閻紅娟，司麗娜，袁俊杰

（北方工業(yè)大學(xué)機械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

高等教育面臨新機遇，我國高校要加快建設(shè)和發(fā)展新工科。對于傳統(tǒng)專業(yè)，新工科是推動高校傳統(tǒng)工科專業(yè)升級改造的新型工程教育模式，使用更新的理念、更好的模式組織教學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力強的高素質(zhì)新工科人才，獲得更高的教育質(zhì)量[1-2]。因此將新知識、新技術(shù)、新理念及時擴充到課程教學(xué)中，有助于促進課程教學(xué)創(chuàng)新改革，滿足工程教育專業(yè)認證對教學(xué)持續(xù)改進的要求。“構(gòu)思Conceive-設(shè)計 Design-實施 Implement-運行 Operate”（簡稱CDIO）工程教育模式以項目為載體，將構(gòu)思、設(shè)計、實施以及運行貫穿到項目完成的整個過程中，其教育理念是讓學(xué)生以主動、實踐的方式學(xué)習(xí)課程知識[2-3]。

本門課程結(jié)合專業(yè)發(fā)展特色，以專業(yè)認證和CDIO工程教育模式為指導(dǎo)思想，針對目前以教師主講為模式的教學(xué)方法、不能及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況等問題，調(diào)整現(xiàn)有課程教學(xué)內(nèi)容、開設(shè)線上線下混合式教學(xué)模式、改革實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、增加課程思政內(nèi)容[4-5]，將新知識、新技術(shù)、新方法、課程思政元素融入課題教學(xué)和實踐教學(xué)過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，通過完整的知識體系和案例分析，提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣，提升學(xué)生的實踐動手能力，實現(xiàn)知識傳授、能力培養(yǎng)、價值引領(lǐng)的有機統(tǒng)一。

1 課程面臨問題

傳感器與檢測技術(shù)作為專業(yè)必修課程，多年教學(xué)中在學(xué)生課堂表現(xiàn)、對課程知識掌握程度、實驗效果等，存在以下幾個問題：

（1）課程要求學(xué)生具有數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科知識，部分學(xué)生先修課程知識點存在薄弱環(huán)節(jié)，致使信號描述、信號分析處理等章節(jié)學(xué)習(xí)效果較差。

（2）傳感器工作原理、測量電路、應(yīng)用案例等涉及電學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)等多學(xué)科知識，各個章節(jié)所屬學(xué)科存在差異，知識點缺乏連貫性。

（3）實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容相對保守，學(xué)生實驗報告相似度較高，沒有達到預(yù)期效果。

2 教學(xué)創(chuàng)新理念與思路

以專業(yè)認證和CDIO工程教育模式為指導(dǎo)思想，根據(jù)學(xué)生對課程知識的需求，調(diào)整現(xiàn)有課程教學(xué)內(nèi)容、開設(shè)線上線下混合式教學(xué)模式、因材施教分層實驗教學(xué)、增加課程思政環(huán)節(jié)，將新知識、新技術(shù)、新方法和課程思政融入課題教學(xué)和實踐教學(xué)過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣和知識點掌握程度，提升學(xué)生的工程實踐動手能力。

2.1 課程內(nèi)容調(diào)整

刪減了課程中學(xué)生感覺枯燥、掌握程度較弱的信號描述和信號的分析與處理兩章內(nèi)容，將其融入傳感器工作原理、測量電路和應(yīng)用案例中，對各章節(jié)知識點整合，通過典型應(yīng)用案例，搭建了典型機械量的完整測試系統(tǒng)。并將實驗課時從8學(xué)時增加到10學(xué)時，增加課程實踐教學(xué)課時，提出因材施教實驗教學(xué)方法。課程內(nèi)容調(diào)整如圖 1（P97）所示。

圖1 課程內(nèi)容調(diào)整

在課堂內(nèi)容講授過程中，基于CDIO工程教育模式設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，下面以電阻式傳感器為例說明章節(jié)內(nèi)容調(diào)整。例如在電阻式傳感器章節(jié)中，由電子秤稱重原理作為引入點，講授電阻應(yīng)變式傳感器和半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器工作原理、電橋電路特性，復(fù)習(xí)力學(xué)中拉伸、彎曲、扭矩等典型載荷的受力分析，學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變片布片知識，講解常見彈性元件布片和組橋知識，以車削力為例講解三維力測試系統(tǒng)，最后回答電子秤測量原理，如圖2所示。通過課程內(nèi)容調(diào)整，每種傳感器內(nèi)容形成了“工作原理―測量電路―應(yīng)用案例”完整的知識鏈，每章內(nèi)容形成一個完整的知識體系，增加了學(xué)生對課程知識的熟悉和掌握程度，提高了課堂教學(xué)效果。

