新工科背景下“感測技術(shù)”課程教學(xué)改革探究

黑創(chuàng) 李修權(quán) 張鑫 尹志豪 黃力 劉杰

摘 要：在新工科建設(shè)背景下，各大高校主動(dòng)設(shè)置和發(fā)展新興工科專業(yè)，同時(shí)推動(dòng)現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新也勢在必行。針對“感測技術(shù)”課程教學(xué)的研究現(xiàn)狀，依托電工電子國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（長江大學(xué)），電子信息學(xué)院提出了基于項(xiàng)目化的教學(xué)模式，大力探索課程教學(xué)改革的創(chuàng)新。通過以智能溫室大棚為例闡述了課程改革實(shí)施過程，最后學(xué)生以項(xiàng)目參賽取得優(yōu)異的成績。實(shí)踐表明，項(xiàng)目化的教學(xué)改革方法提升了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學(xué)科交叉融合、自主終身學(xué)習(xí)的能力，起到創(chuàng)新人才培養(yǎng)的作用。

關(guān)鍵詞：新工科；感測技術(shù)；項(xiàng)目化；教學(xué)改革；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

為主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國”、“一帶一路”等重大國家戰(zhàn)略，自2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”[1]“天大行動(dòng)”[2]和“北京指南”[3]，并發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》[4]、《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》[5]，開拓了工程教育改革的新路徑。本文以自動(dòng)化專業(yè)為例，探索新工科背景下實(shí)施工程教育人才的培養(yǎng)“新模式”。“感測技術(shù)”課程是自動(dòng)化專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及“電子測量技術(shù)”“傳感器技術(shù)”“自動(dòng)檢測技術(shù)”“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等課程知識(shí)，具有很強(qiáng)的綜合性、專業(yè)性、技術(shù)性、實(shí)踐性，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力起著重要的引導(dǎo)作用。如何改革該課程的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，是長江大學(xué)電子信息學(xué)院一直探究的問題。本文以自動(dòng)化專業(yè)的“感測技術(shù)”課程為例，通過項(xiàng)目教學(xué)法探討新工科背景下課程改革的創(chuàng)新，為相關(guān)工科專業(yè)課程改革提供參考。

1 “感測技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

傳感器是信息系統(tǒng)的源頭，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。工業(yè)產(chǎn)品逐漸從自動(dòng)化向智能化發(fā)展，迫使自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生必須熟練掌握傳感器相關(guān)的知識(shí)。為了適應(yīng)社會(huì)的需求，各大高校加大自動(dòng)化專業(yè)的傳感器課程建設(shè)，但是課程的理論教學(xué)過程中仍存在以下幾個(gè)方面的問題[6]。

1.1 理論教學(xué)枯燥，課程內(nèi)容相對滯后

傳統(tǒng)的理論教學(xué)通常以傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、輸出特性、測量電路為主線，分別介紹各類傳感器，過于注重原理的解釋和公式的推導(dǎo)。實(shí)際傳感器技術(shù)包含“設(shè)計(jì)”和“應(yīng)用”兩方面，但是使用傳感器對于自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生顯得更為關(guān)鍵。對于高校自動(dòng)化的學(xué)生來說，可以不去研究傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和制造工藝，而應(yīng)該從“應(yīng)用”的角度，了解傳感器工作的基本原理，掌握傳感器與外部的連接。同時(shí)，隨著傳感器的更新?lián)Q代，物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的快速發(fā)展，傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。而目前課程教材傳感器的選型仍是模擬的分立元件，內(nèi)容相對滯后，與實(shí)際工程應(yīng)用脫節(jié)。這樣對于沒有實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)獨(dú)立性較差的學(xué)生而言，傳統(tǒng)的課程講授方式顯得十分抽象和枯燥，很難讓學(xué)生深層次的理解和綜合性應(yīng)用，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和提高學(xué)生的工程實(shí)踐動(dòng)手能力。

