新工科背景下传感器与检测技术课程改革与探索

王淑琴 费正顺 侯北平

摘要 文章分析了新工科背景下，机器人工程专业的传感器类课程的现状和改革需求，探索通过明确高阶性的教学目标、融入产业需求的创新性教学内容、全过程互动式的线上线下混合式教学模式和协同增效的课程思政等措施，落实新工科专业课程的改革方案，达到提高教学效果、培养专业的创新性人才的目的。

关键词 新工科；传感器课程；教学改革

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.029

1目的和意义

新一轮工业革命加速推动了社会经济和产业格局的变革，以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新经济对工科建设提出了一系列新的人才需求，随着“中国制造2025”“创新驱动发展”等一系列国家战略的提出[1]，2017年教育部主动应对新一轮科技革命和产业变革，推动新工科建设，其主要目标为：“建设服务国家战略、满足产业需求、面向未来发展的工程学科与专业，培养具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质、复合型卓越工程科技人才”[2]。

浙江科技学院是一所定位于培养国际化、应用型人才的本科院校，学校顺应国家和浙江省建设的需求，于2019年开设了新工科本科专业“机器人工程”。机器人工程是一门新兴的专业学科，“机器人传感与检测”课程是机器人工程、自动化及其相关专业的核心课程，实践性综合性强，知识更新快，与其他学科交叉融合深。课程面向机器人工程专业大三学生开设，前期课程已经完成电路与电子技术、自动控制原理和信号与系统等课程的学习，大约50%的学生高中选考了通用技术课程，初步掌握了一些传感器知识，大学期间学生中参与国创、互联网+、智能小车、机器人竞赛等各类大赛的人数比例高达60%，在竞赛中已广泛使用了某些传感器，如测距传感器、定位传感器、色标传感器等，但缺乏全覆盖的传感器原理和机器人中检测应用技术的系统学习。

在机器人行业迅速发展，以及教育部大力培育新工科专业的背景下，如何通过新专业新课程建设，在筑牢学生知识基础的同时，提高其创造力和解决复杂工程问题的能力，培养具有行业知识、工程实践以及创新能力的应用型人才，已经成为机器人课程教学中亟待解决的重要问题，新专业和产业的需求对应用型人才的培养提出了新要求新挑战，教学内容和手段、评价机制和改进措施都需要与时俱进。

2课程现状分析

目前关于传感器相关课程建设的研究较多，引入的STEAM（Science、Technology、Engineering、Arts、Mathe matics））教育[3]、项目式教學的应用[4-5]和基于OBE理念优化课程体系[6-7]等教育改革都在传感器课程中取得了良好的教学效果。但机器人产业给传感器的升级带来了功能、种类和技术方面的新要求，促进了传感器产业的转型与升级，也对高校的传感器课程改革提出新要求，作为知识传授的基本抓手，课程建设和改革是事关教师的教和学生的学得以落实的关键环节。目前传感器类课程存在以下的问题：

①教学目标不清晰，传感器与检测技术课程是电类工科专业的必修专业课程，也正是由于它的通用性，教学目标往往注重基础知识的传授和工程素质的培养，而没能更好地契合机器人工程高素质专业人才培养的高要求。课程目标必须着眼于提升高阶性，通过具有广度和深度的课程内容与产业需求深度融合，才能培养学生深度分析工程问题、大胆质疑、勇于技术创新的精神和能力，价值塑造、知识获取和能力培养才能有机融合。

②教学内容模式化，机器人中的位置、速度、加速度等检测与常规检测虽然在原理技术路线上相似，但具体到机器人应用场景与实现路径又有自身的专业特点，机器人的力觉、视觉、触觉等拟人化的应用与工业中常见物理量和机械量的检测有联系更有区别，传统的“传感器与检测技术”课程需整合专业技术技能的内容，教学内容既能全面覆盖各类传感器原理知识理论的学习，又有面向机器人感知系统分析与设计的学习。

