基于理虚实用一体化的智能传感与检测技术课程开发研究

欧幸福 陈文凤

［摘           要］  针对机电类专业智能传感与检测技术课程的传统教学方式存在诸多问题，依托云课堂平台开展线上线下、课内课外混合式教学，充分发挥虚拟仿真实训系统的技术优势，提出了“理论精讲—虚拟练习—实践操作—岗位应用”四位一体的教学模式，开展了创新型、分层次合作探究教学改革和实践。经过多轮次“理、虚、实、用”相结合的探究式教学改革实施，使学生由浅入深逐步理解传感器的结构原理、电路设计、方案验证和实际应用，全面提升自主学习和创新实践能力，为机电类同类课程的改革提供建设性的建议。

［关    键   词］  智能传感与检测技术；理虚实用一体化；探究式教学；教学改革

［中图分类号］  G712                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2023）12-0037-04

智能传感与检测技术课程是面向工业传感器集成工程师岗位群设置的高等职业院校机电、电子类专业的专业核心课程，课程内容主要包括传感器结构、工作原理、性能参数、信号检测电路、选型方法和应用系统综合设计[1]。从知识体系来看，结构、工作原理是传感器教学的认知基础，性能参数是掌握传感器功能特征的指标，信号检测电路是使用典型传感器的功能电路，设计、测试典型传感器的常用信号采集、放大和转换电路，选型方法是根据实际功能需求和现场特点，选择合适的传感器和信号检测电路，应用系统综合设计是学生根据所学课程知识融会贯通，完成典型传感检测系统的设计和工程应用[2]。

课程面向的职业岗位属于与市场发展密切联系的新兴技术领域，新技术、新工艺的不断发展影响该课程教学的改革和发展，但由于部分院校的专业调研、岗位需求分析的滞后性，导致课程教学改革的目标定位不准确，教学内容与职业岗位技能要求脱节，学生难以适应企业用人需求。由于高职教育蕴含的职业特性，智能传感与检测技术的职业技能等级证书考查的是理论知识和专业技能的综合应用能力，涉及电子、计算机、自动化、物联网等多个专业的多门课程的知识点、技能点，课程内容比较繁杂，但是目前高职院校在日常教学中通常只注重教材知识和技能的讲授，尚未有效融入职业技能等级证书考核内容，导致毕业学生的岗位适应能力较差。

针对上述存在的问题，本文根据新时代“岗课赛证”综合育人要求，提出“理论精讲—虚拟练习—实践操作—岗位应用”的“理、虚、实、用”四位一体的教学模式，校企合作开展课程“双导师”制改革，充分发挥虚拟仿真实训系统的技术优势，开展了创新型、分层次合作探究教学改革和实践，有效解决传统实践教学过程中诸多问题[3]。依托云课堂平台开展线上线下、课内课外混合式教学，进一步激发学生的学习兴趣，由“填鸭式”教学转变为自主探究式学习，培养学生工程创新精神和思维理念，提高发现问题、解决问题的实践能力。

一、课程设计理念

（一）基于职业岗位工作构建教学体系

根据高职院校“岗课赛证”综合育人的新內涵，以本地智能制造领域企业实际需求为根本出发点，面向智能传感与检测技术工程师岗位，依据《专业人才培养调研报告》确定专业人才培养的岗位群和典型岗位工作要求、任务，以岗位工作过程所需的能力为指导，构建适合新时代高职院校特点的模块式课程教学内容体系，突出学生传感器应用能力的培养，着力体现该课程“基础性+应用性+职业性+先进性”的特点，实现教学做一体化[4]。

（二）依据“基础性、应用性、职业性、先进性”选择课程体系的知识内容

新时代高职教育高技能人才培养需要体现综合性内涵，应依据“基础性、应用性、职业性、先进性”设计课程体系的知识内容。重视传感器技术的基本理论、基本知识、基本技能的教学，以体现课程的“基础性”。通过开设综合性和创新设计性实验、实作以及项目式教学，突出课程的“应用性”。高等职业教育是基于工作体系的教育类型，课程内容应以工作过程技能为主，注重课程知识的“职业性”，要以工作过程为基础形成的职业行动体系。传感检测技术是一门与市场发展紧密联系的新兴专业技术，课程改革设计时需要融入行业中的最新技术、工程案例，保持课程的“先进性”。基于上述要求，课程知识内容设计分为理论、实训、课程设计和创新应用四个部分，其中理论与实训交替展开，掌握基础知识和检修、设计理念，实训为综合技能训练，课程设计主要涵盖职业技能等级证书考核知识点，创新应用部分主要是选取行业领域最新技术作为教学案例培养学生的创新能力。

