基于自主学习的传感器技术及应用案例库课程建设

时间：2024-05-07

赵月静秦志英程旭峰李玥华黄风山

*项目来源：河北省专业学位教学案例库建设项目“传感器技术及应用案例库”（KCJSZ2021078）；河北省教育教学改革项目（2020GJJG146）；河北科技大学教育教学改革项目（2018-ZD002，2021-YB24）。

作者简介：赵月静，教授，硕士生导师；秦志英、黄风山，博士，教授；程旭峰，博士；李玥华，博士，副教授。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.056

摘要传感器技术及应用是机械大类研究生一门重要的核心课程，讲述各类传感器的基本特性、电阻电感电容式等传感器的测量原理和主要典型应用。为了培养研究生的实践能力，对课程进行基于自主学习的工程案例课堂教学改革。革新以教师为中心的传统教学模式，采用教师作为主导，学生作为主体的自主学习方式；设计虚拟仿真案例和工程应用实践案例；改进了课程考核评价方式；提高了学生自主学习、任务驱动式学习和工程应用能力，引发了学生的创新思维，培养锻炼了学生综合能力，为学生课题阶段开展课题进展打下比较好的基础。

关键词传感器；自主学习；案例库；课程建设

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）02-0056-04

0 引言

国家实施中国制造2025、互联网+等重大战略，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，信息物理系统（CPS）主要包括四大环节：状态感知、实时分析、科学决策、精准执行，数据在四个环节之间进行流动，它是支撑两化深度融合的综合性的技术体系。其中的状态感知环节采用传感器、物联网等数据采集和传输技术，是CPS数据的来源基础，是工业智能制造信息化的源动力，因此传感器成为智能制造等工程应用领域和科学研究的重要支撑。

传感器技术及应用相关课程是我国高等院校电气工程类、自动化类、机械类、电子信息类等各工科专业的重要必修课，也是工科专业研究生的重要课程，传感器技术是发展较快的前沿科技，課程内容更新速度快、理论知识繁多。为推动新工业革命下工程教育变革与创新，教育部要求加快进行新工科建设。针对传感器技术相关课程，各大高校同仁都在积极进行改革探索，天津市劳动保障技师学院刘璐[1]积极探索传感器应用技术课程中专业理论与德育教育相融合，从教学方式、师德师风、评价体系等方面改进课程教学。北方民族大学周春艳等[2]把LabVIEW应用软件和单片机控制系统结合，从传感器检测系统的硬软件设计和可视化界面的误差分析和设计标定方面进行综合训练。广东海洋大学的赵桂艳等[3]提出了基于项目式教学法的教学改革。四川轻化工大学曹修全等[4]深入分析课程传感器与工程测试技术基础的教学现状，探索出新工科背景下课程的有效教学方法。成都工业学院丁超等[5]针对传感器原理与应用课程进行了新工科背景下线上线下混合式教学改革、项目化课程建设以及跨学科课程设计的探索。黑龙江大学赵月容等[6]

以项目式的教学理念为核心，进行了工程专业认证下创新项目的设计实施以及考核方式的改革。

本文针对研究生和传感器技术及应用课程的特点，对课程进行以下教学改革探索研究：1）落实

“立德树人”的理念和任务，进行课程内容的思政元素挖掘建设；2）构建工程应用案例，提高学生理论知识与实践相结合的动手能力；3）改变传统教学内容、方法和手段，全面锻炼学生综合能力；4）更新课程的多样化评价方式，注重学习过程中各项能力的评价。

1 课程现状分析

目前，笔者所在学校传感器技术及应用课程是机械大类工科研究生的一门核心课程，共28学时，课程内容与学术研究的前沿性、热点性知识联系紧密，但以前通过各类传感器的基本特性、电阻电感电容式等传感器的测量原理和主要典型应用，让学生将掌握各种传感器的理论知识和应用场合。目前，该课程现状为以下几点。

1）教学内容理论性强，课程教材内容相对保守，教学内容更新较慢，难以激发学生的学习积极性。学生对该课程的学习主要体现在原理知识的掌握。

2）教学理论知识和工程实践应用脱节，学生面对具体工程任务和课题，无从下手。

3）教师在黑板上或多媒体课件上讲理论，学生被动地学习理论、接受知识。这种教师讲解学生听讲的传统教学方式，不利于调动学生积极性，缺少探究式学习主动性，不能很好地参与教学活动。

4）考核评价方法简单，学生综合能力培养偏弱。目前该课程评价方法是由平时的作业情况和期末的试卷成绩组成。这种考核办法能够检验同学对书本知识的掌握情况，但是缺乏对学生把知识运用到实践中的能力和动手能力方面的评价。这样的考核导向，很难客观公平地衡量学生对课程的掌握深度以及对课程内容的熟练应用程度，容易把学生引入对课程理论死记硬背应付考试、依葫芦画瓢做实验的死胡同，不利于创新应用型人才的教育和培养。

