以工程應用能力培養(yǎng)為目標的傳感器與檢測技術(shù)課程建設探索

徐新黎，許金山，姜娓娓

（浙江工業(yè)大學 計算機科學與技術(shù)學院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

傳感器與檢測技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)工程、測控等專業(yè)的一門重要課程，該課程包括檢測技術(shù)的基礎知識，結(jié)構(gòu)型、物性型、固態(tài)等常用傳感器的結(jié)構(gòu)和性能，以及溫度、壓力、流量等常用量的檢測技術(shù)。從傳感器與檢測技術(shù)課程的教學現(xiàn)狀來看，存在課堂教學重理論輕應用，重單元檢測電路講解輕綜合應用實例分析，課程實驗設置覆蓋面小等問題[1-2]。由于傳感器原理枯燥，傳感器測量涉及電路分析及綜合知識的應用相對抽象、不夠直觀，導致學生靈活應用傳感器的能力相對欠缺，傳感器綜合應用的設計能力更是不足[3-4]。

CDIO工程教育模式是“ 做中學” 和“基于項目的教育和學習”的集中體現(xiàn)[5]。基于CDIO工程教學模式理念[6]，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的傳感器與檢測技術(shù)課程從優(yōu)化教學內(nèi)容、改革教學模式、設計教學考核等方面進行探索。

1 教學內(nèi)容優(yōu)化

根據(jù)國際工程教育專業(yè)認證標準，明確傳感器與檢測技術(shù)課程的目標，以工程應用能力培養(yǎng)（包括分析、研究能力，實踐和設計能力，自學能力，表達能力和創(chuàng)新能力）為根本，使學生掌握常用傳感器的工作原理與基本結(jié)構(gòu)，掌握常見機械、熱工、流量等測量及檢測技術(shù)，了解不同物聯(lián)網(wǎng)應用領域中傳感器的集成化、微型化、網(wǎng)絡化、智能化的實現(xiàn)方法和技術(shù)，了解低功耗傳感器的設計特點等，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維。

由于傳感器與檢測技術(shù)課程內(nèi)容繁多，且新的培養(yǎng)計劃對學時數(shù)又進行了壓縮，從原來的48學時調(diào)整為32學時。此外，傳感器原理又枯燥難懂，測量電路也晦澀復雜，導致學生通常只是對基本原理有所了解，但對知識點的印象并不深刻，更不懂傳感器在實際中怎么用[3,7]。因此根據(jù)課程的教學目標，圍繞工程應用能力培養(yǎng)目標，在減課時但不減教學質(zhì)量的前提下，對教學內(nèi)容進行調(diào)整。

1）縮減理論教學內(nèi)容。

結(jié)合應用型本科院校的學生特點，理論教學內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)型、物性型、固態(tài)等常用傳感器的結(jié)構(gòu)和性能，以及溫度、壓力、流量等常用量的檢測技術(shù)?？s減檢測技術(shù)基礎知識；重點講解工程應用中的參數(shù)測量（如溫度、壓力、流量、位移、機械量等參數(shù)測量），分析各參數(shù)的測量實現(xiàn)方法，增強學生的實踐意識。

2）擴充應用型教學內(nèi)容。

為了提升學生傳感器應用系統(tǒng)的分析設計能力，考慮不同物聯(lián)網(wǎng)應用領域中傳感器的使用方法和設計要點，每種傳感器理論學完后增加與該傳感器相關(guān)的典型應用實例進行講解。如壓電式傳感器之后配以壓電式玻璃破碎報警應用例子，紅外傳感器之后配以紅外成像測溫應用例子，超聲波傳感器之后配以移動測距定位的應用例子等。具體實例圍繞工程實際問題確定的系統(tǒng)設計方案、傳感器選型、測量電路設計、實驗仿真等展開。通過對應用實例進行系統(tǒng)、完整的分析和講解，使學生了解傳感器的使用方法和使用效果，提高學生對課程的興趣。

