基于工匠精神的传感器原理与应用课程教学改革*

刘国福 于海澜

1 广州商学院精确感知技术研究中心 广州 511363 2 广州商学院信息技术与工程学院 广州 511363

0 引言

工匠精神（Craftsman’s spirit），是从匠人（手工业劳动者）精工细作的生产方式中凝练升华的精神理念，逐渐推广至所有从业人员在工作过程中的职业价值取向和行为表现，对职业的态度和精神理念[1]。随着时代的变迁，工匠精神渐渐演变为一种努力去发现问题，并且通过亲身实践来解决问题的文化，显示出更强的现代性表征[2]。工匠精神生长于企业，却萌芽于教育，因此，对应用型地方本科院校来说，大力弘扬工匠精神，培养各行各业的“大国工匠”已成为新时代的使命。

为培养大学生的工匠精神，很多高校都进行了顶层设计，将工匠精神融入校训、校风、学风和教风中，从课程设置到课程教学过程，从学校实训实践到社会就业创业，都将工匠精神一以贯之，收到了很好的效果[3-4]。

但具体到某门课程，怎么将工匠精神融入课程实际教学中去，还需要任课教师去摸索和实践。在此背景下，笔者所在高校承担传感器原理与应用课程教学的几位教师，带头践行工匠精神，从课程队伍建设、课程内容优化、教学方法改革、实践能力培养等四个方面，培养上课学生的工匠精神，提高了学生的工程实践能力和职业素养，为学生后期参加创新创业大赛、参与教师科研、撰写科技论文与报告以及进一步深造打下了坚实的基础。

1 培养大学生工匠精神的必要性

工匠精神的传承和发展需要与时俱进，且工匠精神的培养是一个渐进式的过程，必须基于大学各专业的课程教学活动。这是因为大学的专业是大学依据社会分工对人才进行培养的一种组织形式，构成专业的元素是课程，专业发展的核心则是教学，课程研究和教学活动在大学生对知识的掌握和成长过程中占据着中心地位。因此，需要将工匠精神的职业素养与课程教学进行教育渗透，需要针对职业工作的需求和适用性进行课程教学设计与课程内容安排；既需要重视专业技术知识与能力培养，又需要培养专注、细致、精益求精、不断探索、追求进步的职业精神和素养。

传感器技术是多种学科交叉的高新技术，是一种定量认知自然现象的不可缺少的技术手段。自工业革命以来，为提高和改善机器的性能，传感器发挥了巨大的作用。在当今5G 及人工智能技术迅速发展的时代，传感器在信息系统中起着感官的作用，已成为获取信息的主要途径和手段。大多数人工智能动作和应用场景的实现，都要靠传感器来完成，传感器已成为人工智能和万物互联的必备条件和关键器件。智能传感器技术是智能制造和物联网的先行技术，学习和应用作为前端感知工具的传感器技术具有非常重要的意义。

基于传感器技术如此重要的作用，传感器原理与应用课程是几乎所有大学工科学生必学的一门课程，也是笔者所在高校人工智能专业、物联网工程专业学生的一门重要的专业基础课。它为学生打开了一扇获取物理世界信息的大门。因此，在课程的教学中，就要注重学生对知识的融会贯通能力和实验操作技能的培养和提高，训练学生精益求精、细致观察、综合分析判断的能力，这些都是新时代工匠精神的素质要求。因此，在传感器原理与应用课程教学中融入工匠精神不仅提高了传感器原理与应用的教学质量，也培养了学生动手能力、创新思维能力，为学生后期参加创新创业大赛、参与教师科研、撰写科技论文与报告以及进一步深造打下了坚实的基础。

2 基于工匠精神的课程教学实践

2.1 教师队伍建设

在传感器原理与应用课程的队伍建设过程中，笔者所在教学团队坚持以下三点。

1）每位教师都应该是工匠精神的先行者和传播人。从日常的工作、教学细节到专业领域的研究与实践，从自身科学精神的培养到职业生涯的发展，教师都应该具备将事情做到从60%提高到99%，从99%提高到99.99%的工匠精神和敬业态度。

2）加强教师任教能力的培训。针对部分教师是从高等院校毕业后直接任教的，缺少系统的专业实践和示范能力的训练的实际情况，一方面请校内外传感技术专家为他们举办讲座进行培训，另一方面也定期或不定期地组织教师到相关单位顶岗实习、挂职锻炼，鼓励教师取得专业技能考评员资格，这些举措极大地提高了教师的技能水平。