③教与学的方式还需进一步深化改革，目前大多数高校教学都积极采用线上线下混合的教学模式，但混合式教学模式不是传统教学和网络教学的简单叠加[8]，要避免出现为了混合而混合的现象，否则会出现学生要完成线上线下两部分的学习任务，线下课堂要听老师灌输，线上还要刷视频，重复内容的学习既增加了学生负担又没有达到学习效果，甚至引起学生对混合式学习的抵触心理。课程内容设计要合理规划线上线下的合理配置，既要筑牢基础知识点，又要有研究性、创新性、综合性内容，线上学习与线下学习要有区分更要形成互补，此外知识和任务的难度要进行分层规划，保障学生能完成赋能学习和挑战学习，吸引学生主动加大学习投入，增强学生经过系统化学习收获能力和素质提高的成就感。

3基于OBE工程教育理念的教学改革探索

成果导向教育OBE（Outcomebased education）是指教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果，新工科建设指南中倡导要注重教育理念引领，全面落实“学生中心、成果导向、持续改进”的理念。教学改革探索是基于OBE工程教育理念，从机器人工程新工科专业的最新人才培养目标和毕业要求出发，进行课程的反向教学设计，包含明确课程目标，分解教学内容，调整教学方法和手段，设计课程合理有效的考核方式及课程目标达成的评价标准等方面。

3.1教学目标设计

“机器人传感与检测”课程是一门融入机器人感知理论与在机器人中检测应用的基础性课程，其引导意义和实践性对应用型人才培养有极其重要的意义和示范效应。课程建设以“知识领会、能力提升、素质养成”为目标，构建全方位多层次的培育目标体系。

知识目标：筑牢学生的传感器知识基础，使其系统全面地掌握传感器基本原理和检测技术的一般方法，并能分析和综合典型的机器人传感器，熟悉机器人传感系统的工程设计技术和传感器类型和规格的配置方法，掌握机器人的内传感系统和外传感系统的设计方法，实现机器人多模态的感知融合。

能力目标：培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维，能够基于科学原理并采用科学方法对机器人工程领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论；能够根据工程实际需求，提出机器人感知和检测解决方案。

素质目标：基于机器人传感器的知识对工程实践中的机器人控制系统的解决方案受成本、能耗、环保、安全等多种社会因素的制约进行合理分析，通过课程包含的系统观和方法论的学习，培育良好的职业操守和工匠精神，树立为人民创造美好生活的社会责任感，培養团队合作精神。

3.2重塑课程教学内容体系

根据新工科建设要求，通过深入调研机器人发展和产业需求，掌握本课程对应的职业能力要求，制订并完善本课程的课程大纲；结合行业需求与技术发展，特别是具体岗位对该课程的知识与能力要求，重新规划和设计课程教学内容，并将企业优质案例、设计方案等引入课堂教学内容，融合企业实例，强化教学文件内容的实效性。

课程采用线下教学与线上教学融合的混合教学模式，对知识内容进行分层规划，课前以问题导向通过线上MOOC完成知识内化；课中以行为导向为主模拟化产业实例项目实战完成合作学习，探寻工程问题和本课程知识点之间的关系，构建工程实际场景，把理论课程的阶段性目标与不同层次项目任务对应，逐步培养学生解决简单工程问题的能力，再逐步深化到解决复杂工程问题的能力，递进式为学生赋能，落实基础知识好、实践能力强、创新作风实的机器人领域高素质应用型工程类人才的培养（见图1）。

3.3教学活动的组织

根据课程整体特性和各知识单元的特点，课程采用三种教学模式构成一个学习全周期，学生课前、课中和课后围绕一类传感器的工程应用可以系统地掌握传感器基本原理、生活中的应用和机器人中的应用三个阶层的学习，线上自学为线下任务奠定基础，项目式学习又可以丰富线上的案例，互为补充相得益彰。