3）調(diào)整實踐教學項目。

針對課程實驗設置覆蓋面小、驗證性實驗偏多、綜合性創(chuàng)新設計性實驗偏少的現(xiàn)狀[1]，將實驗類型調(diào)整為設計性和綜合性兩種。考慮到實驗課時有限，設計性實驗主要是基于物聯(lián)網(wǎng)感知實驗箱，要求至少完成光照、溫濕度、繼電器、人體紅外、空氣質(zhì)量等傳感器采集實驗中的3個實驗。以溫濕度傳感器采集實驗和人體紅外傳感器采集實驗為例，溫濕度傳感器采集實驗主要是針對溫濕度傳感器進行傳感器數(shù)據(jù)采集的過程，理解傳感器的一階響應過程，能夠通過實驗獲取傳感器的動態(tài)響應參數(shù)；人體紅外傳感器采集實驗主要針對一個開關(guān)量傳感器進行傳感器數(shù)據(jù)采集的過程，了解人體紅外傳感器工作原理以及傳感器輸出信號類型，掌握AD模塊（即數(shù)據(jù)采集模塊）的使用方法，了解AD模塊的工作機制，掌握AD數(shù)據(jù)讀取方式。對于綜合性實驗，考慮到物聯(lián)網(wǎng)感知實驗箱集成度高，不利于傳感器原理的分析以及檢測系統(tǒng)的搭建，因此引入結(jié)合單片機開發(fā)板的實驗模式，學生可以自主組隊、自主選擇傳感器類型進行傳感器綜合應用設計。綜合性實驗項目在課程學期中后期進行，要求畫出原理圖，結(jié)合開發(fā)板制作出傳感器綜合應用的作品并實現(xiàn)相應的檢測功能，寫出實驗總結(jié)報告。以設計性和綜合性為主的課程實驗，實現(xiàn)了課程理論教學與實際應用的緊密結(jié)合，激發(fā)了學生學習傳感器的興趣和熱情。

2 教學模式改革

在課時縮減的情況下，如何把原有課程內(nèi)容盡可能完整地教授給學生，如何提高課程的教學效果、培養(yǎng)學生的積極探索和自主學習意識，這些都是當前教學亟待解決的問題。根據(jù)傳感器與檢測技術(shù)課程的特點、教學內(nèi)容、教學現(xiàn)狀等實際情況，并結(jié)合微課、翻轉(zhuǎn)課堂、對分課堂等新型教學模式，對教學模式及教學方法等進行改革。

1）加強微視頻演示教學。

改變以往以羅列知識點為主的PPT課件，引入傳感器實物照片、原理動畫、應用視頻等內(nèi)容，綜合動畫、聲音、圖形等形式，增加課件的生動性和直觀性，加深學生對傳感器的理論理解和實踐認識。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程實踐，以可移動可操控的智能小車為載體制作微視頻，通過紅外傳感器避障、光電傳感器巡線、超聲波傳感器在巡線中測距等把幾種傳感器的工作原理、設計方法、傳感器特性等融合。通過微視頻演示教學，教師用具體的傳感器實物及功能演示取代枯燥的理論闡述，學生可以更直觀地理解并加深對傳感器原理和應用的認識，為無線傳感器網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)應用綜合設計等后續(xù)課程奠定基礎。

2）開展PAD課堂教學試點。

改變直接對原有課程內(nèi)容開展?jié)M堂灌的授課模式，在課時縮減的情況下，對部分教學內(nèi)容開展“對分課堂”教學，即PAD課堂教學，把教學時間分為講授（Oresentation）、內(nèi)化吸收（Assimilation）和討論（Discussion）[7]。以固態(tài)傳感器為例，講授環(huán)節(jié)主要是結(jié)合工程實際問題介紹磁敏、濕敏與氣敏傳感器工作原理及測量方法的重點和難點，但不覆蓋細節(jié)，然后布置課外查閱資料，完成分析固態(tài)傳感器的原理、特點、特性、實際應用等討論話題以及作業(yè)。在講授和討論兩個環(huán)節(jié)之間，學生有一周的時間來閱讀教材以及通過微視頻教學、MOOC等網(wǎng)絡輔助自主學習，消化和吸收課堂知識，完成相關(guān)問題與作業(yè)。在討論環(huán)節(jié)，學生針對上次的授課內(nèi)容及問題，通過與作業(yè)分享自己內(nèi)化的學習結(jié)果，互相答疑，并記錄問題。最后，教師集中解答匯總的疑難問題，并做課堂總結(jié)?！皩Ψ终n堂”可以提高學生個性化的內(nèi)化吸收，同時提升學生的學習積極性和參與意識，培養(yǎng)學生獨立思考及解決問題的能力。