3）聘请企业的能工巧匠、行业达人进校做演讲、示范，甚至兼职，使全校师生在耳濡目染中渐渐变成具备、践行和传承工匠精神的人。

在上述思想指导下，经过多年的队伍建设，笔者所在高校的传感器原理与应用课程的教师团队由一位教授（有“双一流”大学的教学经历和企业的研发经历）、一位副教授、两位讲师、两位助教组成，其职称结构、学历结构、年龄结构以及学缘结构相对合理，已能满足课程研究和教学的需要。

2.2 课程内容的优化

笔者所在高校选用的教材是吴建平、彭颖两编著的《传感器原理及应用》（第4 版），该书属于高等院校精品课程系列教材，由机械工业出版社出版。该书内容丰富，编著者推荐学时为80 学时及以上。而笔者所在高校该门课程的教学大纲计划学时为54 学时，其中教学学时36 学时，实验学时18 学时。如果按照书中内容一章章讲下去，不仅教学学时不够，学生也会觉得索然无味。这就需要教学团队从更高维度和更高知识层次的视角，对传感器知识进行内容优化，强调传感器检测电路和应用中的共性，实现知识点之间的融会贯通与有机联系。

1）从五个维度去理解每个传感器：被测物理量的类型、被测物理量的大小、传感器输出信号的幅度、频率、功率（能量）。然后对每个维度又进行细分，如被测物理量的类型，可概括为八类，简称为COMETMAN（“彗星人”，其中C 代表化学量、O 代表光学量、M 代表磁场、E 代表电气量、T 代表热学量、M 代表机械量、A 代表声学量、N 代表核辐射）；根据传感器输出信号的频率，可将传感器的基本特性分为静态特性和动态特性等；根据传感器输出信号的功率（能量），可将传感器分为能量转换型（发电型）和能量控制型（电参量型）。由这五个维度，决定了传感器的适用范围和检测电路设计的难易程度。

2）传感器原理基本上都是大学物理知识的具体物化，学生理解起来难度不大，但是检测电路的理解和应用却是个难点。原因之一是这些电路不像电子技术教材中给出的原理电路，而是非常实用的电路，部分电路甚至就是实际产品中的原电路；原因之二是为抑制干扰和噪声的影响，这些电路多数都是根据某种算法或理论来设计的，电路只不过是算法或理论的具体实现。学生要理解电路，首先得理解这些算法或理论，在某种程度上，这些算法或理论有时比传感器本身的传感原理还难弄清楚。举例来说，讲授CCD 图像传感器时，学生容易理解光电转换原理，但是电路实现的CCD 的电荷转移过程以及最后的信号输出方式，学生理解起来就很吃力。再比如，讲授涡流传感器的变频调幅式检测电路时，同时用到了正弦波振荡电路、调幅电路和调频电路方面的知识，这些电路耦合在一起，如果前期课程没有学习过调制电路的组成和原理，要理解涡流的检测电路就会感觉很难。这就需要教师高屋建瓴，理论知识和实践能力丰富，才能够对种类繁多的传感器内部电路和检测电路进行分类概括，讲解清楚电路设计的过程与本质（算法的具体实现）。

基于以上对传感器原理以及检测电路的内容优化，学生对传感器类型的多样性不再感到惧怕，反而认为这正反映了世界的丰富多彩，把传感器看作是科学与自然的理性接触，思想和思维都得到了升华。

2.3 课程教学方法改革

上节所述的优化过的课程知识内容，要被学生吸纳，转化为学生内在知识体系的有机组成部分，还需要教师和学生“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”，也就是教学双方互不拘束、和谐相长。为实现这种潜移默化、润物无声，知识一点点吸收，学生心中为国为民的豪情一点点滋长壮大的教学模式，教学团队在教学方法上进行了改进，主要采用了讲座式的教学方法。教师不拘泥于课本、讲义，自主选择一个主题，从问题的不同方面进行阐述，不一定完全按照教学的步骤进行，学生也可以采取自主式学习[5-6]。

由于传感器课程教学内容的相对独立，特别适合采用讲座式的教学模式。优点在于讲座式授课可以每次选择一个类型的传感器进行，教学内容安排灵活；讲座式教学有趣新颖，学生容易接受；讲座内容时代感强，一般都会涉及相关传感器的新知识和最新发展动向，学生比较感兴趣，也会认真学习；师生互动性较强，教师主讲的同时，学生可以提出问题与教师磋商。