（三）构建“理、虚、实、用”四位一体的教学模式

为解决传统课程教学存在的问题，与多方行业龙头企业开展了教、培、研、赛一体化的深度合作，校企共建大师工作室、中德职业技术培训学院和物联网应用技术国家级协同创新中心，引进企业高级专家开展工程案例研发，依托智能控制技术国家级教学资源库建设课程在线教学资源。树立以教师为主导、学生为中心的教学理念，构建“理论精讲、虚拟练习、实践操作、岗位应用”的“理、虚、实、用”四位一体的教学模式。“理”：运用3D动画、二维码学习资源、AR工作页等信息化资源帮助学生解析理论知识，为学生的知识链和能力链夯实理论基础；“虚”：利用校企联合开发的虚拟仿真系统和国内外行业顶尖的虚拟仿真平台，剖析复杂传感器结构，练习使用方法，辅助方案设计，做好实操准备，保障学生安全、降低教学设备损耗；“实”：学生以角色扮演、小组协作、任务驱动等方式完成实操训练；“用”：依托大师工作室、中德职业技术培训学院和物联网应用技术国家级协同创新中心，聘请企业导师开展课程双导师制度改革，双导师带领学生完成企业真实项目，培养学生职业岗位技能。“理、虚、实、用”环环相扣、步步提升，实现学习过程的“闭环控制”、知识技能的“返璞归真”和工学结合。

（四）深挖思政元素，回归教育初心，聚焦高校育人的价值本源

聚焦高校育人的价值本源，以立德树人为使命，充分挖掘课程中包含的思政元素和承载的思政功能，教学项目以我国抗疫故事为主线，提炼爱国主义教育、工匠精神、创新精神、职业素养和劳模精神等要素，有机融合到教学全过程中；通过学生喜闻乐见的表达形式，引发情感共鸣与价值认同，做到“同频共振”和“润物无声”，引导学生先明是非曲直、后明道路方向、再明如何作为，实现知识传授、价值塑造、能力培养的有机统一。

二、课程设计思路

基于智能传感与检测技术岗位群分析归纳典型工作任务和工作要求，提炼出与智能传感与检测技术相关的行动领域，转换成课程学习领域，确定课程的学习领域和教学目标，然后根据岗位工作技能要求、教学目标设计课程的学习情境和教学内容，对课程教学的知识点和能力点进行梳理重构，根据教学实施效果评价，实时调整并不断更新教学内容、教学方法和教学手段等，课程设计思路如图2所示。通过课程开发，确保所设置课程体系的内容及深度满足“必需、够用”的要求[5]，并在“必需、够用”的前提下，做好教学内容的归纳及知识拓展，为学生的可持续发展奠定良好的基础。

三、课程内容设计

在智能传感与检测技术的设计、组装、检测、调试岗位群中，涉及的岗位工作技能主要包括传感器的选择、安装、检测、电路设计和应用系统开发能力[6]。依据职业岗位工作任务要求，依托本专业的“1+X”工业传感器集成应用职业技能等级证书试点、中德职业技术培训学院和物联网应用技术国家级协同创新中心的软硬件资源，在课程内容的选取上设计了“电子秤设计与制作”“声光双控廊灯设计与制作”和“汽车转速表设计与制作”等八个难度梯度化教学项目。课程内容设计原则为：知识学习由简单到复杂、技能训练由单一到综合，教学内容环环相扣，与企业岗位工作内容有机融合，符合学生的认知规律和职业发展规律，实现课程标准与职业技能等级考核大纲对接、教学任务与职业技能等级考核项目对接、课程考核标准与职业技能等级认证标准对接。课程内容设计流程如图3所示。