圖2 電阻式傳感器課程內(nèi)容安排

2.2 線上線下混合式教學(xué)模式

2021秋申請了中國大學(xué)MOOC國家級精品課程武漢大學(xué)的《傳感器技術(shù)》，采用線上線下混合式教學(xué)方式，如圖3所示。將難以講解和理解的內(nèi)容如電感式傳感器中相敏檢波電路、電容式傳感器中脈寬調(diào)制電路等采用線上教學(xué)模式，學(xué)生通過觀看視頻，在線完成課程練習(xí)題，開拓了學(xué)生視野，加深學(xué)生對知識的理解和掌握。

圖3 線上線下混合教學(xué)模式

利用中國大學(xué)MOOC平臺，提高課堂互動效率，隨時掌握學(xué)生對知識點的理解和掌握程度；對重要知識點發(fā)布課堂練習(xí)，學(xué)生可多次練習(xí)，取最高成績記為平時成績，通過反復(fù)練習(xí)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和對重點、難點知識點掌握程度。

課堂上鼓勵學(xué)生勇于嘗試，主動回答課堂問題可以增加平時成績，同時計算平時成績時去掉最低分，提高了學(xué)習(xí)的主動性，很大提升了作業(yè)完成度。

2.3 因材施教分層實驗教學(xué)

教學(xué)計劃調(diào)整后，將《傳感器與檢測技術(shù)》實驗課時從8學(xué)時增加到10學(xué)時，增加實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在原有實驗項目的基礎(chǔ)上，增加光電傳感器的測量原理與轉(zhuǎn)速測量方法。

2021年教育教學(xué)改革項目將課程實驗環(huán)節(jié)分為必做實驗和選做實驗（見圖4），將直流電橋特性與常用傳感器的靜態(tài)特性作為必做實驗，要求所有學(xué)生必須完成。將位移量測量、熱電偶溫度傳感器測試標(biāo)定系統(tǒng)和光電傳感器與項目驅(qū)動式實驗課題作為選做實驗，鼓勵學(xué)生申請選做實驗，以項目驅(qū)動帶動實踐教學(xué)[6]。

圖4 因材施教實驗教學(xué)方法

鼓勵學(xué)生從實際角度出發(fā)選擇項目驅(qū)動式自主實驗項目，在學(xué)期初與老師討論確定實驗項目。以實際案例為實驗項目，基于CDIO工程教育模式，將傳感器、測量電路、信號處理等知識點融入案例中，通過實際案例將散亂的知識點串聯(lián)起來搭建完整測試系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生積極性和主動性，引導(dǎo)學(xué)生團隊協(xié)作，針對實驗?zāi)康牟殚單墨I，構(gòu)思設(shè)計測試系統(tǒng)，依據(jù)傳感器工作原理、調(diào)理電路選擇傳感器和信號調(diào)理電路，使用（Arduino、STM32或樹莓派等）控制模塊實現(xiàn)與計算機的通訊，基于虛擬儀器的信號分析系統(tǒng)分析實驗數(shù)據(jù)，與實驗?zāi)康倪M行對比，驗證實驗效果并改進測試系統(tǒng)設(shè)計方案，如圖5（P98）所示。

圖5 項目驅(qū)動式實驗實施過程

2021秋季學(xué)期有三組同學(xué)選做項目驅(qū)動式自主實驗課題，分別為：激光與超聲波傳感器測距實驗、基于MPU6050傳感器的智能小車姿態(tài)與路徑控制應(yīng)用實驗。通過選擇傳感器、控制器、編寫程序代碼等，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，主動思考實驗中存在的問題，尋找解決方法，提高了學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣、實踐動手能力和團隊協(xié)作精神。

2.4 將課程思政融入教學(xué)內(nèi)容中

在專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容中融合思政教育，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容挖掘德育元素，通過與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的時事案例，將其中蘊含的社會主義核心價值觀具體化、生動化，實現(xiàn)“潤物細無聲”的滲透式教育。有意識地在教學(xué)環(huán)節(jié)中增加思政元素，于學(xué)習(xí)和做事中育人，將愛國情懷、創(chuàng)新精神、工匠精神、團隊協(xié)作等要素與教學(xué)內(nèi)容相互融合，實現(xiàn)知識傳授和價值引領(lǐng)的統(tǒng)一。