1.2 考核模式單一，評(píng)價(jià)制度不夠完善

考核、評(píng)價(jià)學(xué)生成績是教學(xué)過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前課程的考核模式主要以考試為主（占總成績80%），以平時(shí)作業(yè)和考勤為輔。這種考核模式單一，只注重考查學(xué)生的理論知識(shí)掌握情況，并沒有對學(xué)生的實(shí)踐能力進(jìn)行考核，使得學(xué)生不能靈活運(yùn)用傳感器。傳統(tǒng)的考核方式以考試分?jǐn)?shù)為主要成績評(píng)價(jià)指標(biāo)，對學(xué)生的整體學(xué)習(xí)效果考核不全面，學(xué)生考試前臨時(shí)“抱佛腳”一般能應(yīng)付考試，影響學(xué)生綜合能力和素質(zhì)的提高。

2 “感測技術(shù)”教學(xué)改革措施

針對當(dāng)前“感測技術(shù)”課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，教師需要對傳統(tǒng)教學(xué)模式提出改革，以探索實(shí)施工程教育人才培養(yǎng)的“新模式”。本文提出以項(xiàng)目化的教學(xué)理論指導(dǎo)“感測技術(shù)”課程的改革，在教學(xué)過程中通過項(xiàng)目任務(wù)下達(dá)、任務(wù)模塊分解、組間問題交流等步驟，使學(xué)生利用實(shí)踐與課程有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)[7-8]。依據(jù)項(xiàng)目化的人才培養(yǎng)模式，將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展和行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求作為項(xiàng)目為導(dǎo)向，更新教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)將教師的研究成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，向?qū)W生介紹學(xué)科研究新進(jìn)展、實(shí)踐發(fā)展新經(jīng)驗(yàn)，這樣有效地解決了理論教學(xué)枯燥和課程內(nèi)容相對滯后的問題。在期末考試試卷設(shè)計(jì)時(shí)，遵循以學(xué)生為中心的理念，加大學(xué)生選擇空間，可以考慮設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)相關(guān)的開放性的題目，讓學(xué)生學(xué)會(huì)舉一反三。同時(shí)把項(xiàng)目實(shí)施過程也作為學(xué)生成績考核的一項(xiàng)指標(biāo)，解決了傳統(tǒng)考核模式的單一性。

現(xiàn)以“感測技術(shù)”課程為例，詳細(xì)闡述項(xiàng)目化教學(xué)改革措施，其方案如表1所示，包含項(xiàng)目任務(wù)下達(dá)、任務(wù)模塊分解、組間問題交流、項(xiàng)目內(nèi)容實(shí)施、項(xiàng)目結(jié)果調(diào)試、項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)交流這6部分，各部分銜接緊密，需要統(tǒng)籌安排才能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。在項(xiàng)目任務(wù)布置時(shí)需要聯(lián)系現(xiàn)代科技發(fā)展的趨勢，例如“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能等，使得學(xué)生學(xué)習(xí)最新的科學(xué)技術(shù)。項(xiàng)目內(nèi)容實(shí)施的過程中，學(xué)生需要將其他相關(guān)課程（“單片機(jī)”“C語言設(shè)計(jì)”“數(shù)字信號(hào)處理”等）的內(nèi)容聯(lián)系到一起，有機(jī)地結(jié)合在一起解決問題。在項(xiàng)目完成后，教師針對項(xiàng)目實(shí)施效果和個(gè)人學(xué)習(xí)情況，采用組內(nèi)自評(píng)、教師評(píng)定和答辯交流3個(gè)環(huán)節(jié)的考核辦法進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)估。通過一系列項(xiàng)目的訓(xùn)練，使得學(xué)生能夠通過自學(xué)或查閱相關(guān)資料，分析和研究復(fù)雜問題。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)院支持和鼓勵(lì)學(xué)生參加各類相關(guān)競賽，以賽促學(xué)，以賽促教，以賽創(chuàng)新，使得學(xué)生具備一定的創(chuàng)業(yè)意識(shí)和創(chuàng)新精神，具有較強(qiáng)的綜合實(shí)踐能力和科學(xué)研究能力。

3 項(xiàng)目化教學(xué)案例

隨著科技飛速發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)逐步信息化、智能化，農(nóng)業(yè)也需要走向信息化的快車道。本文項(xiàng)目開發(fā)案例以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，結(jié)合傳感器和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，控制溫室作物生存的最佳環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”設(shè)想[9-10]。

（1）項(xiàng)目任務(wù)下達(dá)：通過多傳感器測量溫室中的各項(xiàng)理化指標(biāo)，各傳感節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接，并上傳到云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，反饋控制溫室的環(huán)境調(diào)控模塊使得植物可以獲得最佳的生長條件，自動(dòng)化11501班35名學(xué)生選擇這個(gè)項(xiàng)目任務(wù)。