由于讲座式教学是开放式和公开式的教学活动，因此每次讲座的前一周，教学团队会在学校的网络平台、微信群和学习通上公布本次讲座的内容简介和需要预先思考的问题，不仅是选课的学生，全校有兴趣的师生都可以去听，都能与教师进行面对面的交流。

讲座式教学在笔者所在高校已经开展了两年，教师在备课时需要查阅大量资料，有时还要结合自己的科研情况，给出一些实用的案例。讲座内容还需和教材相结合，要符合专业人才培养的要求，这就要求教师在准备讲座内容时，花费大量的时间和精力。不过，这也正是工匠精神在教师身上的体现。教师只有在讲座中注入了自身的学识、修养和情感，展现了自己内心世界，才能潜移默化地影响学生。

采用讲座式教学方法后，学生的学习兴趣普遍高涨，对每次上课都非常期待，期待能得到知识的浇灌和洗礼，期待能表达自己的思想，期待能和老师实现自由畅快的交流。

2.4 实践能力培养

学生的实践能力培养是课程教学的重中之重，通过实验课教学可以培养学生严谨的工作作风、实事求是的态度，提高学生精密设计、细致观察、综合分析判断的能力，这都是新时代工匠精神的素质要求。因此，如何利用好这有限的宝贵的18 个实验教学学时，提高学生的动手能力和创新能力，成为教师团队不断思考和摸索解决的问题。

由于传感器及其检测电路是整个测量系统的前端，其性能的优劣决定了整个测量系统的性能。由此，教学团队从传感器及其检测电路的精度和准确度两个性能指标的改善提高入手，对课程实验进行了重组，每个实验都经历验证—提高性能—更高性能—超高性能……几个阶段。这里，教学团队摒弃了验证型实验、设计型实验和综合型实验这些传统的实验分类名称，而以追求更高性能为目标，这点燃了学生主动学习的激情，提高了学生的应变能力和探究能力。

根据上述改革思路，教学团队设计了金属箔式应变片实验、典型传感器（电容式、电感式、涡流式）的位移测量实验等六大实验来培养学生的动手能力和追求极致性能的精益求精的工匠精神。下面以基于经典的金属箔式应变片实验为例，介绍具体实验教学思路和方法。

1）验证阶段。这一步主要是让学生获得感性认识，主要实验内容为直流激励单臂金属箔式应变片实验、直流激励半桥金属箔式应变片实验。

2）提高性能阶段。从这一阶段开始，为了提高检测系统的性能，要让学生思索两个问题，一是前一阶段的检测系统有什么优缺点，二是如何改进。本阶段的实验内容为直流激励全桥金属箔式应变片实验。

3）更高性能阶段。和第二阶段一样，还是思考同样的两个问题，学生会觉得越来越难，可能需要新的测量算法或理论了。带着这样的期盼，本阶段的实验内容为交流激励全桥金属箔式应变片实验，同时引入相敏检波这个传感器检测系统中常用的经典电路。

4）超高性能阶段。和第三阶段一样，还是思考同样的两个问题，学生会觉得几乎不可能了。这时，系统改进的角度确实变了，就需要给学生讲清楚，由于检测电路中所用的元器件性能不一样，因此，若仔细选择性能优异元器件，还是可以提高检测电路的性能的。

通过上述对实验教学方法的改进，学生在追求性能提高的同时，还伴随着思维能力的提升，其收获感、幸福感都溢于言表，个人的学习境界得到了很大提升。甚至还有学生为了获得“超超高性能”，将交流激励全桥金属箔式应变片实验的输出信号连接到他们刚学到的ARM 微控制器上去，通过数字补偿技术和数字信号处理技术来实现性能的更大提升。还有部分比较优秀的学生，在这些实验的基础上成功申请到了国家、省或学校的大学生创新创业训练计划项目，并参加了各种校级和省级大赛，因此这门课程也被该校学生誉为双创和大赛的“孵化器”。

3 结束语

通过对工匠精神引领下的传感器原理与应用课程的教学实践，学生的知识融会贯通能力、实践操作能力和职业素养都得到了加强和提升，学生学习的自主性和积极性也极大提高。同时，教师的研究能力和业务水平也得到了很大的提升，真正实现了教学相长，这对于提高应用型本科院校专业人才培养有着极为重要的意义和作用。