劉春陽(yáng) 黃 艷 蔡海潮 尚振東 徐巧玉 徐彥偉 徐 愷

河南科技大學(xué) 河南洛陽(yáng) 471003

傳感器是科學(xué)研究中信息數(shù)據(jù)的源頭，也是工程應(yīng)用中信息獲取的關(guān)鍵。在工業(yè)4.0、智能制造以及物聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，傳感器技術(shù)及其應(yīng)用無(wú)處不在[1,2]。因此，在高校的機(jī)械類、儀器儀表類、自動(dòng)化等專業(yè)人才培養(yǎng)，尤其是與科學(xué)研究和工程實(shí)踐聯(lián)系緊密的研究生培養(yǎng)過(guò)程中，更應(yīng)該加強(qiáng)傳感器原理及應(yīng)用知識(shí)的介紹，幫助學(xué)生掌握信息獲取的理論、方法，構(gòu)建智能化裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí)體系，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問(wèn)題的能力。

新型傳感器原理及應(yīng)用課程正是針對(duì)各種類型的傳感器原理、特點(diǎn)、應(yīng)用、數(shù)據(jù)的分析處理方法等進(jìn)行深入的講解與介紹。而在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題與不足[3]，例如：教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)應(yīng)用、行業(yè)需求結(jié)合不夠緊密，專業(yè)知識(shí)講解過(guò)于著重理論介紹，學(xué)生所學(xué)理論與實(shí)踐互動(dòng)不足，無(wú)法達(dá)到綜合能力提升的效果。因此，為了改善教學(xué)效果，提升教學(xué)質(zhì)量，十分有必要對(duì)本課程展開(kāi)教學(xué)改革與探索。

1 教學(xué)內(nèi)容改革

新型傳感器原理及應(yīng)用課程，教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)隨著時(shí)代的發(fā)展而不斷地完善。教學(xué)團(tuán)隊(duì)先后參考國(guó)內(nèi)高校的教材和課件自主編寫了課程的相關(guān)教材，包括2006年由西安電子科技大學(xué)出版社出版的《測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》，2015年由西安電子科技大學(xué)出版社出版的《傳感器原理及應(yīng)用》[4]，2018年由清華大學(xué)出版社出版的《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》[5]。這些教材結(jié)合機(jī)電工程領(lǐng)域及行業(yè)應(yīng)用需求，結(jié)合本科生、研究生培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)傳感器及其相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了完善和修訂，形成了現(xiàn)在的教學(xué)內(nèi)容。

本課程目前以研究生授課為主，重點(diǎn)介紹機(jī)電工程領(lǐng)域常用的傳感器以及光電傳感器、生物傳感器、化學(xué)傳感器、MEMS傳感器、超聲波傳感器、無(wú)線傳感器網(wǎng)等新型智能傳感器原理、特點(diǎn)、應(yīng)用和分析處理方法。結(jié)合智能制造和人工智能技術(shù)的應(yīng)用背景和發(fā)展熱點(diǎn)展開(kāi)理論教學(xué)。

