郭亮

摘要：傳感器原理及應(yīng)用是自動化、儀器儀表等相關(guān)理工科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對理論、實踐能力和工程意識的培養(yǎng)均有很高的要求，項目化教學(xué)模式的應(yīng)用十分必要。本文針對剛進(jìn)入專業(yè)課程學(xué)習(xí)及初次接觸項目化教學(xué)模式的高校學(xué)生，提出了傳感器課程的遞進(jìn)式項目化教學(xué)方法，給出了三階段式項目遞進(jìn)教學(xué)實施方案，以及階段性和綜合性過程化考核方法。實踐證明該教學(xué)法可顯著提高學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和綜合實踐能力。

Abstract： Principle and application of sensors is an important basic course of automation， instrument and relative engineering majors. It has relatively high requirements for the training of theory， practice ability and engineering consciousness， so the applications of project-based teaching method is necessary. In this paper， a progressive project-based teaching method of sensor course is proposed for college students who have week professional foundation and no experience in project-based teaching mode. The implementation plan of three-stage progressive project teaching method and the process assessment way combined with periodical and comprehensive results are given. Practice has proved that the teaching method can significantly improve the theoretical learning ability and comprehensive practical ability.

關(guān)鍵詞：傳感器原理及應(yīng)用；項目化教學(xué)；遞進(jìn)式

Key words： principle and application of sensors；project-based teaching mode；progressive

中圖分類號：G423.07 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）03-0256-03

0 引言

隨著信息時代的到來，傳感器已成為獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域信息的主要途徑與手段。傳感器技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程等生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，尤其在工業(yè)生產(chǎn)過程中，傳感器是生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)視和控制的基礎(chǔ)部件，其性能指標(biāo)直接制約著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展水平。因此傳感器的原理及其應(yīng)用是高等院校機(jī)電類、自動控制類、儀器儀表類、電子信息類專業(yè)學(xué)生均必須具備的專業(yè)知識。目前很多高校開設(shè)了“傳感器”系列課程，學(xué)者們也針對如何提高教學(xué)成果的問題展開了很多教學(xué)改革研究和實踐工作[1～4]。

在浙江理工大學(xué)，“傳感器原理及應(yīng)用”課程同樣是機(jī)械與自動控制學(xué)院和信息學(xué)院多個專業(yè)的基礎(chǔ)課程，傳感器教學(xué)團(tuán)隊每年授課人數(shù)超過400人，其課程的重要性可見一斑。但不同于蘇州大學(xué)[3]、江南大學(xué)[4]、山東師范大學(xué)等高校，浙江理工大學(xué)測控技術(shù)與儀器等專業(yè)中“傳感器原理及應(yīng)用”被設(shè)定為基礎(chǔ)類課程，授課對象為初入二年級的本科生。這些學(xué)生剛接觸專業(yè)知識、工程思想薄弱，還保留了一些“被動”的學(xué)習(xí)習(xí)慣，這些特點都給基于CDIO的“項目化”教學(xué)方法的推進(jìn)帶來了困難。因此教學(xué)團(tuán)隊通過數(shù)年的教學(xué)探索，參考兄弟院校教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和社會需求，提出了符合初接觸專業(yè)知識的低年級學(xué)生特點的遞進(jìn)式項目化教學(xué)模式，并取得了較為良好的教學(xué)效果。

1 遞進(jìn)式項目化教學(xué)的提出背景

隨著CDIO工程教育模式的推廣和專業(yè)認(rèn)證的迫切要求，各高等院校紛紛加強了以學(xué)生為中心的工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。浙江理工大學(xué)“傳感器原理及應(yīng)用”課程在測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的CDIO課程體系中處于基礎(chǔ)地位，不僅需要在有限的課時內(nèi)教授學(xué)生關(guān)于傳感器和檢測的基礎(chǔ)知識，還需初步建立學(xué)生的工程思想和系統(tǒng)意識，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和科研起到導(dǎo)向作用，因此項目化教學(xué)模式的實施成為必然。但對于面向習(xí)慣“填鴨”式教學(xué)大二學(xué)生來說，項目化教學(xué)模式的忽然引入帶來的一系列課程內(nèi)容多樣化、課時安排緊湊化、課外作業(yè)復(fù)雜化等問題，一時難以接受和解決。前期嘗試結(jié)果表明：項目化教學(xué)模式的推進(jìn)雖旨以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，但剛接觸專業(yè)知識的學(xué)生易顧此失彼，部分學(xué)生會因為一兩次項目化作業(yè)的延遲或失敗產(chǎn)生抵觸和畏難情緒。

