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传感器课程“多元化”与“透明化”的双向融合教学模式探索

2024-08-20 84 上传者：管理员

摘要：鉴于当前传感器课程教学过程中存在的问题，本文提出了通过建立“多元化”理论教学模式和“透明化”实验教学新模式以达到改变传感器课程常规教学模式的目的，并采取线上线下相结合的方式进行新教学模式的实施，该新思路可为同类型课程提供借鉴。

关键词：
传感器
多元化
教学模式
电子信息技术
透明化
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随着电子信息技术的飞速发展，传感器技术广泛应用于工业、民用、医疗、环境、安保、交通和军事等领域，在集成电路系统的信号采集环节中起着决定性的作用[1-2]。因此，传感器技术是自动控制类、电子信息类专业的一门重要技术实践课程。此外，传感器技术涵盖材料学、光学、机械学、生物学和化学等学科领域，具有交叉多分支的特点，有着极大的研究意义[3-4]。国内外所开的传感器课程各有特色，国外一流大学对于“传感器”课程的理论建设十分成熟；国内如国家级精品课程“传感器技术及应用”也发展成为特色的本科生专业基础课。通过学习该课程，学生能掌握传感器的基本组成结构、工作原理、应用领域等，能根据需求设计对应的传感系统，以增强学生动手能力，培养学生的开拓创新精神，改善学生的思维方式。

一、当前传感器课程教学模式所存在的问题分析

(一)教学模式受传统教学影响大

随着互联网技术的快速发展，各种网络资源、知识共享已成为现实。然而，当前很多传感器课程的教学模式主要还停留于“书本理论教学+观摩式实验”的按部就班线下模式，未能将网络平台或互联网技术有效地融合起来，教学模式的改革未能跟上科技的变革，导致课堂教学效率低下，成效不足。

(二)理论教学缺乏创新

理论教学过程中仍然是选用一本书作为教材，教学方法主要是由教师对学生采取教材和内容庞大的PPT讲授传感器的传感机理、传感系统的组成结构和传感器的应用方向等，所停留的年代较为久远，知识体系虽丰富但不够新颖和精炼，教材较为陈旧，涵盖的传感器新类型，新结构特点，应用涉及哪些新领域，过于浅显，不够前沿。

(三)实验教学缺乏吸引力

在传感器课程实验教学中，由于实验室设备的限制，传感器实验主要为小组分批次“观摩+实操”的方式，传感系统的封闭性致使学生只能观测到数据采集的结果，而难以将所学理论知识与实验相结合。使只有少部分较为积极的同学能很好地参与到其中，而大多数同学很难真正参与到其中来，而丧失对传感器实验的兴趣，进而丧失学习传感器的能动性，形成对理论知识的杜绝吸收与敷衍实验教学的恶性循环。

(四)教学资源单一

教学资源单一与匮乏也是现今传感器课程的一个关键问题。仅仅一本《传感器技术与应用》很难让学生对传感器有更全面的认识，很难再提起学生的学习兴趣，且在规定学时授完课，学生对于传感器课程的学习也很难达标。PPT也只是换了个方式继续讲述书本上的内容，对于那些抽象且晦涩难懂的原理，没有达到以易于学生接受的方式讲授，如缺少生动形象的对于传感器原理的动画教学。

二、传感器课程理论教学和实验模式改革的新思路

(一)总体思路

针对当前传感器课程教学过程中存在的诸多问题，进一步使学生深刻体会传感器的精妙之处，通过转换传统教学模式、拓展知识传播途径等方式，实现“一维”理论教学进阶为“多维”理论教学是非常必要的。将“多元化”学习模式与“透明化”实践模式结合起来，改善学生课堂和实验室的学习氛围，形成高效的理论课堂与实践课堂共融，促进学生成为能满足新工科发展的高级创新型、复合型、应用型的优质工程人才。

(二)具体实施

1.建立多元化的理论教学模式

由于科学技术和信息化技术的迅猛发展，理论教学的阵地早已突破时间和空间的界限。针对新形势和新要求，本文提出的“多元化”主要体现在课程教学模式、课堂教学方法、教学资源种类等方面的多元化。具体将从以下几方面论述。

一是课程教学模式的“多元化”。借助超星学习通、慕课等平台实现线上、线下和线上线下混合式教学模式。线上教学方面，一方面，谋划好课前，发布和转发与传感器技术对应的微课、讲座视频，让学生自主观摩学习，并完成相应的线上试题测验；另一方面，安排好课后，针对学生在对知识的转化、消化和强化过程中反馈的问题进行线上互动或远程指导。线下教学方面，开展基于多种教学方法的课堂高层次知识教学，并通过线下课堂教学的反馈以及课堂翻转暴露的问题，优化线上教学的设计、自主学习过程和学习成效评价。线上线下混合式教学方面，以混合式教学模式的需求为核心，充分利用网络平台和互联网技术将线上线下深度融合的模式走深走实，不断调整教学制度，为传感器技术混合式教学模式的顺利开展与推进提供良好的制度与体系保障，让线上教学与线下教学的教学环境互相协同。

