基于項目驅動的傳感器原理及應用教學設計

郭仁甲

（鹽城師范學院物理與電子工程學院，江蘇 鹽城 224007）

1 引言

傳感器原理及應用為多學科交叉的教學內容，通常作為電氣自動化技術、計算機電子信息技術、物聯網技術等專業(yè)的必修課程。因而從“項目驅動”的構思、設計與實踐角度出發(fā)，對現有的傳感器基礎理論知識、項目實踐案例作出組織整合，引入在線教學平臺、校外實踐基地，改革創(chuàng)新傳感器課程的教學內容、教學方法、實踐交互模式及教學評價，采用線下教學與線上教學相結合的教學模式，實現傳感器理論原理、實踐及應用的綜合性教育目標。

2 項目驅動教學模式的主要內容概述

項目驅動教學最早為美國教育家凱茲(Katz,L.G.)提出的教學理論，其指出“學生不同學科知識的學習，往往是在自主建構條件下完成的，包括理論知識、職業(yè)技能與行為、態(tài)度與價值觀，都是通過以行動為導向獲得的”。[1]而我國所倡導的項目驅動教學法，則包括教育家陶行知的“教學做一體化”理念，以及CDIO工程實踐教育模式，也即構思(Conceive)、設計(Design)、實踐(Implement)、運作(Operate)教學法，旨在由教師為引導、學生為中心，開展各學科專業(yè)課程的項目引導教學、自主實踐學習。

現階段高校不同專業(yè)或學科實施的項目驅動教學，通常包含項目任務明確、項目規(guī)劃制定、項目信息資源收集、項目實踐實施、項目考核評價等內容。因而在理工類專業(yè)課程教學中，高校教師通常需圍繞著某一項目或實踐案例，以項目基本原理、實踐應用技術為主線，設置課前、課堂與課后教學的執(zhí)行流程如下：（1）選取某一知識點的典型項目，作為教學任務案例，構思出項目驅動的教學知識體系；（2）針對重要基礎理論知識、課內外實踐內容，創(chuàng)設問題導向的教學情境、規(guī)劃設計課程教學環(huán)節(jié)；（3）將課內教材內容、課外互聯網理論，應用到項目實踐案例教學中，由教師引導、學生自主參與，形成理論與實踐資源的融合，實現由教師“講授式”教學到學生“自主探究式”學習的轉變。

3 當前傳感器原理及應用課程教學存在的問題

3.1 課程缺乏以學生為主的教學知識體系

當下各高校在傳感器原理及應用系統(tǒng)化教學體系的設置中，往往存在著以教師為主導、教材為主要內容的組織問題。[2]其一，學科教師忽視不同學生的專業(yè)理論知識掌握、實踐應用學習狀況，只是根據自身的教學經驗、學科實踐性，整合現有的理論教學內容、項目實踐案例，難以激發(fā)學生的自主學習、課堂參與積極性。其二，傳感器原理及應用課程內容，與電氣自動化、計算機信息化、物聯網工程、測控技術與儀器等專業(yè)存在著緊密關聯，但以教材為主要內容的課程設置方式，使得專業(yè)課程形式化、應試教育化現象嚴重。

3.2 課程缺乏網絡教學平臺、實踐實訓室

部分高等院校受限于扶持政策、財政發(fā)展資金的匱乏，在線上線下項目實踐教育平臺的建設方面仍舊滯后。多數高校對于傳感器原理、傳感裝置應用實踐的教學，通常還是采用多媒體軟件、PPT課件等網絡設備，組織整合傳感器原理及應用的理論知識內容、實踐案例，作為課堂教學演示內容，但缺乏與其他高校聯合，構建慕課(MOOC)、微課網絡線上教育平臺。同時高校也較少與校外社會企業(yè)合作、設置項目實踐基地，為師生提供項目參與、實踐應用學習的機會，難以保證傳感器原理及應用課程的實訓教學質量。

