基于项目驱动的传感器原理及应用教学设计

郭仁甲

（盐城师范学院物理与电子工程学院，江苏 盐城 224007）

1 引言

传感器原理及应用为多学科交叉的教学内容，通常作为电气自动化技术、计算机电子信息技术、物联网技术等专业的必修课程。因而从“项目驱动”的构思、设计与实践角度出发，对现有的传感器基础理论知识、项目实践案例作出组织整合，引入在线教学平台、校外实践基地，改革创新传感器课程的教学内容、教学方法、实践交互模式及教学评价，采用线下教学与线上教学相结合的教学模式，实现传感器理论原理、实践及应用的综合性教育目标。

2 项目驱动教学模式的主要内容概述

项目驱动教学最早为美国教育家凯兹(Katz,L.G.)提出的教学理论，其指出“学生不同学科知识的学习，往往是在自主建构条件下完成的，包括理论知识、职业技能与行为、态度与价值观，都是通过以行动为导向获得的”。[1]而我国所倡导的项目驱动教学法，则包括教育家陶行知的“教学做一体化”理念，以及CDIO工程实践教育模式，也即构思(Conceive)、设计(Design)、实践(Implement)、运作(Operate)教学法，旨在由教师为引导、学生为中心，开展各学科专业课程的项目引导教学、自主实践学习。

现阶段高校不同专业或学科实施的项目驱动教学，通常包含项目任务明确、项目规划制定、项目信息资源收集、项目实践实施、项目考核评价等内容。因而在理工类专业课程教学中，高校教师通常需围绕着某一项目或实践案例，以项目基本原理、实践应用技术为主线，设置课前、课堂与课后教学的执行流程如下：（1）选取某一知识点的典型项目，作为教学任务案例，构思出项目驱动的教学知识体系；（2）针对重要基础理论知识、课内外实践内容，创设问题导向的教学情境、规划设计课程教学环节；（3）将课内教材内容、课外互联网理论，应用到项目实践案例教学中，由教师引导、学生自主参与，形成理论与实践资源的融合，实现由教师“讲授式”教学到学生“自主探究式”学习的转变。

3 当前传感器原理及应用课程教学存在的问题

3.1 课程缺乏以学生为主的教学知识体系

当下各高校在传感器原理及应用系统化教学体系的设置中，往往存在着以教师为主导、教材为主要内容的组织问题。[2]其一，学科教师忽视不同学生的专业理论知识掌握、实践应用学习状况，只是根据自身的教学经验、学科实践性，整合现有的理论教学内容、项目实践案例，难以激发学生的自主学习、课堂参与积极性。其二，传感器原理及应用课程内容，与电气自动化、计算机信息化、物联网工程、测控技术与仪器等专业存在着紧密关联，但以教材为主要内容的课程设置方式，使得专业课程形式化、应试教育化现象严重。

3.2 课程缺乏网络教学平台、实践实训室

部分高等院校受限于扶持政策、财政发展资金的匮乏，在线上线下项目实践教育平台的建设方面仍旧滞后。多数高校对于传感器原理、传感装置应用实践的教学，通常还是采用多媒体软件、PPT课件等网络设备，组织整合传感器原理及应用的理论知识内容、实践案例，作为课堂教学演示内容，但缺乏与其他高校联合，构建慕课(MOOC)、微课网络线上教育平台。同时高校也较少与校外社会企业合作、设置项目实践基地，为师生提供项目参与、实践应用学习的机会，难以保证传感器原理及应用课程的实训教学质量。

3.3 课程内容的分散性强、教学课时数少

传感器原理及应用教材知识内容，涉及电学、力学、光学、声学、热学、磁学等多方面的知识，存在着学科范围较广、知识分散性强的问题，这对教师专业课程教学带来了较大难度和压力。[3]如计算机专业的单片机电路设置中，存在着一系列的光电传感器、压力传感器、温湿度传感器、超声波传感器；物联网工程专业的智能互联系统中，也设置有RFID射频识别器、红外感应器、激光扫描仪等传感装置。而有关传感器原理及应用课时的设置方面，一般工科专业只提供5～8个教学课时，且将传感器实现原理、实践应用内容，穿插于其他课程的教学活动之中，不利于传感器专业课程的系统化、全面化教学。

3.4 课程教学资源、项目实践的融合性低

项目驱动课程的基础理论知识、实践案例教学之间的脱节，是传感器原理及应用课程面临的另一主要问题。例如在计算机科学技术专业课程中，教师通常会搜集传感器元件、内部模块、设备安装与存放、信号输入/输出、等效电路图的教学资源，向学生讲解传感器使用、电路连接、信号传输与实现的基本原理，能够帮助学生系统化掌握电压、电流等的转换方式，电路通断的控制模式。

但从具体传感器原理及应用项目或案例的实践教育来看，往往缺乏将传感器理论、公式、模型，与实际社会实践案例相结合的组织设计，学生也很难把抽象的传感器原理、技术理论知识，与不同电路图设备连接的方案作出关联，不能保证多种传感器设备、内部模块在实验中的合理连接与应用。

