传感器技术线上线下混合式教学探索

曹 暾 苏 莹

（大连理工大学光电工程与仪器科学学院 辽宁大连 116024）

2018年，教育部在《教育信息化2.0行动计划》文件中提出要建成“互联网+教育”大平台，发展基于互联网的教育服务新模式、探索信息时代教育治理新模式，该计划推动教学活动的开展向更加多元化方式发展。2020年经历新冠肺炎疫情以来，线上教学更是成为主流教学手段之一，据调查表明，甚至有45.9%的教师自疫情后仍继续采取线上教学的方式，但对于诸如传感器技术这种理工类课程，单纯的视频讲解枯燥乏味，很难调动学生学习的主观能动性，而且许多测试理论和方法需要实验验证才能真正理解，否则面临真实工程应用就可能会展露出理论与实践脱节的现象。采用线上线下混合式的教学方式，讲授各种传感器工作原理理论和实践测试方法并行，有助于培养学生独立思考的能力，加深对所学知识的融会贯通，但具体的实施仍然存在一些问题。

一、传感器技术课程特点

传感器技术和通信技术、计算机技术构成了当今信息社会的三大支柱，传感器技术是现代检测仪器仪表和自动测控系统的重要技术基础。它具有理论基础深厚、实践性强、内容更新快、与多学科交叉融合的特点，是一门综合性的技术基础学科。学好这门课程不仅可以加强对原有专业知识的理解，还有助于学生提高动手能力和掌握测试技术的基本方法，初步具备进行自主实验、设计、解决测控技术相关的科学问题和实际工程问题能力，也为将来从事技术工作和科学研究奠定扎实的基础[1]。

二、课程教学中存在的问题

教师在常规的教学中容易掌控课堂的主动性，可以根据学生的接受程度与反馈情况及时地调整讲课节奏，而采取线上教学之后，受一些技术条件和伦理性因素的限制（如尊重学生的隐私），教师难以与所有学生进行视频对话，课堂气氛沉闷，甚至又恢复到了传统“填鸭式”教育，无法发挥学生的主体地位。课堂教学内容多以讲述传感器工作原理为主，学生只是当作一门必修课，被动地研修学分、应付考试，并未深刻认识到传感器技术学习的重要意义以及未来的实用价值，缺乏端正的学习态度[2-4]。实验教学以验证性实验为主，内容单一；市售的实验装置多为封装后的成品，学生在实验过程中只是被动地按照实验指导书进行简单的线路连接操作，对核心元器件及工作原理涉及甚少；所需的实验装置及选型均已确定，并未根据所需的功能进行自主设计与探索，无法提高学生的创新能力和实际动手能力；实验教学课时有限，很难完整实施从传感器选型、购买、电路设计及性能验证的全过程。成绩评定方法仍以闭卷考试为主、实验为辅助，考察内容以名词解释、简答题、计算题为主，多数为靠记忆即可突击通过的内容，并不能真正检验学生对知识的掌握和运用情况，无法体现学生的实际能力，对课程的教学效果评价也会产生错误的引导。

三、教学设计改革

为了应对上述课程教学中存在的问题，从教学内容和教学方式上入手进行改革，提出课程特色化设计的四项原则。

1.思政融合课程教学

为落实“既教书又育人”根本任务，在培养学生以实现专业课程知识目标和能力目标的同时，也应引导学生树立正确人生观及价值观，增进其社会责任感、团队合作精神、爱国主义情怀等，培育有使命与担当的新时代青年[5-7]。

如在讲述传感器应用时，结合时政热点，提高学生的责任感和使命感。传感器在本次疫情管控中发挥着极为重要的作用。全国多地的医院、车站、机场等人流密集的公共场所发热人员筛查和监控要用到红外测温仪和红外热成像仪，它们就像是一双双探知热量的眼睛，能快速找出并追踪体温较高的人员，其核心就是红外传感器。在此次危重病人抢救以及抑制病毒扩散中，诸如智能化呼吸机、监护仪、制氧机、负压救护车等新技术医疗产品更是发挥了重大作用，传感器领域的新技术正在深度重构医疗健康行业，也展现出人类应对突发“大考”的智慧与韧性，能够激发学生学习的兴趣，增强学生科研报国的使命感[8]。

此外，还要在课程中融入专业历史、伟大人物、先进事迹，将成就他们的伟大精神与专业课程知识点相结合来达到教学目的。比如说讲授新型传感器技术的发展，除了技术上要多路并行，从新材料、新工艺、新系统等多角度思考，还需要有一颗不畏艰难、坚定的心。如在华为电子芯片、5G技术的自主研发等典型事例中，5G技术从提出开始就存在着诸多的不确定因素，它的研发和标准制定都尚不明确，华为团队凭借“敢为天下先”的精神，聚集了大量通信领域的顶尖科学家和算法领域的数学家，甚至包括获得国家科技进步奖特等奖荣誉的行业顶尖人才，依靠坚实的技术储备攻坚克难，在发布前的测试更是经历了重重障碍：自主研发和搭建测试系统、上百万次电话拨打、超200TB以上测试数据级积累、多重复杂场景及通信条件深度测试及优化，其每月测试人员的行程总里程高达8万公里，相当于绕地球赤道两圈，可想而知测试任务有多复杂艰巨。希望以此事例，能够激励学生，在未来的科研攻关中，秉持着锲而不舍精神、甘于奉献精神、不畏艰难、勇于创新以及团队合作精神等[9]。