3.3.1个人线上自主学习自主评测

教学开始前，教学团队充分调研各类院校的相关课程情况，搜集相关教科书，并且提取出知识点关键词，构建初代“课程知识图谱”，导入自主学习层次的知识点，各知识点关键词跟线上教学资源构建关联，利用动画、视频等形象地介绍常见电阻、电感、电容、压电、光电等传感器原理，吸引学生结合身边的案例，收集传感器产品，“学”进传感器的基本原理，了解传感器的应用，确保学生每个人都能完成基础任务，为任务和项目化学习奠定基础。学生收集到传感器种类和应用将补充到专业知识图谱体系中，并以此作为线上精准学情研判的基准，根据其掌握情况进一步进行学习资源的个性化推荐。此外围绕传感器基本性能的自测题可以辅助学生完成自我评测和帮助老师更好地了解学生学情，优化教学方法和调整教学策略。

3.3.2课中线下环节合作学习——小组任务式

课堂建设以学生为主体，充分发挥学生自主学习的能动性。课堂教学具有同步和集体参与的优势，以集中讲授和小组研讨为主，采用小组任务式学习，根据教学计划，教学班分为6个小组，每个小组分别领用电阻式、电感式、电容式、压电式等不同类别传感器、依据挑战度和学习进度由低到高进阶式的学习路径，初级任务和进阶任务以工业经典案例为引导，任务与学生学习进度和掌握程度密切关联，小组内每个成员都进行任务分工，每次检测任务的分析和设计都由小组成员“说出来”，由其他小组成员和教师“问起来”，师生与生生构成“学习共同体”，全员密切合作充分交流，共享学习和创新思维成果。由于每个小组领取的传感器各不相同，在检测系统设计中，对同一个检测量，不同小组的设计方案都可以提供可行的设计方案，此阶段引导学生“思辩”：如何将本小组的传感器应用于工程项目中，如何使用本小组的传感器可以更好地实现感知系统的功能，形成“组内成员合作，组间成员竞争”的学习新格局。

本阶段的学习将分散的传感器内容进行整合与重构，通过准工程师模拟等角色扮演，学生通过自己努力和小组协作能完成从基础到进阶不同层次的任务，落实工程能力的提升。在本期的学习中，通过任务实现知识学习与技能应用的紧密融合，学生在做中学，边做边学，提升了利用本小组传感器解决工程问题的能力，还在对比学习中掌握具备其他传感器方案分析和设计的能力。同时本阶段结合实际工程应用场景的传感器性能特性和接口电路等知识也及时会补充到专业图谱，大家共学共建共享传感器成果库（见图2）。

3.3.3线下综合性大学习——小组项目式

结合行业、产业的实际用人需求和专业特色，本课程尤其注重以企业中实际机器人工程的项目案例为牵引，推动工程实践与专业课程基础理论的深度融合。前期利用线上线下的教学学生已经具备传感器典型工业场景应用的能力，机器人传感器和普通传感器工作原理基本相同，但又有其特殊性。其传感器要求检测机器人的姿态和所处环境（如是哪种物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取物体时是否有滑动）等，本阶段的学习项目从企业行业中挖掘，以机器人力觉、触觉、听觉、接近觉为切入点，引导各个小组使用自己小组传感器完成这些功能，这时传感器的选用一方面要考虑传感器的分辨率精度这些常规性能指标，还要考虑传感器要安装在机器人的合适位置，如关节上，选用时又考虑到安装传感器结构的可行性等实际问题，此外，机器人中多传感器多感知融合的系统，也推动各小组间互相讨论互相协作，讨论如何解决复杂应用场景中的传感器本体精度保证、场景适用和机构一体化等工程问题。