3.3 課程內容的分散性強、教學課時數少

傳感器原理及應用教材知識內容，涉及電學、力學、光學、聲學、熱學、磁學等多方面的知識，存在著學科范圍較廣、知識分散性強的問題，這對教師專業(yè)課程教學帶來了較大難度和壓力。[3]如計算機專業(yè)的單片機電路設置中，存在著一系列的光電傳感器、壓力傳感器、溫濕度傳感器、超聲波傳感器；物聯網工程專業(yè)的智能互聯系統(tǒng)中，也設置有RFID射頻識別器、紅外感應器、激光掃描儀等傳感裝置。而有關傳感器原理及應用課時的設置方面，一般工科專業(yè)只提供5～8個教學課時，且將傳感器實現原理、實踐應用內容，穿插于其他課程的教學活動之中，不利于傳感器專業(yè)課程的系統(tǒng)化、全面化教學。

3.4 課程教學資源、項目實踐的融合性低

項目驅動課程的基礎理論知識、實踐案例教學之間的脫節(jié)，是傳感器原理及應用課程面臨的另一主要問題。例如在計算機科學技術專業(yè)課程中，教師通常會搜集傳感器元件、內部模塊、設備安裝與存放、信號輸入/輸出、等效電路圖的教學資源，向學生講解傳感器使用、電路連接、信號傳輸與實現的基本原理，能夠幫助學生系統(tǒng)化掌握電壓、電流等的轉換方式，電路通斷的控制模式。

但從具體傳感器原理及應用項目或案例的實踐教育來看，往往缺乏將傳感器理論、公式、模型，與實際社會實踐案例相結合的組織設計，學生也很難把抽象的傳感器原理、技術理論知識，與不同電路圖設備連接的方案作出關聯，不能保證多種傳感器設備、內部模塊在實驗中的合理連接與應用。

3.5 課程實踐交互、教學評價的導向性弱

當下高校課堂對于傳感器原理及應用的項目實踐教育，仍然存在著以教材知識為主導、教學流程形式化的問題。教師很少引導學生參與課外項目實踐，極少與其在線下課堂、線上平臺展開“一對一”的溝通交流、疑難問題探討，使得學生的傳感器理論知識學習、實踐應用能力得不到提升。[4]另外，僅僅針對教材任務、應試考試成績的教學評價，既忽略了課前、課中與課堂的教學實施情況，也不能反映真實的傳感器原理及應用課程教學成效與成果。

4 基于項目驅動理念的傳感器原理及應用課程教學設計策略研究

項目驅動教學法在傳感器原理及應用課程中的使用，主要圍繞著項目教學目標、教學過程、教學評價等方面內容，以項目或系統(tǒng)開發(fā)案例為主，進行傳感器原理理論知識、實踐技術與應用的教學設計，深化學生自主探究、小組合作、師生互動實踐等的綜合性教育，最終達到實驗項目演示教學、學生傳感器理論與實踐能力全面提升的目標。

4.1 建構以學生為主的傳感器項目教學知識體系

傳感器原理及應用教材中存在著一系列的傳感器，因而傳感器自身特性、傳感器與系統(tǒng)電路之間的協調配合，成為相關課程教學活動開展的重要方向。[5]這一情況下，需要以學生為中心、項目理論與實踐內容為課程核心知識點，設置系統(tǒng)化的項目驅動式教學知識體系，為學生傳感器原理、物聯系統(tǒng)或電路的實踐應用學習提供支持。具體的傳感器原理及應用課程教學項目體系設計如表1所示。

表1 傳感器原理及應用課程教學項目體系設計

4.2 創(chuàng)設以網絡交互實踐平臺為主的教學情境

高校計算機科學技術、電氣自動化、物聯網工程等專業(yè)課程的教學，應由專業(yè)院系管理者提供教學政策、財政資金支持，引入慕課、微課、翻轉課堂等網絡在線教育平臺，并與校外企業(yè)形成聯合，建立傳感器原理及應用實踐實訓基地，用于具體的傳感器項目或案例驅動教學。

