(教学改革论文)传感器课堂教学改革措施探究

【教学改革论文】传感器课堂教学改革措施探究摘要：根据“工程教育认证〞“新工科建设〞和“思政教育〞等政策导向，考虑高校物联网等专业传感器课程教学中普遍存在的内容枯燥、实用性差等问题，对传感器课程的教学改革进行了初步探寻求索。一方面，明确了“新工科建设〞和“工程教育认证〞背景下的学习目标，探讨了加强思政教育和工程德育的必要性和具体方法；另一方面，讨论了将传感器与相关电子信息类课程融合形成知识网络以及注重与传感器相关的学科竞赛、毕业设计、就业引导的意义和实施思路。上述措施既能很好地契合国家教育政策的最新导向，又能站在学生角度摒除繁冗枯燥且意义较小的传统讲授内容，增加大量实用内容，使学生在课堂中收获更多，提高课堂教学质量。关键词：传感器；思政教育；工程德育；知识网络；学科竞赛；毕业设计；就业引导传感器是物联网工程、电气工程及其自动化等电子信息类专业的核心课程。近年来，“工程教育认证〞“新工科建设〞和“思政教育〞成为我们国家高等教育发展和改革的新方向[1-2]，不仅需要注重对电子信息类专业学生的工程意识、创新精神、实际动手能力和团队协作能力等培养目标的达成，还要求学生具备正确的价值观、工程道德和法律意识[3-4]，这无疑对传感器等电子信息类专业课程的教学提出了更新、更高的要求。因此，有必要对传感器的课堂教学改革开展新的探寻求索。1传感器课堂教学的现状及存在的问题作为现代信息系统的源头，传感器主要用于各类信息的获取。目前，传感器已被我们国家以及美国、欧洲、日本等国家视为与科技进步、经济发展和国家安全密切相关的重点发展技术，发展速度非常快，相关的新技术、新材料和新应用也层出不穷[5]。传感器的测量对象范围很广，包括力学量、光学量、电学量、热工量和化工量等，牵涉学科领域诸多，内容繁杂且彼此间关联性不强[6]。在传统的课堂教学过程中，讲授内容集中于各种传感器的测量原理、制造材料、结构特征、计算公式推导、测量电路分析、经典应用介绍以及误差原因分析与补偿措施等，不仅牵涉抽象的物理、化学理论分析和数学公式推导，还包括大量的孤立知识点。繁冗枯燥的课程内容对学生的理解和记忆都是很大的负担，容易引起反感情绪，压抑课堂气氛，学生的实际收获也不大。另外，传感器的新技术、新应用发展迅速，教学资料内容更新明显滞后，课堂讲授内容与行业现实情况脱节严重，难以反映传感器的最新发展和用人单位的实际需求，与在校期间的其他学习任务和学术活动的契合度也很低，导致学生的学习热情普遍不高，学习积极性不能充分调动，难以获得理想的教学效果。2明确学习目标及加强思政教育和工程德育的具体方法2.1明确相关政策背景下的学习目标在“新工科建设〞和“工程教育认证〞背景下，不仅要求学生熟悉各种传感器的工作原理、结构组成、测量电路和性能特点等理论知识，还要能够合理选择和熟练使用各种传感器的代表性产品，具备较强的工程实践能力；能够把握传感器的未来发展趋势，具备对传感器新技术、新材料和新应用的跟踪、消化能力；还需要具备与传感器相关的职业道德和法律意识，避免在传感器的研发和使用过程中出现违反法律或社会公序良俗的情况发生。教师应主动将上述学习目标转化为教学目标，所有教学内容的设置和实施都要紧密围绕上述目标。2.2加强思政教育通过在课堂上融入思政元素，实现价值引领，激发学生学习的内在动力，促成从“要我学〞到“我要学〞的学习动机转变、从“学为小我〞到“学为大我〞的学术志向提升，使专业教育与思政教育相互促进[7]。