德國教育學(xué)家戈·海納特曾說：“向?qū)W生預(yù)示結(jié)果或解決方法都會阻礙學(xué)生努力研究，因此，應(yīng)該對結(jié)果遲下定論。對學(xué)生的錯誤不應(yīng)看得過重。教師須明白，所有有活力的思想都有一個緩慢發(fā)展的過程?！惫?，浙江理工大學(xué)傳感器教學(xué)團(tuán)隊依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)和思想發(fā)展過程調(diào)研結(jié)果，提出了更易于接受的遞進(jìn)式項目化教學(xué)方法。根據(jù)課程的進(jìn)程逐步推進(jìn)行項目化教學(xué)的實施力度和難度，通過階段性初級項目和綜合性高級項目相結(jié)合，采用激勵和迫使雙重方式，以引導(dǎo)、討論、探究、實踐等教學(xué)模式，逐步刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀性，讓學(xué)生通過由淺入深的項目化解決進(jìn)程，切身感受到學(xué)以致用的快樂，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方法所不能達(dá)到的效果，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、思考、解決工程問題的能力，幫助他們樹立自信心和責(zé)任感。endprint

2 遞進(jìn)式項目化教學(xué)的實施方法

遞進(jìn)式項目化教學(xué)依據(jù)學(xué)生對各項目的接受、掌握和完成能力，主要分為三大階段：

2.1 以教師引導(dǎo)為主的初級階段

在課程開設(shè)初期，學(xué)生剛接觸傳感器相關(guān)知識，理論基礎(chǔ)薄弱，沒有工程應(yīng)用的概念，不熟悉“傳感器原理及應(yīng)用”的學(xué)習(xí)方法。因此在該階段中，以教師的教授為主，重點解決學(xué)生“為什么學(xué)”、“學(xué)什么”和“怎么學(xué)”的問題，教授學(xué)生具體的學(xué)習(xí)方法，建立他們的學(xué)習(xí)自信。該階段的教學(xué)主要內(nèi)容包括：傳感器基本知識的引入、測試系統(tǒng)的靜動態(tài)特性以及電阻傳感器的原理及應(yīng)用三大部分。

具體實施過程：先使用生活中經(jīng)常接觸的或?qū)W生們比較感興趣的信號檢測系統(tǒng)，如溫濕度檢測、侵入式檢測、機(jī)器人位置檢測等系統(tǒng)為范例，介紹傳感器發(fā)展歷史，簡單的闡述模擬型傳感器的基本組成和檢測方法，引入傳感器的基本概念及檢測系統(tǒng)基本知識，初步建立學(xué)生對傳感器課程的認(rèn)可度，解決“為什么學(xué)”的問題。

接著以傳感器產(chǎn)品說明書為例，講解非線性度、靈敏度、重復(fù)度等傳感器的靜動態(tài)特性的具體含義，并從學(xué)生最熟悉的滑動變阻器式傳感器入手，通過滑點位移—輸出電壓的基本原理、靈敏度、非線性誤差等特性分析及解決措施、輸入信號—滑點位移—輸出電信號的測量系統(tǒng)應(yīng)用三大部分的講述，解決學(xué)生“學(xué)什么”的問題。

進(jìn)而通過引導(dǎo)式教學(xué)模式，以更為復(fù)雜的應(yīng)變片傳感器為例，給出學(xué)習(xí)提綱，通過傳授和提問并行的教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生一步步跟隨教師的步伐，通過原理分析、特性推導(dǎo)、測量電路及系統(tǒng)組成的學(xué)習(xí)步驟，掌握電阻傳感器的各主要知識點，并結(jié)合單臂電橋、雙臂電橋和全橋應(yīng)變片基礎(chǔ)性實驗，解決“怎么學(xué)”的問題。