3.5 课程实践交互、教学评价的导向性弱

当下高校课堂对于传感器原理及应用的项目实践教育，仍然存在着以教材知识为主导、教学流程形式化的问题。教师很少引导学生参与课外项目实践，极少与其在线下课堂、线上平台展开“一对一”的沟通交流、疑难问题探讨，使得学生的传感器理论知识学习、实践应用能力得不到提升。[4]另外，仅仅针对教材任务、应试考试成绩的教学评价，既忽略了课前、课中与课堂的教学实施情况，也不能反映真实的传感器原理及应用课程教学成效与成果。

4 基于项目驱动理念的传感器原理及应用课程教学设计策略研究

项目驱动教学法在传感器原理及应用课程中的使用，主要围绕着项目教学目标、教学过程、教学评价等方面内容，以项目或系统开发案例为主，进行传感器原理理论知识、实践技术与应用的教学设计，深化学生自主探究、小组合作、师生互动实践等的综合性教育，最终达到实验项目演示教学、学生传感器理论与实践能力全面提升的目标。

4.1 建构以学生为主的传感器项目教学知识体系

传感器原理及应用教材中存在着一系列的传感器，因而传感器自身特性、传感器与系统电路之间的协调配合，成为相关课程教学活动开展的重要方向。[5]这一情况下，需要以学生为中心、项目理论与实践内容为课程核心知识点，设置系统化的项目驱动式教学知识体系，为学生传感器原理、物联系统或电路的实践应用学习提供支持。具体的传感器原理及应用课程教学项目体系设计如表1所示。

表1 传感器原理及应用课程教学项目体系设计

4.2 创设以网络交互实践平台为主的教学情境

高校计算机科学技术、电气自动化、物联网工程等专业课程的教学，应由专业院系管理者提供教学政策、财政资金支持，引入慕课、微课、翻转课堂等网络在线教育平台，并与校外企业形成联合，建立传感器原理及应用实践实训基地，用于具体的传感器项目或案例驱动教学。

在此基础上，针对单片机电路、无线传感网联系统的开发要求，创设以环境信息监测、智能控制为主的课程教学情境，包括问题引导、实践启发导向的教育情境。如以智能小屋传感器网联系统的开发教学为例，教师可先向学生提出问题：“物联网智能系统中通常会用到哪些传感器？”

之后引出光敏传感器、声敏传感器、压阻式传感器、霍尔传感器等传感装置，向学生讲解不同传感器的特性参数、工作原理，以及物联网重叠组网、网关组网过程中，多种无线传感器节点的网络连接、信道数据传输方式，使学生逐步明确不同传感模块的功能实现方式，掌握传感器基本工作原理、项目实践执行步骤。

4.3 创新课程理论内容、理实融合的教学方式

传感器原理及应用课程教学内容、教学方式的改革创新，需遵循由浅入深、由易到难的层次化教学理念，完善现有的传感器基础理论知识、项目案例、实验实践内容。[6]首先对于传感器原理及应用教学内容的改革创新，结合不同学生的逻辑与抽象思维、学习成绩状况，搜集与整合出《传感器原理及应用》教材的重难点知识，并从课外引入有关单片机与传感器、无线传感器信息采集的内容，设置具体的电气自动化电路控制、物联网工程等仿真实验项目，作为传感器原理及应用课程的教学内容。

其次，在项目驱动传感器教学方式的创新方面，由教师借助慕课线上平台、社会实践基地，依据具体的传感器项目，进行课堂教学课件演示、在线视频展示、作业测试、小组及师生交互的实践教学，开展与传感器相关的项目大赛，引导学生深入到某一传感器设置的项目中，了解传感器装置的连接方式、设置与工作原理，自主探究传感器实践应用的疑难问题，以及通过小组讨论、师生交互的方式解决问题，可大大提高项目驱动的课程教学质量。

4.4 改进与完善传感器应用课程的教学评价

传统传感器原理及应用课程教学的质量评价，往往围绕平时考试成绩(20%)、期中考试成绩(20%)、期末考试成绩(60%)展开，这一评价模式过于注重应试教育、考试成绩的结果考核，忽视了课前、课中的教学环节考核评价。因此，从项目驱动的理论与实践综合性教育角度出发，设置师生出勤、在线项目演示、传感器原理分析、课堂互动讨论、课内外应用实践、作业测验等的教学考评要素，加强教师课程教育、学生传感器理论与技术应用的全方位评定，以保证传感器原理及应用教育评价的真实性、客观性。

5 结语

高校设计型、验证型项目驱动的实验教学，对传感器原理及应用课程教学质量好坏，具有重要的作用。因此，传感器原理及应用课程的项目实践教育，作为以项目驱动、成果导向为主的教学模式，要在项目教学活动开展前，建设网络在线教学平台、校内外实践实训基地，制定融合传感器基础原理知识、实践应用案例的教学知识体系，由教师根据不同专业的单元设置、重难点知识关联性，设置出多种问题引导式教学情境，创新与完善传感器课程基础原理、项目实践教学内容，以及开展一系列的学生自主实践、师生沟通交互教育，从而逐步引导和指导学生完成传感器理论、实践应用原理的学习。