从培养应用型和创新型人才综合能力的角度出发，传统授课考核等方法与工程实际联系不够紧密，不利于培养学生的实践能力和综合能力。

2 课程改革措施

为了培养研究生的实践能力和综合能力，对课程进行了基于项目的工程案例课堂教学改革，在教学内容中融入了思政教育的元素，在讲授专业知识的同时，让学生通过生动具体的人物、事迹等思政元素建立起人生中重要又正确的世界观、人生观以及价值观。重新梳理课程内容，对课程内容进行更新、整合、优化，保证授课内容包括科技进步的新成果、新知识、新理论和新技术，能够体现技术研究的前沿性和具体工程应用中的适用性。根据课程内容设计了工程应用实践案例，引发学生主动思考和创新思维，提高了低阶段研究生同学的工程应用创新能力和课题进展能力。

2.1 融入课程思政元素

根据不同的课程涉及的内容，提炼课程内容中蕴含的思政点和案例元素，设计课程思政与专业知识怎样更好地结合，在专业知识传授过程中，培养具有爱国主义、高尚情操、正确立场、精益求精的专业技术人才，达到思政育人目标。培养学生具有科学的思维方法、自主学习的意识和创新精神；具备工作严谨、诚实守信、敢于承担责任的职业道德与操守。

2.2 改变教学方式，提高学生能力，丰富教学手段

为全面提高一年级研究生的创新能力和课题进展能力，探索能够真正达成人才培养目标的教学模式，改变教师讲解学生听讲的传统教学方式，采用学生组织讲解为主体、教师评论引导答疑等为主导进行课堂教学。为了对学生的PPT制作能力、表达和答辩能力做全面的训练，该课程要求每个学生选择课程某一部分理论知识内容制作PPT，完成一个25分钟左右的课堂报告，制作PPT的过程培养学生用PPT表达自己的思路和清晰阐释内容的能力。课堂讲解主要检验学生自学能力，对知识的理解和解读的能力，培养和锻炼学生当众表达的能力。学生讲完后，组织其他学生对所讲内容进行提问，通过讲解者向台下学生提问，促进学生认真听讲，加深对知识的理解；台下学生对讲解者提问，促使讲解者认真准备所讲内容。有疑问和不清楚的问题，教师和学生一起交流讨论。学生课前认真准备，上课时集中精力发现问题，所提的问题要具有一定的难度和合理性。

2.3 工程应用案例教学改革

传感器技术及应用课程既包括理论性强、难以理解的知识点，如信号描述、信号分析、测试系统特性，又包括与工程实际联系紧密、实践性强的内容，如多种传感器应用、典型量测量。根据课程不同内容的特点，将内容分为理论性强的知识和实践性强知识两大类。根据课程内容特点，为课堂实践项目设计做好前期准备。

将基于项目的实践训练引入理论教学课堂，把理论教学与实践教学进行融合，提高实践训练的比重，把理论知识真正应用于工程实践。为此设计以下13个教学案例：

案例1：位移检测电路应用案例；

案例2：霍尔转速测量仪应用案例；

案例3：大氣压力测量电路设计案例；

案例4：加速度测量电路设计案例；

案例5：频率测量电路设计案例；

案例6：液位测量显示电路设计案例；

案例7：热电偶温度测量电路应用案例

案例8：单片机控制振动传感器应用案例；

案例9：电梯曳引电机光电脉冲测量转速与行程设计案例；

案例10：电梯超载系统中压力传感器的应用案例；

案例11：基于单片机的轮胎烘干房温度监测与控制系统设计案例；

案例12：铁塔构件制孔的MATLAB自动检测设计案例；

案例13：基于MCS51系列单片机直流电动机转速测量电路应用案例。

案例1～7包括基本传感器的使用，案例8～13是采用工程中的综合应用实例。通过案例使学生从简单的单一传感器应用到复杂综合传感器案例应用，实现循序渐进。

每个案例的主要内容包括：1）设计任务；2）基本要求；3）方案总体思路；4）系统组成；5）模块详解；6）软件设计；7）调试与仿真；8）PCB版图、实物测试。

2.4 课程考核方式改革

几乎所有学生在本科阶段都用传统的教师讲学生听的方式学过该课程。结合笔者十多年来上课和指导研究生的体会，感觉到如果继续延续教师为中心的理论教学模式，学生学到的只是记忆性的知识，在知识的应用能力方面显得比较欠缺。为了使学生在后续的课题研究中能够尽快地上手到研究工作状态，在教学过程中开展了成绩多元化的评价方法，目标是在学习知识的同时提高研究生的综合素质和能力。为了提高学生的综合素质，取消了一张试卷的考评方式，采用教学过程各环节均进行评价的评价方式，该方法包括以下7部分内容来共同评价给出学生的最后成绩。