通過初級階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)對“傳感器原理及應(yīng)用”的課程的學(xué)習(xí)方法有了一定的認(rèn)識，了解了傳感器的基本組成、特性和應(yīng)用方法，具備了初步的實驗?zāi)芰Α?/p>

2.2 引入初級項目化作業(yè)的中級階段

有了初級的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，在接下來的教學(xué)中級階段中，教師逐漸擺脫主導(dǎo)地位，學(xué)習(xí)中逐步突出學(xué)生的主體作用，教學(xué)內(nèi)容向科學(xué)發(fā)展和工程應(yīng)用類逐步擴(kuò)展，并通過初級項目化作業(yè)的引入，鍛煉學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題”和“分析問題”的能力。該階段的教學(xué)主要內(nèi)容包括：電容傳感器、電感傳感器以及壓電傳感器的原理及應(yīng)用三大部分。

具體實施過程：從電容型傳感器的課堂教學(xué)中開始，基于近似的原理、特性和應(yīng)用的教學(xué)提綱，通過逐步增加課堂提問次數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動性學(xué)習(xí)，逐步增加學(xué)生的自學(xué)比重，教學(xué)模式由教授式改用半教授半引導(dǎo)的模式，并結(jié)合測量電路，引入模擬傳感器系統(tǒng)的概念，通過在工程應(yīng)用中各范例的介紹，初步樹立學(xué)生檢測系統(tǒng)的思想。通過分極型液位檢測或厚度檢測等簡單的傳感器系統(tǒng)設(shè)計等初級項目作業(yè)的布置，讓學(xué)生嘗試學(xué)以致用。

進(jìn)而通過設(shè)計中存在的問題或工程應(yīng)用、科學(xué)發(fā)展中存在的問題，引導(dǎo)學(xué)生展開探究式學(xué)習(xí)。在此階段中，有限的課堂時間除了傳授必要的、如渦流傳感器、壓電原理和壓電常數(shù)矩陣等較重要的知識點以外，其他輔助性內(nèi)容均采用引導(dǎo)的模式督促學(xué)生一步步采用獨立或團(tuán)隊合作的形式自學(xué)完成。更珍貴的課堂時間用于傳授學(xué)生查詢學(xué)術(shù)論文和收集資料的相關(guān)知識。

在此階段中期，通常會根據(jù)課程進(jìn)展，布置新型傳感器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用等資料收集等小項目作業(yè)，讓學(xué)生了解國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用需求，以鍛煉學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題”的能力。在此階段后期的壓電傳感器教學(xué)過程中，則常會要求學(xué)生通過資料收集和綜合實驗驗證完成電阻、電容、電感及壓電傳感器在壓力或位移檢測中的特性和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ刃宰鳂I(yè)，并在課堂中進(jìn)行討論，以鍛煉“分析問題”的能力。

通過中級階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已基本具備了自學(xué)以及論文等資料的收集能力，并初步具有了綜合實驗?zāi)芰?、分極型模擬傳感器的設(shè)計能力，以及數(shù)種傳感器的比對和選擇能力。

2.3 完成綜合式項目化作業(yè)的高級階段

在所謂的高級階段中，學(xué)生的中心性進(jìn)一步加強，教學(xué)重心進(jìn)一步向?qū)W生的綜合能力培養(yǎng)上偏移。在此階段中，課堂時間主要用于測試、討論和解惑，學(xué)生需高度調(diào)動其學(xué)習(xí)主動性，并在教師指導(dǎo)下完成給定的或自創(chuàng)的綜合類項目作業(yè)。該階段的重點在于進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀的思想，培養(yǎng)他們“解決問題”的能力以及工程應(yīng)用能力。該階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容為熱電傳感器、光電傳感器以及磁電傳感器的原理及應(yīng)用三大部分。

具體實施過程：由于熱電傳感器等后續(xù)章節(jié)中原理、特性分析和測量電路等對應(yīng)的知識點并不深奧，且學(xué)生已具備了一定的自學(xué)能力，因此從熱電傳感器部分開始，課堂中基礎(chǔ)知識傳授時間進(jìn)一步減少，隨堂測試的比重增加，學(xué)生需借助于教學(xué)團(tuán)隊制作的慕課等教學(xué)資源，在課下完成知識點的初步學(xué)習(xí)，在課堂中主要對包括如冷端補償及標(biāo)準(zhǔn)電極等定律在內(nèi)的綜合性問題進(jìn)行隨堂測試和解惑。