在此基礎上，針對單片機電路、無線傳感網聯系統(tǒng)的開發(fā)要求，創(chuàng)設以環(huán)境信息監(jiān)測、智能控制為主的課程教學情境，包括問題引導、實踐啟發(fā)導向的教育情境。如以智能小屋傳感器網聯系統(tǒng)的開發(fā)教學為例，教師可先向學生提出問題：“物聯網智能系統(tǒng)中通常會用到哪些傳感器？”

之后引出光敏傳感器、聲敏傳感器、壓阻式傳感器、霍爾傳感器等傳感裝置，向學生講解不同傳感器的特性參數、工作原理，以及物聯網重疊組網、網關組網過程中，多種無線傳感器節(jié)點的網絡連接、信道數據傳輸方式，使學生逐步明確不同傳感模塊的功能實現方式，掌握傳感器基本工作原理、項目實踐執(zhí)行步驟。

4.3 創(chuàng)新課程理論內容、理實融合的教學方式

傳感器原理及應用課程教學內容、教學方式的改革創(chuàng)新，需遵循由淺入深、由易到難的層次化教學理念，完善現有的傳感器基礎理論知識、項目案例、實驗實踐內容。[6]首先對于傳感器原理及應用教學內容的改革創(chuàng)新，結合不同學生的邏輯與抽象思維、學習成績狀況，搜集與整合出《傳感器原理及應用》教材的重難點知識，并從課外引入有關單片機與傳感器、無線傳感器信息采集的內容，設置具體的電氣自動化電路控制、物聯網工程等仿真實驗項目，作為傳感器原理及應用課程的教學內容。

其次，在項目驅動傳感器教學方式的創(chuàng)新方面，由教師借助慕課線上平臺、社會實踐基地，依據具體的傳感器項目，進行課堂教學課件演示、在線視頻展示、作業(yè)測試、小組及師生交互的實踐教學，開展與傳感器相關的項目大賽，引導學生深入到某一傳感器設置的項目中，了解傳感器裝置的連接方式、設置與工作原理，自主探究傳感器實踐應用的疑難問題，以及通過小組討論、師生交互的方式解決問題，可大大提高項目驅動的課程教學質量。

4.4 改進與完善傳感器應用課程的教學評價

傳統(tǒng)傳感器原理及應用課程教學的質量評價，往往圍繞平時考試成績(20%)、期中考試成績(20%)、期末考試成績(60%)展開，這一評價模式過于注重應試教育、考試成績的結果考核，忽視了課前、課中的教學環(huán)節(jié)考核評價。因此，從項目驅動的理論與實踐綜合性教育角度出發(fā)，設置師生出勤、在線項目演示、傳感器原理分析、課堂互動討論、課內外應用實踐、作業(yè)測驗等的教學考評要素，加強教師課程教育、學生傳感器理論與技術應用的全方位評定，以保證傳感器原理及應用教育評價的真實性、客觀性。

5 結語

高校設計型、驗證型項目驅動的實驗教學，對傳感器原理及應用課程教學質量好壞，具有重要的作用。因此，傳感器原理及應用課程的項目實踐教育，作為以項目驅動、成果導向為主的教學模式，要在項目教學活動開展前，建設網絡在線教學平臺、校內外實踐實訓基地，制定融合傳感器基礎原理知識、實踐應用案例的教學知識體系，由教師根據不同專業(yè)的單元設置、重難點知識關聯性，設置出多種問題引導式教學情境，創(chuàng)新與完善傳感器課程基礎原理、項目實踐教學內容，以及開展一系列的學生自主實踐、師生溝通交互教育，從而逐步引導和指導學生完成傳感器理論、實踐應用原理的學習。