3）強化課程綜合性實驗。

在課程學期中后期進行基于單片機開發(fā)板的綜合性實驗項目，讓學生課后分組完成，鼓勵學生自主立題、自主討論系統(tǒng)設計方案（包括傳感器、開發(fā)板等的選型及采購等），開展系統(tǒng)分析與開發(fā)，完成實驗設計報告，最后進行項目答辯及演示。教師在整個過程中給以輔導和啟發(fā)，給學生發(fā)揮的空間，充分激發(fā)和調(diào)動學生的潛在能力和積極性。項目驅(qū)動式的實踐教學是通過項目實施來實現(xiàn)知識到能力的橋梁，從而更好地達到教學目標。學生開展的傳感器綜合應用實驗（如人體感應智能臺燈、人體健康監(jiān)測、火災監(jiān)測與報警、避障小車、濕地環(huán)境監(jiān)測等），很好地鍛煉了分析和解決實際問題的綜合能力，同時項目小組的團隊合作也提高了學生的團隊協(xié)作意識。

3 教學考核設計

由于傳感器與檢測技術(shù)課程知識點多且分散，通常采用筆試進行考核，導致存在考試內(nèi)容重知識輕能力，考核方式單一，對學生學習過程的管控不足等問題[8]。為了加強過程性考核，克服“平時不努力，考前搞突擊”現(xiàn)象，對現(xiàn)行教學考核方式進行調(diào)整，提高過程性考核的比例，強化對傳感器工作原理分析的考核以及學生實際動手、應用能力的考核。

1）課后作業(yè)成績（10%）。

課后作業(yè)內(nèi)容注意類型搭配，以基本原理題和綜合分析題為主，盡量選用加深概念、開拓思路、綜合應用及訓練基本技能的題目。教師通過學生是否獨立完成、是否步驟清楚完整、是否能正確分析理解等，對學生的課后作業(yè)情況進行成績評定。

2）討論課表現(xiàn)成績（20%）。

結(jié)合PAD課程討論教學，對學生在討論課上的表現(xiàn)進行評定。以討論金屬應變片主要特性為例，教師通過對學生正確了解哪些主要特性、是否查閱相關(guān)資料并討論分析了特性的影響和補償方法、參與討論的態(tài)度、資料采集歸類和分析處理的能力、是否主動提出應用設想、與他人合作等方面，綜合性地對該次討論表現(xiàn)進行成績評定。

3）課內(nèi)實驗成績（20%）。

課內(nèi)實驗包含設計性實驗成績（10%）和綜合性實驗成績（10%）。對于設計性傳感器實驗，教師可根據(jù)實際操作的規(guī)范性、實驗數(shù)據(jù)的合理性，以及實驗報告撰寫的內(nèi)容完備性、結(jié)果分析正確性、格式規(guī)范性等方面進行定績。對于綜合性傳感器應用實驗，教師可根據(jù)學生應用設計電路的正確性與實驗情況、階段進展情況、實驗報告和實驗答辯等進行評定，重點是對學生的設計分析能力、總結(jié)能力、表達能力、團隊協(xié)作能力等進行評定。實驗答辯包括實驗報告內(nèi)容匯報、實驗項目演示和問題回答等，其中教師對每個實驗項目都要提出幾個問題，主要考查學生對傳感器原理的理解程度、對所選傳感器有關(guān)特性及測量技術(shù)的掌握程度、對傳感器應用中所遇問題的分析與解決程度等。

4）期末考試成績（50%）。

期末考試試題覆蓋考試大綱，試卷內(nèi)容以考查應用性知識題為主，主要對學生的傳感器工作原理分析能力、傳感器應用能力以及綜合設計能力等進行考核。

4 結(jié) 語

基于CDIO工程教學模式理念，圍繞應用型人才培養(yǎng)目標，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)傳感器與檢測技術(shù)課程的教學內(nèi)容、教學模式、教學評價等進行改革。經(jīng)過課程教學實施操作，與之前教學現(xiàn)狀相比，教學改革取得了一定的成效：學生課堂注意力集中明顯，課堂討論氣氛逐漸活躍，學生的學習興趣明顯提高；課內(nèi)實驗大部分學生基本能自主做實驗，課后綜合性實驗中學生的積極性被充分調(diào)動起來，學生理論聯(lián)系實際綜合應用能力和工程意識都大幅提高。