全部課程共32學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)部分分為15個(gè)章節(jié)，留有2個(gè)學(xué)時(shí)的課題調(diào)研討論匯報(bào)時(shí)間。第1章緒論介紹傳感器定義及其分類、測(cè)量系統(tǒng)的信息模型、傳感技術(shù)的地位與作用、傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)。第2章傳感器的理論基礎(chǔ)包括傳感器獲取信息的基礎(chǔ)理論及物理定律，應(yīng)用于新型傳感器的敏感材料介紹。第3章傳感器的構(gòu)成理論講解傳感器與被測(cè)量的關(guān)聯(lián)與構(gòu)成，傳感器的制造工藝以及傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的評(píng)價(jià)，不失真測(cè)量的條件。第4章傳感器的應(yīng)用基礎(chǔ)講解傳感器測(cè)量的原理和方法，量值的傳遞與溯源，傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)，誤差來(lái)源及分析，噪聲抑制方法以及抗干擾措施，傳感器選用的原則。第5章光電傳感器介紹光電式傳感器的組成及特點(diǎn)，光電探測(cè)器件及弱信號(hào)探測(cè)技術(shù)，激光傳感技術(shù)，紅外傳感技術(shù)等。第6章光纖傳感器講解光纖的基本概念，光纖用光源和傳輸連接器件，光纖傳感原理，光纖光柵傳感技術(shù)。第7章視覺(jué)傳感技術(shù)介紹機(jī)器視覺(jué)的理論，視覺(jué)傳感測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，圖像傳感器，3D視覺(jué)傳感技術(shù)，智能視覺(jué)傳感技術(shù)，視覺(jué)傳感技術(shù)的應(yīng)用。第8章聲表面波傳感技術(shù)講解聲表面波的主要性質(zhì)和激發(fā)過(guò)程，壓電效應(yīng)及其本構(gòu)方程，聲表面波特性的理論分析，聲表面波傳感器技術(shù)及應(yīng)用。第9章講述生物傳感技術(shù)，介紹生物傳感器的工作原理、發(fā)展與分類，生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù)、生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用。第10章化學(xué)傳感技術(shù)講解化學(xué)傳感技術(shù)的工作原理、分類，氣敏化學(xué)傳感技術(shù)及其應(yīng)用，濕敏化學(xué)傳感技術(shù)及其應(yīng)，離子選擇電極及其應(yīng)。第11章前沿傳感技術(shù)講述包括微機(jī)電傳感器、軟測(cè)量與軟傳感器、模糊傳感器、混沌測(cè)量、仿生傳感器的前沿傳感技術(shù)。第12章現(xiàn)代傳感系統(tǒng)講述現(xiàn)代傳感系統(tǒng)的組成特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，分布式測(cè)量系統(tǒng)及其特征、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用。第13章多傳感器數(shù)據(jù)融合介紹多傳感器數(shù)據(jù)融合過(guò)程，數(shù)據(jù)融合模型及融合算法，卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)融合技術(shù)及其應(yīng)用。第14章智能傳感技術(shù)介紹智能傳感器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，深度學(xué)習(xí)等相關(guān)智能處理方法。第15章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，無(wú)線通信協(xié)議，傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例。

理論教學(xué)的每一章都在理論介紹的基礎(chǔ)上，添加應(yīng)用案例的講解和分析，如視覺(jué)傳感技術(shù)介紹了基于圖像采集和模式識(shí)別的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，智能傳感技術(shù)里介紹了深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)模型及其在圖像分類、人臉識(shí)別、語(yǔ)音分析、語(yǔ)音翻譯等方面的應(yīng)用。通過(guò)應(yīng)用案例的講解便于學(xué)生掌握傳感器的基本原理、應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理的方法，豐富了理論教學(xué)的內(nèi)容。

2 教學(xué)模式改革

在教學(xué)模式上，本課程采用多媒體教學(xué)的形式，注重相關(guān)內(nèi)容以圖片、動(dòng)畫等表現(xiàn)形式講述，結(jié)合文字對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行介紹。利用多媒體教學(xué)可以讓學(xué)生更好地理解一些抽象、復(fù)雜的概念和知識(shí)，便于學(xué)生直觀感受傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換過(guò)程，提升學(xué)習(xí)的效率。

但PPT授課的內(nèi)容，往往內(nèi)容量大、知識(shí)點(diǎn)多，一堂課下來(lái)，學(xué)生必須集中注意力才能保證教學(xué)的質(zhì)量和效果，而學(xué)生往往存在注意力不集中的情況，難以保證一堂課的所有知識(shí)點(diǎn)都被學(xué)生吸收掌握。因此，通過(guò)對(duì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，在課件上集中展示重點(diǎn)內(nèi)容，必要的理論推導(dǎo)和演算還是利用板書(shū)完成，便于學(xué)生整理思路，理解所學(xué)知識(shí)。同時(shí)，一些次重點(diǎn)的內(nèi)容，安排學(xué)生進(jìn)行調(diào)研和整理，每次課利用前10分鐘讓學(xué)生對(duì)安排的內(nèi)容進(jìn)行講解，實(shí)現(xiàn)課堂的反轉(zhuǎn)，讓學(xué)生參與到教學(xué)活動(dòng)中，提高學(xué)生自學(xué)的能力以及整理資料、口頭表述的能力。例如，在介紹智能傳感器時(shí)，讓學(xué)生自己搜集資料，整理深度學(xué)習(xí)的經(jīng)典模型進(jìn)行課堂介紹。學(xué)生的積極性被調(diào)動(dòng)起來(lái)，能夠很好地保證自學(xué)的效果。

如今，網(wǎng)絡(luò)成為信息時(shí)代獲取信息的重要途徑，也成了學(xué)生日常生活必不可少的一部分。隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的教育體系越發(fā)展現(xiàn)出靈活、方便的特性，微課、慕課等視頻教學(xué)形式的出現(xiàn)、各種專業(yè)論壇和網(wǎng)站的建設(shè)極大地豐富了學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)和獲取的渠道，開(kāi)闊了學(xué)生的視野，增進(jìn)了學(xué)生對(duì)相關(guān)動(dòng)態(tài)和前沿技術(shù)的掌握。因此在教學(xué)模式改革中，需要充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，將啟發(fā)式教學(xué)與學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、課堂上的互動(dòng)學(xué)習(xí)將結(jié)合。學(xué)生在利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的同時(shí)，也能夠向老師反饋好的資源網(wǎng)站和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步豐富、完善教學(xué)的課件。本課程亦是積極準(zhǔn)備在線課程的申報(bào)工作，以便進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)模式。