1）制作PPT质量，占10%。传感器技术及应用课程的理论知识部分采用学生自主学习，然后呈现给全体同学的方式进行，从颜色、版式、内容逻辑关系表达等几个方面来锻炼学生，评价学生，事前告诉学生评价PPT的标准。

2）课堂讲解，占20%。通过自主学习，结合自己知识的理解，讲授给学生听。从对个人讲解的正确性及对他人题目参与讨论的积极性两方面由教师按照百分制评定成绩。

3）课堂组织能力，占10%。课堂交给学生，学生组织内容后讲给全班学生和教师，讲解的学生讲完后，组织学生对所讲内容进行提问。不明白的问题，教师解答或者师生一起讨论。学生要认真准备问题，所提的问题有一定的质量。

掌握关于传感器的理论知识和实践应用能力是机械工程领域人员必备的技能。除了理论知识，实践和工程应用能力是研究生的必备能力，也是后续开展课题研究打下基础。因此课程从实践能力方面也进行了设计和考核。

4）案例分析设计，占20%。给出工程应用中的案例，学生进行任务要求，分析所用传感器和设计信号采集处理过程，结合单片机的知识设计应用案例的控制部分，达到信号数据采集后闭环控制目的。根据学生选择的传感器和设计方案进行评分。

5）团队合作能力，占10%。考虑到学生的学业负担不能过重，把学生进行分组，按照案例的复杂程度分配每组学生数。锻炼大家团结协助的能力，作为团队的责任人和团队个体成员都应承担自己的任务和责任。最终考核以小组项目得分加上个人负责部分的得分作为学生个人的总分数。

6）工程实践动手能力，占15%。在条件允许的情况下，学生动手制作自己的案例实物，锻炼学生动手实践的能力，展示自己的作品。学生实践后，将理论知识结合实践变成可以展示的实物，喜悦和成就感溢于言表。教师根据实物的完善程度来评价学生的动手能力。

7）案例报告撰写，占15%。根据自己对案例分析设计的结果，撰写完成案例报告，锻炼学生科技论文写作的能力。内容包括案例名称、任务要求、案例分析、选用合适的传感器（原理、选型）、设计控制系统原理图、仿真结果等、实物制作照片等。

根据课程目标，制定考核标准，课程考核评价标准如表1所示，成绩分布如图1所示。

3 结束语

该课程改革通过2020和2021两年的教学实践，效果明显。首先，课程内容紧跟科技前沿，教学内容的优化扩展了学生的视野，有助于培养学生探索新知识的能力；其次，教学模式的改革提升了学生对教学过程的参与度，提高了学生课堂内外学习的劲头积极性和学习能力；再次工程应用案例设计有助于培养学生的团队合作精神和解决实际工程问题的能力，为科研课题阶段奠定良好基础；最后，通过多方面的评价和考核，能把理论知识和实践内容相融合，有助于学生的科研能力和综合能力提高。课程教学改革的实施也促使教师做到教与学互相促进，不断提升自己的认知水平，将科研内容和感悟融入教学过程中去，提高学生认知能力和科研水平。同时，在授课过程中有如下体会。

1）课程多元化的评估方式对教师来说，从学术水平和负责任态度等方面均提出了更多更高要求。课程的准备除了常规的教学内容外，还要解答学生自选的发散性课堂中和工程实例的各种问题。

2）课程的多元化评价方式对已经习惯于听课加试卷考试的学生而言需要增大课后扩展学习的工作量。对有些学生就显得负担偏重，在某些环节质量上就会有折扣或出现不太符合学术规范的现象，对此需要教师及时地指出和引导。

3）课程多元化的评价方式对引导学生摆脱应试的学习方法起到了促进作用，对硕士研究生综合素质和培养质量的提高有明显的作用。

4）对学生提交的各个环节的资料阅读和批改需要付出大量的精力。在目前以上课学时数为工作量的考核体制下，需要教师具备强烈的责任感和一定的奉献精神。

4 参考文献

[1] 刘璐.探究传感器应用技术与德育教育融合方案[J].中

国教育技术装备，2020（19）：94-96.

[2] 周春艳，盛洪江，张白.基于单片机及LabVIEW的传感

器课程设计教学模式探索与研究[J].中国教育技术装

备，2019（11）：76-78，81.

[3] 趙桂艳，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].中国现代教育装备，2021（11）：110-