四、教学改革实施案例分析

基于上述课程教学改革设计，团队开展了相应的教学实践，依托云课堂平台、虚拟仿真系统和实训室，构建课内课外、线上线下、理虚实用一体化的混合式教学课堂，完善教学内容、教学资源、教学手段和评价考核体系，优化教学过程。将教学过程设计为课前、课中、课后三个阶段，基于学生认知规律将课中教学过程设计为回顾点评、情景导入、结构解析、自主探究等环节，以教师为主导、学生为主体，有机融合教学内容，着重培养学生自主学习和问题解决能力。以“电子秤设计与制作”为例，阐述“理、虚、实、用”四位一体化实训教学的具体实施过程[7]。

（一）课前准备

教师在云课堂上上传学习资源，发布课前学习任务，要求学生通过微课、动画等资源学习金属电阻的基本知识，完成课前测试；教师查看学生的学习记录，总结学生学习难点、痛点，并根据分析调整教学策略。

（二）案例引入，思政教育

首先通过《厉害了我的国》中港珠澳大桥的重力检测、经典故事《曹冲称象》和智能家居中智能电子秤等，引出如何测量重量这个话题和课程任务，通过这样的课题引入，开展课程思政教育，让学生体會到学习任务的实用性，激发学生学习传感器的兴趣，体现“用得上”特点[8]。

（三）创设情境，明确任务

创设项目情境：公司承接了一种某电子称重仪产品的研发任务，学生作为本次研发任务的团队成员，要求对该产品进行设计、制作和测试；引导学生分小组开展产品需求分析、整体方案的研讨和技术方案的设计。通过项目情境的引入，以岗位工作过程为导向，采用任务驱动法，培养学生分析问题、解决问题的综合能力，同时激发学生的学习兴趣。

（四）原理带入，突出重点

理论知识精讲。教师利用3D动画、视频微课等信息化手段精讲电子秤和力敏传感器的结构和工作原理，如何选用、测试和校验称重传感器，通过各种信息化资源“化静为动、化虚为实、化难为易”，有效促进理论知识的教学，降低学生的学习难度。

针对学生自主实践的教学难点，运用Proteus虚拟仿真软件、云课堂的资源库等“虚拟”信息化手段助力学生的理解和方案设计，虚拟仿真电子秤的硬件电路设计包括信号放大电路、显示电路，运用虚拟仿真技术来辅助硬件电路的设计和验证，降低了学生设计硬件电路的难度。

检测系统的软件快速开发，相对于传统方法，大大降低了工作任务的难度，提高了系统开发效率，让学生真正“学得会”。

（五）随堂测试

教师完成原理知识精讲后，通过趣味测试App软件发布测试闯关游戏，以“寓教于乐”的形式加深学生对知识的掌握程度。然后，利用云课堂在线测试功能，检查学生对理论和设计要点的掌握程度，并根据测试结果完善理论讲解。

（六）任务实施

教师下发任务书和相关参考资料，明确具体工作任务，开展实操训练安全教育。

学生以不同的职业角色进行任务分工，引导小组讨论、确定项目设计、使用仿真验证方案的合理性。经过方案设计、硬件制作、软硬件调试三轮实操训练环节，完成产品的设计与制作。教师现场巡视，针对学生特点开展分层教育，指导任务实施困难的小组开展一对一指导，对于学有余力的小组安排针对性的拓展任务。企业导师通过MR远程协助系统远程巡视、指导学生的任务实施。

（七）课堂总结

通过小组自评、互评、教师和导师评价等不同维度，点评学生的项目实施情况，评选出本项目的最佳研发小组。

（八）课后提升

通过云课堂发布课后测试任务，检测课程学习效果。要求学生学习传感器其他案例的设计项目和相关资料，让学生学会举一反三，加深学生对该传感器的理解和应用，并提交任务成果。

学生以素质拓展的形式进入大师工作室，在企业导师的指导下完成企业真实项目——“饮料灌装机重量测量系统设计开发”，通过素质拓展任务提升学生的岗位创新能力，真正体现“工学结合，学用一体”。