传感器课程的思政教育，既可以从我们国家目前在该行业的困境和风险角度切入，也可以从我们国家传感器行业的历史发展机遇和业已取得的多项突破谈起。例如，介绍目前我们国家传感器的制造工艺、制造设备、设计软件、研发投入、应用水平与世界先进水平之间的差距以及大部分高端传感器市场仍被国外占据的现状，存在大量利润流向国外和少量关键领域随时可能被卡脖子的问题；也可以向学生说明国家已经出台大量纲领性文件和优惠政策，正在大力推进先进传感器行业的发展；介绍国内优秀的传感器企业，如歌尔声学、大华股份、华天科技等，以及传感器产品在各型号卫星、火箭运载工具和地面测控设备的航天电子领域的广泛应用[8]。目前，我们国家传感器行业是挑战与机遇并存的，应该让学生感受到国家科学技术的快速发展，激发民族自豪感，鼓励学生弘扬科学报国的荣耀传统，把个人理想自觉融入国家发展伟业，积极投身到我们国家先进传感器行业的发展建设中。2.3加强工程德育工程德育是用工程、系统和理论的方法进行工程师的道德教育，符合理工科学生的认知特点、认知方式、成长规律和现实需求，是高校思政教育的必要延伸，也是坚持社会办学方向、办好让人们满意的教育的根本要求[9]。教师可结合案例教学法，就传感器在研发和使用过程中可能牵涉的道德、法律和伦理问题对学生进行工程德育。例如：智能手机APP可在用户不知情且无须系统授权的情况下，利用手机内置的加速度传感器采集扬声器所发出声音的振动信号，窃听用户语音；基于图像传感器的各类隐藏式针孔摄像头大量被用于偷拍，严重侵犯了人们的隐私，毒化了社会风气；基于多种传感器获取的个人过往行为数据，可能被用于预测个人未来的犯罪行为和概率，预测结果能否作为对其提前采取强制措施的依据，引发了激烈的法律和伦理讨论；使用内设新型传感器的脑机连接产品正在逐渐变成现实，在造福残障人士的同时，也引发了人们对可能产生的隐私泄露、冲动犯罪和电子毒品等问题的广泛担忧[10-11]。对上述真实案例的课堂讲解和分组讨论，有助于引导学生正确认识科技伦理、生命伦理等问题，增强学生的法律意识、伦理意识、人文情怀和社会责任感。3注重知识网络的融合以及实用性学习和就业引导针对第1章中提到的传感器课堂教学中存在的问题，教师在讲解清楚传感器的测量原理和工作特性等关键内容的基础上，应当适当滤除学生普遍容易感到枯燥、晦涩的内容，减轻学生的课堂学习负担，并利用节省出的课堂时间和精力，结合案例教学法，通过以下三个方面全方位改善教学质量。3.1与电子信息类相关课程融合形成知识网络传感器与电路基础、单片机、嵌入式和射频识别等其他电子信息类课程联系紧密，既存在大量交叉重叠的知识点，相互之间也是一种“你中有我，我中有你〞的共存关系。例如，传感器既可作为其他课程中系统的关键组件，也可利用其他课程中的组件设计和搭建多功能传感器系统。为培养学生的系统整合与综合分析能力，教师可在课堂教学过程中将传感器与相关电子信息类课程进行有机融合，深切进入挖掘和分析传感器与相关课程之间的内在联系，形成一个互联、互通的有机知识网络。例如：从单片机、嵌入式、射频识别或无线传感器网络等电子信息类课程的角度，分析传感器在其他课程体系中的定位，介绍传感器在单片机应用系统、嵌入式应用系统、射频识别应用系统以及其他物联网应用系统中的接口关系和应用流程，总结传感器在电子信息类课程中的共性知识和通用方法。反过来，也可以分析单片机、嵌入式、通信原理等相关课程在传感器课程体系和应用系统中的定位和常用方法。通过将传感器与电子信息类相关课程进行有机关联，引导学生将其在多门课程中获取的孤立知识簇融合成一张完整、有序的知识网，提升学科交叉应用能力。