2.4.1 激發(fā)同學(xué)愛國熱情

本課程的緒論講解傳感器與檢測技術(shù)的相關(guān)概念、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展現(xiàn)狀。我國中高檔傳感器產(chǎn)品大多從國外進口，部分傳感器關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品被國外壟斷和禁運，如2021年的汽車芯片短缺引發(fā)各大汽車廠商訂貨期延長。

緒論以最常用的移動電話發(fā)展歷程為例說明傳感器與檢測技術(shù)的進步是很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展進步的基礎(chǔ)，介紹了傳感器技術(shù)的進步對智能手機領(lǐng)域技術(shù)進步的重要影響?，F(xiàn)在的智能機集成了姿態(tài)、高度、氣壓、GPS、高性能CMOS攝像頭等各類傳感器（如圖6所示），更是依賴于各種MEMS傳感器的迅速發(fā)展。從手機的發(fā)展歷程可以看出，智能手機的發(fā)展進步過程也是手機里各種傳感器微型化、集成化、性能不斷提升的歷程。

圖6 手機部分傳感器

通過案例分析，使學(xué)生能夠生動的體會傳感器與檢測技術(shù)進步帶來科技的革新，結(jié)合課程思政教育的目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生深入思考：手機發(fā)展歷程中不同階段引領(lǐng)創(chuàng)新的公司以及其成功與失敗的原因，認清國內(nèi)外在核心技術(shù)上的差距，中國應(yīng)該更加注重核心科技領(lǐng)域的創(chuàng)新，不斷奮斗和追趕；同時也應(yīng)關(guān)注到國產(chǎn)手機的創(chuàng)新精神，如折疊屏、北斗導(dǎo)航、快速充電等新技術(shù)在國產(chǎn)手機上應(yīng)用，增加同學(xué)們的民族自豪感和自信心，作為未來的高級科技人才，要樹立遠大的理想，在學(xué)習(xí)和工作中要勇于創(chuàng)新，敢為天下先，勇于肩負中國制造發(fā)展進步的重任，為制造領(lǐng)域能夠快速追趕、反超，達到國際先進水平貢獻自己的力量。

2.4.2 培養(yǎng)同學(xué)們“工匠”精神

通過對不同種類光電效應(yīng)的學(xué)習(xí)，掌握對應(yīng)的元器件結(jié)構(gòu)和工作原理。從日常生活中太陽能路燈、太陽能熱水器的工作原理引入光生伏特效應(yīng)，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)太陽能電池結(jié)構(gòu)和工作原理，以空間站太陽能板為典型案例，引入節(jié)能環(huán)保理念和清潔能源作用，引導(dǎo)學(xué)生了解中國航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，如嫦娥五號任務(wù)圓滿完成、火星探測器成功著陸、空間站機械臂、航天員太空行走等，鼓勵同學(xué)們樹立遠大理想，以默默無聞為中國航天事業(yè)奉獻的航天人的“大國工匠”精神為榜樣，培養(yǎng)同學(xué)們腳踏實地的工匠精神、家國意識和大愛格局，提升同學(xué)們?yōu)閷崿F(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢而繼續(xù)奮斗的使命感和責(zé)任感。

3 總結(jié)

（1）通過課程內(nèi)容調(diào)整，刪減信號描述和處理等知識點，增加傳感器測量電路、典型案例，每章知識形成“工作原理―測量電路―應(yīng)用案例”完整知識鏈，提高了學(xué)生對知識點掌握程度；

（2）引入國家級精品課程，采用線上線下教學(xué)模式，將難以講解和掌握的知識點采用線上教學(xué)模式，學(xué)生通過觀看視頻和多次課堂在線練習(xí)，拓展知識面，加深知識的理解和掌握，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣；

（3）提出因材施教分層實驗教學(xué)方法，將實驗分為必做實驗和選做實驗。選做實驗采用項目驅(qū)動式方式設(shè)計實驗項目，學(xué)生從系統(tǒng)設(shè)計、傳感器、控制器選型等入手開發(fā)設(shè)計測試系統(tǒng)，提高學(xué)生團隊協(xié)作能力和工程實踐能力；

（4）將教學(xué)環(huán)節(jié)與課程思政相結(jié)合，將課程思政元素有機融入教學(xué)內(nèi)容中，將愛國情懷、創(chuàng)新精神、工匠精神、團隊協(xié)作與教學(xué)內(nèi)容相互融合，同步提升思政修養(yǎng)與專業(yè)知識，實現(xiàn)價值引領(lǐng)、能力培養(yǎng)、知識傳授的有機融合。