五、教学评价设计

课程成绩由平时成绩、期末考试成绩、项目实施成绩和大师工作室素质拓展成绩组成，分别占比20%、20%、40%和20%。其中平时成绩由云课堂平台成绩评价系统自动生成，可记录学生学习课程的点点滴滴，包括考勤、课堂表现、作业情况、任务完成情况等。项目实施成绩由小组自评、小组互评和教师评价三部分组成，大师工作室素质拓展成绩由企业导师根据学生工作情况进行评定。避免传统评价方式的单一，全面反映实践教学过程中学生对知识的真实掌握程度。

六、教学效果

（一）多维信息化资源“攻坚克难”提升教学效果

虚拟仿真系统、小游戏、VR场景等信息手段突出教学重点，3D动画、思维导图、仿真平台等资源融合国家标准、职业技能标准，将抽象的知识具体化，培养了学生的逻辑思维，突破教学难点。依托国家级资源库、云课堂等平台，建立多维一体的教学内容、教学资源、教学手段和评价考核体系，优化教学过程，教师掌握课堂情况更透彻，解决传统教学仅仅局限于课堂的教学痛点。

学生的学习兴趣明显增加，对教学方法、教学组织、课堂效果等方面的满意度明显提高，任务实施成绩和效率进步明显，知识点测试成绩大幅提升。学生完成课程学习后，积极报考“1+X”工业传感器集成应用职业技能等级证书，近三年来，班级学生的考证通过率由原来的75%提高到现在的100%。此外，学生在国内外传感器应用技术类竞赛中获得省级及以上荣誉16项，取得了良好的教学效果。

（二）多類型教学方法引领高效、互动课堂

采用小组讨论、头脑风暴、合作探究、角色扮演等多种学习方法，培养学生的探索意识、自主学习能力和团队合作精神。同时，直播、抢答、主题讨论、群聊等信息化手段的加入，充分调动师生互动、生生互动的积极性，“连连看”小游戏、VR虚拟场景、AR工作页等信息化资源营造轻松、快乐、实用的学习氛围，激发学生协作式学习。

七、结语

本文提出了“理、虚、实、用”四位一体的教学模式，近三年来在智能传感与检测技术课程中实施了多轮次的实践教学改革实践，通过课堂满意度的问卷调查，结合学生任务考核情况，从结果来看，学生的学习兴趣、教学满意度和学习成绩显著提高。学生反馈通过虚拟仿真设计、验证，结合各种信息化教学资源，对传感器原理、系统理解得更加深入，充分调动了对创新设计的积极性，课堂学习效率更高；课后进行大师工作室顶岗学习，真正掌握完整的设计思路和应用方法，全面提升了自主学习和实践能力。另外，近三年学生在职业技能等级证书的考证通过率得到大幅提升。在此基础上，下一步的工作重点将围绕构建基于数字孪生平台、MR混合现实远程在线教学平台的线上线下混合式教学模式的研究与实践等方面开展。

参考文献：

［1］平续斌，刘永奎.面向创新创业教育导向的课程改革：以“传感器原理与应用”课程为例［J］.教育教学论坛，2021（45）：71-74.

［2］杜立峰，李丽华.对“传感器原理与应用”教学内容更新的探索［J］.教育教学论坛，2020（33）：301-302.

［3］徐威，王瑶，俞路，等.线上线下融合的化工原理实验教学模式改革与探索［J］.化工高等教育，2022（4）：60-63.

［4］梅美.传基于CDIO理念的高职《传感器与检测技术》课程教学改革与实践［J］.河北职业教育，2021，5（5）：46-48.

［5］谢宝成.高职传感器技术课程教学方法的探究［J］.信息记录材料，2018（5）：70-71.

［6］徐威，王瑶，俞路，等.基于线上线下混合的《智能检测技术》课程教学改革探讨［J］.科技资讯，2022，20（21）：87-89.

［7］党威武.“智能检测技术”的虚拟仿真教学实训中心建设策略研究［J］.微型电脑应用，2022，38（9）：56-58.

［8］李莉平.线上线下混合式教学模式的应用探索：以传感器与智能检测技术课程为例［J］.教育观察，2022， 11（1）：36-38.

◎编辑 栗国花