3.2介绍传感器在学科竞赛和毕业设计中的应用由于传统教学内容的抽象和与现实生活的脱节，导致传感器课程在大多数学生心目中的价值仅在于获取对应学分，缺少其他现实意义。事实上，对于电子信息类专业学生来说，在校期间参加的学科竞赛和毕业设计过程中都会牵涉大量的传感器应用，但大多数学生不具备在传感器课程与竞赛、毕设之间自主建立有效联系的意识和能力，教师在传统课堂教学活动中往往也缺少这方面的专项引导。为改变上述状况，使学生真正体会到传感器课程的重要性和实用性，教师应结合案例教学法，引导学生了解不同传感器在竞赛和毕设中的定位和常见用法。以基于单片机的毕业设计为例，多数以单片机为逻辑控制核心，利用不同传感器获取各类感兴趣信息，并将获取的信息通过有线或无线通信的方式传递给单片机，结合人机交互指令或参数设置，由单片机分析和处理接收到的信息，做出相应的决策，然后把结果信息显示到屏幕上，同时控制和驱动动作执行机构完成相应的动作。例如：在基于单片机的室内环境监测系统的毕业设计中，可以选择利用温湿度传感器、有害气体传感器和可燃气体传感器获取室内的相应信息，并将检测结果在一块屏幕上集中显示；如果单片机判断测得的温湿度超过设定阈值，可利用WiFi或蓝牙远程自动打开空调或关闭窗户；如果检测到浓度较高的有害气体或可燃气体，可立即进行声光报警，自动打开窗户并开启排气扇。这样的课堂教学内容和形式更贴近学生的真实需求和认知规律，不仅对今后的毕业设计有所帮助，还能提升学生课堂学习的积极性。由于传统课堂教学侧重于讲授各种传感器的测量原理和特性参数，忽视了对市场上代表性传感器产品的介绍，导致学生不清楚在具体应用中该如何选择和使用传感器。因此，教师有必要就各种传感器的代表性产品向学生多做介绍，包括传感器的型号、外形、售价、主要引脚及其与单片机等的连接、调试方法和典型应用案例，帮助学生在今后的竞赛、毕设和工作中快速上手各类型传感器。3.3开展传感器方向的就业引导毕业后的就业岗位、待遇及发展前景是学生都非常关注的话题。传感器作为国家重点发展的高技术产业之一，对应的工作机会多集中在大城市的高科技园区，有大量高薪岗位，行业发展前景也十分广阔，对电子信息类专业毕业生具有较大的吸引力。学生在校期间，普遍对就业市场和传感器相关岗位的认知程度不足，教师可搜集和整理校招、招聘网站等多方渠道中与传感器有关的就业岗位及待遇信息，开展就业指导，为学生分析用人单位对各类型传感器岗位的具体需求，展望传感器行业的就业动态和发展前景，吸引学生的兴趣，提高学习积极性。教师还应结合典型工程案例，引导学生了解教学资料中很少具体表现出的常见工程问题，培养学生必要的工程意识，增强就业竞争力。例如，在课程实验或毕业设计过程中，传感器通常可以直接使用，且无须考虑成本、美观度、性能和周围环境因素的干扰，只需实现其基本功能即可。而在实际工程项目中，传感器首先需要经过封装、标定等流程，转变为特定输出制式的标准元件，才能用于搭建实际工程系统；使用过程中也必须关注性价比、体积、功耗以及环境等复杂因素。例如，在使用光电传感器根据透光率的变化检测管道内水体化学成分的过程中更需要关注的实际工程问题是：如何去除管道中油污对检测结果的影响；对于玩具厂商来说，在玩具设计过程中传感器的成本、体积和功耗可能比其性能高低更重要。本文中的传感器课堂教学改革措施，一方面有助于培养学生的科学报国情怀、工程职业道德和法律意识，塑造符合“新工科建设〞和“工程教