通過(guò)課堂的多媒體理論教學(xué)，對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行傳授，結(jié)合應(yīng)用案例進(jìn)行分析，促進(jìn)學(xué)生理論學(xué)習(xí)水平的提升；通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注傳感器技術(shù)相關(guān)網(wǎng)站及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，積極開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和自我學(xué)習(xí)，并創(chuàng)建課件進(jìn)行互動(dòng)式講解，激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的興趣和熱情，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方法的改進(jìn)；通過(guò)與大學(xué)生訓(xùn)練項(xiàng)目、科研課題等方面的結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生將傳感器與自己專業(yè)、感興趣的課題研究?jī)?nèi)容相結(jié)合，讓學(xué)生參與到試驗(yàn)研究中，設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)理論學(xué)習(xí)與科研實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，本課程逐步建立起課堂學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、試驗(yàn)學(xué)習(xí)、自我學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)方法。

3 考查評(píng)價(jià)方法改革

傳統(tǒng)的教學(xué)考查評(píng)價(jià)方法是以考試為中心，以筆試成績(jī)定能力水平，難以全面地反映學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)情況。因此，本課程在改變?cè)嚲沓煽?jī)的權(quán)重比例基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索了教學(xué)效果的考查評(píng)價(jià)方法的改革之路。

本課程將考查評(píng)價(jià)的最終成績(jī)構(gòu)成進(jìn)行了調(diào)整，將傳統(tǒng)的“70%筆試+20%實(shí)驗(yàn)+10%平時(shí)成績(jī)”比例分配轉(zhuǎn)換成“30%理論筆試+30%實(shí)驗(yàn)實(shí)踐+20%平時(shí)成績(jī)+20%匯報(bào)展示”的構(gòu)成比例。加大實(shí)踐、平時(shí)課堂的學(xué)生互動(dòng)講解、最后的課堂展示匯報(bào)的成績(jī)比例，建立基礎(chǔ)理論知識(shí)考查、實(shí)驗(yàn)技能評(píng)價(jià)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究及匯報(bào)講解相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法。

理論考查重點(diǎn)突出對(duì)基礎(chǔ)理論的掌握和綜合應(yīng)用分析的掌握；實(shí)驗(yàn)考查重點(diǎn)突出學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程、處理數(shù)據(jù)獲得結(jié)論的能力，平時(shí)成績(jī)注重學(xué)生根據(jù)安排內(nèi)容進(jìn)行課件講授和分組討論的能力以及出勤和作業(yè)的情況，最后的課堂匯報(bào)，積極引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)與專業(yè)方向、研究課題相結(jié)合展開(kāi)傳感器技術(shù)調(diào)研。注重課題調(diào)研、資料整理、思考匯總、撰寫報(bào)告、口頭表述、分組討論的綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合素質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

授人以魚(yú)不如授人以漁。高校進(jìn)行人才培養(yǎng)，目的是為社會(huì)培養(yǎng)能夠自主思考、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的合格畢業(yè)生，本課程圍繞傳感器技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容、通過(guò)教學(xué)改革和探索，培養(yǎng)傳感器理論知識(shí)與應(yīng)用實(shí)踐能力并重，能夠面向智能制造、物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域展開(kāi)作為的人才。通過(guò)修訂教學(xué)材料內(nèi)容，精簡(jiǎn)理論介紹、結(jié)合科研項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行理論授課、結(jié)合多媒體教學(xué)的特點(diǎn)綜合利用語(yǔ)言、文本、音視頻、動(dòng)畫等多種手段提升教學(xué)課件的內(nèi)涵和質(zhì)量。同時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)資源和公開(kāi)課等教學(xué)形式引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自我學(xué)習(xí)，結(jié)合專業(yè)方向和課題項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和調(diào)研匯報(bào)，建立課堂學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、試驗(yàn)學(xué)習(xí)、自我學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)方法，形成基礎(chǔ)理論知識(shí)考查、實(shí)驗(yàn)技能評(píng)價(jià)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究及匯報(bào)講解相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法，本課程的教學(xué)改革和探索為本課程及其他相關(guān)課程教學(xué)質(zhì)量的提升提供有益的參考和借鑒。