2.做好与前后修课程的合理衔接

该课程的学习需要以先修课程如《微积分》《大学物理》《电工技术》《电子技术》《控制工程基础》《误差理论与数据处理》为前提，在后续课程《智能仪器仪表技术》《精密机械与仪器设计》的学习以及生产实习、毕业设计等环节中起着重要的支撑作用。该课程与前后修课程共同形成了完整的综合能力培养体系，综合应用所学的专业知识，更好地使用现代测控与分析工具与现代测试与误差分析等技术，分析解决关于智能仪器与设备的设计、开发、项目管理等方面复杂工程问题的能力，是培养具有创新意识和综合实践能力的专业人才的重要环节。通过将《误差理论与数据处理》中学到的误差理论用于评判和衡量传感器的质量，有效地将学生头脑中数学和工程实际问题之间关联起来，通过误差分析及相应的补偿，可以对传感器进行校正，由此帮助学生建立用数学思维模式来解决工程问题的意识，将学习的知识体系做到前后贯通与关联，帮助学生理清大学期间各门课程之间的逻辑性和衔接性，提升学生的工程意识；同时还强调了本课程在后续课程《智能仪器仪表技术》中的作用，在构成原理、数据处理、仪表自检、故障分析及设计开发等多个方面都提供了良好的理论基础，这也提醒学生要认真看待所学的课程内容，要学会融会贯通所学的课程，用联系的客观普遍性辩证地去学习和处理问题，提升自身的思辨能力[10]。

3.专题讨论将学习行为群体化

面对线上教学过程中存在的师生无法实时互动的难题，在教学环节增加专题讨论环节，采取小组合作式学习，将个体的学习行为群体化，引导学生之间相互交流与讨论，充分调动学生参与课堂的积极性，以任务要求为目标，促使学生以团队形式合理制订工作计划，能够虑及个体间的差异互补分工、协同完成工作任务；培养学生能够通过查阅专业书籍、期刊、学习网站、论坛等多渠道自主深入学习传感器先进技术，了解并归纳国内外发展现状，形成清晰明了的学习思路，并能通过学习具备不断适应发展的能力；培养学生能以答辩汇报、设计文稿的方式清晰地表达、展示与分享成果，提高学生的思维表达能力，以期能在日后的工作中与业界同行及社会公众进行顺畅的沟通和交流；专题讨论的内容可以适度拓展，根据所调研的内容可以涉及学术前沿，还可以是尚未完全成熟的理论，以更好地发散思维，提高学生的创新能力；为了有较为客观的评判标准，专题讨论的组织形式保持统一，包括资料收集、PPT制作、PPT讲解等。在这个过程中，既需要学生独立思考，形成自己独特的见解，又需要团队的协作完成。将专题讨论纳入教学环节中，摆脱了传统的教师主体地位，极大提高了学生的参与度，充分发挥了其主观能动性。

4.融入学科发展最新成果

在传感器课程实践教学中，融入学科发展的最新成果，除了传统传感器原理的验证实验外，还增加传感器材料加工与结构设计环节。以大连市新型功能材料与光电子器件重点实验室为依托，组织学生参观传感器各元器件加工、制造的过程，更近距离地接触传感器，增进对传感器的了解与认识，让学生提早进入实验室，感受科研学术的浓厚气氛。对于感兴趣的同学，可以此为契机，提早加入科研团队，以“兴趣驱动-项目牵引-竞赛导向”为创新人才培养目标，提升专创融合能力、实践能力和创新能力，实现定制化培养，促进学生个性化发展。

如在讲述生物传感器时，随着传感器技术的不断发展，以及对器件微型化、集成化、智能化的新要求，传统的器件材料已经难以满足其性能需求，而需要开发新的材料。在这方面结合课题组在超材料、微纳材料方面的研究基础，介绍双曲超材料用于葡萄糖浓度检测的生物传感器，给学生打开一片新的视野，不仅限于自然界已有的材料，也可以根据所需的功能进行材料设计，超材料的设计思想是前沿新颖的，这一思想是通过突破某些表观自然规律的限制，在物理结构上进行多样化设计获得超常的材料功能，这一新型材料的出现也拓宽了一个新的研究领域。“一代材料，一代装备”，材料上真正的革新，才能形成具有自主知识产权的产品，才能彻底摆脱国外公司的技术垄断。

四、考核方式改革

期末成绩由闭卷考试、平时成绩、实践成绩和专题讨论成绩四部分构成，各部分所占比例分别为 40%、10%、30%、20%。平时成绩主要包括线上或线下课堂参与表现及课后作业情况；实践成绩主要包括实验报告撰写及实验完成情况等；平时批改作业进行量化分级定分，并对批改作业进行讲评；为了提高学生的课堂参与度，对课堂上与老师良性互动的学生给予加分奖励；专题讨论主要包括小团队协作能力、PPT成果讲解及交流回答情况等；考试内容除了涵盖名词解释、简答题、计算题外，还增加了案例分析题和情景性的论述题，能够测试出学生在学习过程中对知识融会贯通的领悟情况，从而更好地检验教学的效果。

结语

传感器技术是一门极具实用价值的专业课，在测控专业的学习中起到承上启下的作用。为落实科学家座谈会上的“加强创新人才教育培养”，以及两院院士大会和中国科协第十次全国代表大会提出的“培养创新型人才是国家、民族长远发展的大计”的要求，对该课程的教学内容及考核标准进行改革，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的创新能力和实际动手能力。在今后的教学中，我们也将为进一步培养“未来科学家”的目标不断努力。