否可作为警方限制潜在犯罪嫌疑人行动自由的有效依据；如何通过研发新型传感器系统实现人脑和机器之间的“脑机连接”，以此造福残障人士，同时避免陷入与基因编辑相似的伦理难题，避免沦为新型犯罪手段或电子毒品。上述问题往往短期内难有定论，同时又蕴含着巨大的科技、经济价值和深刻的社会意义。将上述与传感器课程密切相关且尚未解决的重要内容纳入教学过程，引导学生进行关注、发现和探索，比单纯要求学生记忆和理解教材上经过反复验证的经典内容更为重要，更能促进学生的进步，也更能体现出大学培养学生求知探索精神、推动科技发展和社会进步的深层办学要求。

4 结 语

教学内容重构是持续提升传感器课堂教学质量的必要措施。本文分别从教材的必要补充、专业需求的适应和教学魅力的提升三个方面对重构的必要性进行了分析，指出教学内容重构是培养学生对传感器的分析、应用能力和创新热情的必由之路；详细诠释了传感器教学内容的重构原则——源于教材而高于教材、适应学生需求和社会发展；最后，分析和讨论了增加、改造、删除和存疑这四种方法在传感器教学内容重构中的应用。