3.4多元形成性评价机制

本门课程的评价包含过程性评价和总结性评价两部分，其中过程性评价关注学生过程学习成果的落实，以学生在任务项目化完成的各阶段综合运用知识解决工程问题为衡量指标，对标学习过程中的分层任务达成度和项目功能以及方案多样性和可行性，给出科学和可量化的评价标准。课前通过线上设计课程学习具体传感器任务清单；课中需要小组完成讨论分工完成初级任务和进阶任务，小组合作学习强调的是标准参照评价，把小组总体成绩作为依据，使得评价的重心由鼓励个人竞争转向鼓励小组合作，采用教师评价与组内互评和学生自评相结合，个人成绩与小组成绩相结合，学生成绩与合作态度相结合的方法，使评价从单一走向多元，从而实现教学评价的科学化。

3.5“协同增效”的课程思政教学模式

教和学全过程融入思政元素，结合课程知识点和课程目标，对每一章节的思政内容进行了梳理，明确思政目标，结合科技时事热点，讲好中国大工程故事，落实课程知识点的课程思政切入点，建设了基于系统观的传感器课程思政案例库。课程思政融入学和做的实践中，例如准工程师角色模拟，根據应用场景测量任务量综合考虑精度与线性度、灵敏度等影响因素矛盾对立统一的关系，选用适合的器件；通过采购经理和设计工程师间角色互换扮演，学会用工程理念落实企业实用产品的设计。初级和进阶的工程项目任务紧密联系生活，呼应人民生产生活水平提升的关切，如防跌倒系统设计与独居老人健康管理的需求，通过身边的实例见证科技的飞速发展、科技服务人类造福人类，激发学生的国家责任感和社会担当（见图3，p94）。

4总结

本课程改革探索致力于解决原课程体系与机器人行业新需求的问题，通过教与学全过程改革，构建师生学习共同体，学生全方位参与式学习，教师随时通过信息化手段获得学生的反馈信息，动态调整后续教学活动，实现专业知识传授、能力塑造与价值观协同发展。本次教学改革完成了课程内容的重构，机器人传感器教学既要完成传感器工业检测全域知识点的筑牢，又要落实到机器人行业的应用。所有知识点按照自主学习、引导学习、深度学习三个层级进行拆解，结合规划出适合线上自学教学的知识点，线下课堂项目小组式组织其他两个层次的知识内容学习。其次，完成工业场景项目统合课程内容，任务难度依次递增，以小组团队项目为牵引，以产业学院和企业实际项目的方式完成团队对比学习进而共同合作学习，完成机器人中多任务多感知系统的实现。学生人人参与，任务与学生学习进度和掌握程度密切关联，在小组内每个成员都进行任务分工，把掌握学习进度的主动权最大限度地交给学生，任务难度根据学生掌握情况进行动态调整，要求“人人能完成个人学习目标”，落实“人人都参与团队，协同完成共同愿景”，学生可以通过自己的努力和小组协作完成基础到进阶不同层次的任务，落实工程能力的提升，提升学习的成就感和满足感。

基金项目：高等教育学会2021年度“机器人专业重点课程建设”专项课题（21GCZD07）；浙江省一流本科课程项目“机器人传感与检测”；浙江省普通本科高校“十四五”教学改革项目（JG20220406）；浙江科技学院一流本科课程项目“机器人传感与检测”（2021K2）；浙江科技学院在线精品课程项目“传感器与检测技术”（2020J6）；浙江科技学院校级教学改革研究项目（2020J5）。

参考文献

[1]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

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[3]林维裕.STEAM教育理念下中职学校工业机器人课程系统开发与实践[D].湖州：浙江工业大学，2020.

[4]赵桂艳，徐今强，徐国保.传感器与检测技术课程项目式教学法探究[J].中国现代教育设备， 2021，（11）：110-112.

[5]刘奕冉，夏永庚.基于“五育融合”的项目式学习活动设计类型与策略[J].教学与管理，2022（36）：94-98.

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[7]任亚飞，姚雷博，郭超.三维融合项目式教学在传感器课程中的应用[J].现代信息科技，2022，6（5）：196-198.

[8]王金旭，朱正伟，李茂国.混合式教学模式：内涵、意义与实施要求[J].高等建筑教育，2018，27（4）：7-12.