二是教学方法的“多元化”。学生作为课程的主体和培养对象，通过反向设计将他们应具备的能力作为传感器原理及应用的课程目标。根据该课程性质，课程目标具体包括知识、能力和素养三个层面的目标。为了达成学生各方面的课程学习目标，在不同目标的达成过程中采取不同的教学方法。知识层面上，传感器技术课程要求学生掌握各种传感器的基本概念和基本原理，采用讲授式和情景式的教学方法，帮助学生深入理解传感器的基本概念及其特性。能力目标层面上，传感器技术课程要求学生掌握不同传感技术在不同领域的应用，采用讨论式和探究式的教学方法，鼓励学生将理论知识转化为自主实践能力。素养层面上，传感器技术课程要求学生能够从具体的应用案例中获得感悟，感受传感器技术举足轻重的作用，采用案例式和启发式教学方法，通过灌输巧妙的思政点，如“崇尚科学精神”“实践是检验真理的唯一标准”等，培养学生严谨认真的职业态度，提升学生发现问题、认识问题和解决问题的能力。

三是教学资源的“多元化”。教学资源的多元化不仅可以促进教师与学生之间更好地教与学、降低教学成本、避免资源浪费，而且更能够拓展学生的学习视野和增强学生学思践悟的创新能力，让学生最大限度地利用教学资源，不受时间和空间的限制。课堂教学资源方面，首先，打破单一教材界限，选用关于传感器技术方面的经典书籍作为参考教材，融通多本教材；其次，大力推进“教研相长”,将传感器领域的最新科学研究成果作为教学案例资源，有机地融入课堂教学。线上教学资源方面，收集传感器产品网站、学术网站、课程网站、讲座网站等作为拓展学生知识面的线上教学资源。

2.建设透明化的实验教学模式

新工科教育对工程专业课程的实践教学方面提出了更高的要求，不仅要在理论教学模式的与时俱进上花精力，而且要在促进理论和实践教学的融会贯通上下功夫。课程实践教学环节不仅能够促进学生巩固和应用所学的理论知识，培养学生创新思维和解决问题的能力，还能够促进学生团队合作和沟通能力的培养。因此，针对传感器技术实验教学提出了一种“透明化”模式，其“透明化”主要体现在以下四个方面：

一是实验教学目的透明化。实验目的的透明化是保证实验效果和学生实验目标达成的重要前提。在实验开始前，将传感器实验目的清晰地阐述给参与实验的学生，以便有针对性地设计实验方案和确定实验方法。实验目的主要包括掌握各种传感器的工作原理与使用方法、传感器检测电路设计方法、误差分析与标定方法等。明确实验总体目的后，教师可以有针对性地设计梯度实验类别。

二是实验操作步骤透明化。实验操作步骤的透明化是保证实验操作规范、准确和安全的关键。因此，在实验开始前将传感器实验的步骤详细地列出和阐述。尤其地，在关键实验操作时，借助视频资料进行多次回放和讲解。对于授课教师而言，不仅要对所有实验的操作流程需要烂熟于心，而且需要根据不同类别的传感器实验(如基础性实验、强化性实验、综合性实验、创新性实验等)所能达成的实践能力目标进行精准施教。

三是实验过程透明化。传感器实验过程主要包括实验原理传述、实验模块切分、实验结果分析等环节。实验原理的透明性是保证学生和教师产生实验设计思路的基础。在实验过程中，将传感器实验所依据的基本原理和理论知识进行详细阐述，以便学生能够更好地理解实验的设计原理。同时，对于涉及的相关学科知识，进行必要的讲解和说明，以便学生能够更好地理解实验内容。对于实验模块切分环节，将传感器分为各个模块，由不同小组成员分别进行研究，研究顺序可在组内循环，不同小组成员经过讨论、交流，将模块化的实验串联起来达到“化零为整”的目的，该环节旨在锻炼学生的团队合作意识、动手实践能力、开拓创新精神和“理论结合实践，实践反证理论”等能力。对于实验结果分析环节，针对特殊的传感器实验现象和数据进行解读，教会学生挖掘实验背后的理论诠释，帮助学生去发现自己对于理论知识的欠缺，从而强化对理论知识的理解。