（2）項(xiàng)目模塊分解：根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)需要對溫室中環(huán)境的溫濕度、光照、電導(dǎo)率、二氧化碳數(shù)據(jù)采集，并具有遮陽、通風(fēng)、灌溉等環(huán)境調(diào)控功能，數(shù)據(jù)還需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給PC上位機(jī)處理。因此，任務(wù)分解可為7個(gè)功能模塊：①溫濕度數(shù)據(jù)采集；②光照數(shù)據(jù)采集和遮陽功能；③土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集和灌溉功能；④二氧化碳數(shù)據(jù)采集和通風(fēng)功能；⑤傳感器的數(shù)據(jù)傳輸；⑥硬件與PC上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信；⑦PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。班級(jí)根據(jù)任務(wù)模塊分為7組，每組5名同學(xué)。

（3）組間項(xiàng)目交流：7組成員根據(jù)每組任務(wù)要求展開調(diào)研，提出可行性研究方案如圖1所示。硬件采用STM32主控芯片和CC2530對整個(gè)傳感器進(jìn)行控制，傳感器間采用ZigBee實(shí)現(xiàn)局域內(nèi)組網(wǎng)，硬件使用esp8266的透傳模式實(shí)現(xiàn)與PC上位機(jī)的WiFi網(wǎng)絡(luò)通信。

（4）項(xiàng)目內(nèi)容實(shí)施：各組成員根據(jù)任務(wù)要求對元器件進(jìn)行選型，空氣溫濕度采集選用DHT11溫濕度傳感器，光照強(qiáng)度采集選用GY-485-44009光照傳感器，土壤電導(dǎo)率采集選用ST-460傳感器，二氧化碳濃度采集選用CO2傳感器，ZigBee組網(wǎng)選用CC2530開發(fā)板，灌溉功能選用水泵，遮陽功能選用電機(jī)和遮陽的布簾，通風(fēng)功能選用12038小型軸流風(fēng)機(jī)，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用LABVIEW可視化編程開發(fā)環(huán)境。指導(dǎo)老師根據(jù)學(xué)生列的材料清單購買電子器件，老師在課余時(shí)間不主動(dòng)去干擾學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)施，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力和動(dòng)手能力。

（5）項(xiàng)目結(jié)果調(diào)試：各小組完成相應(yīng)的功能模塊后進(jìn)行項(xiàng)目整體的聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)整體項(xiàng)目效果如圖2—3所示。上位機(jī)軟件操作界面顯示分為3個(gè)區(qū)域，第一部分為當(dāng)前溫室中實(shí)時(shí)的溫濕度等傳感器數(shù)據(jù)，第二部分為歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)組成的折線圖，折線圖可以直觀地顯示出溫室中理化性質(zhì)的變化情況，第三部分為圖像系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示，可以看到植物生長狀況和溫室執(zhí)行相應(yīng)操作的圖像。

（6）項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)交流：各項(xiàng)目組成員根據(jù)任務(wù)實(shí)施過程中遇到的問題和收獲進(jìn)行交流。在項(xiàng)目實(shí)施過程中既能鞭策自己主動(dòng)去圖書館和網(wǎng)絡(luò)上查閱項(xiàng)目相關(guān)的資料，又鍛煉了自己團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。

本班學(xué)生以該項(xiàng)目參加2018年第九屆中國大學(xué)生服務(wù)外包創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽并獲得全國三等獎(jiǎng)的榮譽(yù)。

4 結(jié)語

本文針對“感測技術(shù)”課程理論教學(xué)存在的不足，提出以技術(shù)發(fā)展更改教學(xué)內(nèi)容，更新工程人才知識(shí)體系，以項(xiàng)目任務(wù)為學(xué)習(xí)導(dǎo)向，創(chuàng)新工程教育考核方式。以智能溫室大棚為例，筆者闡述了項(xiàng)目化教學(xué)方法在課程中實(shí)施的過程，并取得良好的教學(xué)效果。通過項(xiàng)目任務(wù)的結(jié)合、新科技的融入、教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、考核方式的創(chuàng)新，能夠提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，符合新工科背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

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