在進(jìn)入高級階段后，課時已所剩不多，項目化作業(yè)不再是根據(jù)課程相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡單的資料收集并撰寫文獻(xiàn)閱讀報告，綜合和創(chuàng)新型難度大為提升，學(xué)生在此階段需要2～3人團(tuán)隊合作，集中課外時間，結(jié)合課程實驗和《傳感器及測試技術(shù)》課程設(shè)計，以壓力分布檢測、入侵系統(tǒng)檢測等工程應(yīng)用為背景，基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合學(xué)過的模電和電子類課程設(shè)計知識，完成給定的或創(chuàng)新型的傳感器測試系統(tǒng)構(gòu)建的工作，以鍛煉“解決工程問題”的能力。

3 考核方式

考核屬于教學(xué)活動的一部分，其目的是促進(jìn)教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)，適當(dāng)?shù)拈]卷考試是必需的，可以督促學(xué)生對本課程的內(nèi)容進(jìn)行全面的復(fù)習(xí)。但傳統(tǒng)的考核方式以考試分?jǐn)?shù)為主要評定指標(biāo)，以概念、原理、推理等知識為主要考核內(nèi)容，對學(xué)生的整體學(xué)習(xí)效果考核不全面，容易使學(xué)生只重分?jǐn)?shù)不重能力，期末為了應(yīng)付考試而進(jìn)行的應(yīng)急式學(xué)習(xí)，影響了學(xué)生綜合能力和素質(zhì)的提高[5]。

為了能夠督促學(xué)生能夠及時跟進(jìn)遞進(jìn)式項目化教學(xué)的進(jìn)展，遞進(jìn)式項目化教學(xué)模式中考核形式也更加多樣化。在注重掌握基本理論知識的同時，側(cè)重學(xué)生多種能力的培養(yǎng)和學(xué)習(xí)過程中有效學(xué)習(xí)的引導(dǎo)，構(gòu)建了集知識（knowledge）、能力（ability）、過程（process）評價為一體的“KAP立體考核法”。由于“傳感器原理及應(yīng)用”是一門理論和實踐結(jié)合十分緊密的課程，為了突出實踐的必要和重要性，考核中實驗課作為一門課程單獨打分。在理論課的考核方式上，注重形成性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合。教學(xué)團(tuán)隊對各階段課堂提問、隨堂測試及各項目化成果進(jìn)行了過程評價，包括隨堂提問成績、隨堂測驗成績、階段項目作業(yè)成績以及綜合項目作業(yè)成績等在內(nèi)的平時成績的比重也不斷提高，由原來的40%增至50%以上。且隨著初級階段、中級階段和高級階段的推進(jìn)，項目化作業(yè)的難度和比重也逐步遞增，其中以項目化成果得分權(quán)重最高，其整體占綜合評價得分的60%左右。這雖增加了教師的工作量，但學(xué)生的積極性得到了有效的促進(jìn)。

4 結(jié)束語

遞進(jìn)式項目化教學(xué)開展以來，同學(xué)們自學(xué)能力、文獻(xiàn)收集及整理能力、項目化成果水平顯著提高。相同評價指標(biāo)下，文獻(xiàn)收集及資料對比項目的優(yōu)秀率由原來的10%提高到30%，最終的綜合型項目化作業(yè)中自創(chuàng)性項目由過去的20%提高到37%。同學(xué)們對綜合實驗、創(chuàng)新型實驗開發(fā)的興趣也明顯提升?？己酥性O(shè)計題和對比分析題的得分也有所提高。

不可否認(rèn)的是由于課堂教學(xué)中基礎(chǔ)知識傳授所占用的比例逐步減低，學(xué)生的自學(xué)比重的增加使得新授課模式與傳統(tǒng)授課式教學(xué)模式相比，期末考試中學(xué)生在基礎(chǔ)知識方面的平均得分略有下降。因此豐富習(xí)題庫和課程資源，開發(fā)更利于師生互動的在線開發(fā)課程網(wǎng)絡(luò)平臺將是浙江理工大學(xué)教學(xué)團(tuán)隊接下來的主要工作。

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