四是实验模式的透明化。传感器课程实验模式可以将线上的虚拟仿真实验与线下的实际操作实验分别进行。线上实验采用COMSOL和MATLAB等软件通过网络教学平台进行传感器课程的仿真模拟给定的实验项目。开展线上虚拟仿真实验时，学生的线上虚拟仿真实验过程将被记录在网络教学平台上，其目的主要是引导学生自主预习实验，提前熟悉实际操作实验的基本原理，从而为线上实际操作实验的顺利进行提供保障。开展线下实际操作实验时，采取“透明化、放大化”的教学模式。“透明化”主要是把集成的传感系统拆分为各个独立模块，将教学班级分为若干个小组，由小组的各位成员轮流调试不同的模块，交流探讨各个部分的作用；“放大化”则是采用大模型还原关键微型部位的工作机理，如石英的压电效应机理可以用打火机的电子点火器进行演示。其优势在于：一是提高了实验教学的成效，也提升了学生的自主学习积极性；二是加快了学生获取信息的速度，使学生摆脱了“时—空”的固定学习模式，能随时随地在移动设备端进行学习资源共享、模拟仿真实验讨论等学习讨论；三是更容易暴露出学生自主学习过程中的问题，为精准施教提供了明确的指导方向；四是契合了以成果为导向教育(Outcome-based Education, OBE)的基本理念[5-6]。

3.多元化理论教学与透明化实验教学的双向结合

本科生传感器课程“多元化理论教学+透明化实验教学”打破了常规教学模式，无论是以何种方式开展理论教学与实验教学，其最终目的都必须是以成果为导向的模式。对于新工科背景下的教学模式，“多元化”理论教学与“透明化”实验教学必然是两个相互依存和相互促进的关键环节。在开展教育教学过程中，将两者真实地结合起来，一方面可以大大提高教学效果和教师的教学能力，另一方面也能够落实好基于OBE理念的课程教学成果。就传感器课程而言，将从以下四个方面深入阐述“多元化”理论教学与“透明化”实验教学双向结合的关键点。

一是理论与实验互相促进。传感器理论教学与传感器实验教学之间存在互相促进的关系。一方面，实验可以验证理论的正确性和实用性，帮助学生更好地理解和掌握理论知识；另一方面，理论知识可以为实验提供指导和支持，帮助学生更好地完成实验。这种互相促进的关系可以激发学生的学习兴趣和动力，提高他们的学习效果。

二是提高教学效果。传感器理论教学与实验教学相结合，可以显著提高教学效果。通过实验验证理论，学生可以更好地理解和掌握理论知识，提高学习效果。同时，通过理论指导实验，学生可以更好地发现和解决问题，提高实践能力和创新能力。这种双向结合的教学模式可以激发学生的学习兴趣和动力，提高他们的学习效果。

三是培养学生能力。传感器理论教学与实验教学相结合，可以培养学生的工程检测应用实践能力和创新能力。通过实验操作，学生可以培养自己的实践能力和科学素养。同时，通过理论知识的运用和迁移，学生可以培养自己的创新能力和解决问题的能力，这种双向结合的教学模式可以提高学生的综合素质和竞争力。

四是推动学科发展。传感器理论教学与实验教学的双向融合，可以推动相关学科的发展和创新。通过实验验证理论，可以发现和解决学科中的问题，推动学科的进步和发展。同时，通过理论指导实验，可以推动实验技术的发展和创新，如指导“蓝桥杯”“双创”“挑战杯”等

各种大学生创新创业比赛。

三、结语

传感器课程开设以来，以新思路转变了教学模式，其教学效果初见成效。线上线下相结合的多元化理论教学模式的应用，提高了学生资料组织与自主讨论的能力，促进了学生的主动思维能力，让“教”与“学”距离更近。线上线下相融合的透明化实验教学模式的应用，提高了学生将理论应用实践的能力，加深了学生对工程概念的认识，更容易激发学生的创新思维。找准理论教学与实践教学的融合点和关键点，不仅抓住了新工科背景下的教学改革契机，而且也能够促进OBE理念的贯彻落实。

参考文献:

[1]平续斌,刘永奎.面向创新创业教育导向的课程改革——以“传感器原理与应用”课程为例[J].教育教学论坛,2021,45:71-74.

[2]范秀伟,申沂明,姜守振.基于混合式教学的《传感器原理与应用》课程改革[J].山东师范大学学报(自然科学版),2021,36(02):201-206.

[3]陈阳,杨敏,李澄非.新工科背景下传感器与检测技术课程改革与实践[J].教育现代化,2020,7(41):82-84.

[4]李全福,彭慧玲,朱君,等.《传感器与检测技术》课程改革探索[J].广西物理,2020,41(04):83-84.

[5]李静,艾志伟,杨春山,等.新工科背景下传感器与检测技术课程教学模式探索与实践[J].教育观察,2020,9(06):53-54+60.

[6]庞留勇,胡淑珂,陈敏,等.基于OBE理念的课堂教学质量评估模式探究[J].高教学刊,2023,9(29):102-107.

基金资助:西华师范大学人才培养质量和教学改革项目申报书,第124号(项目编号:403793);

文章来源:许章亮,李志凤.传感器课程“多元化”与“透明化”的双向融合教学模式探索[J].科技风,2024,(23):120-122.