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傳感器課堂教學(xué)改革措施探究

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傳感器課堂教學(xué)改革措施探究

摘要:根據(jù)“工程教育認(rèn)證”“新工科建設(shè)”和“思政教育”等政策導(dǎo)向,考慮高校物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)傳感器課程教學(xué)中普遍存在的內(nèi)容枯燥、實(shí)用性差等問題,對(duì)傳感器課程的教學(xué)改革進(jìn)行了初步探索。一方面,明確了“新工科建設(shè)”和“工程教育認(rèn)證”背景下的學(xué)習(xí)目標(biāo),探討了加強(qiáng)思政教育和工程德育的必要性和具體方法;另一方面,討論了將傳感器與相關(guān)電子信息類課程融合形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)以及注重與傳感器相關(guān)的學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、就業(yè)引導(dǎo)的意義和實(shí)施思路。上述措施既能很好地契合國家教育政策的最新導(dǎo)向,又能站在學(xué)生角度摒除繁冗枯燥且意義較小的傳統(tǒng)講授內(nèi)容,增加大量實(shí)用內(nèi)容,使學(xué)生在課堂中收獲更多,提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:傳感器;思政教育;工程德育;知識(shí)網(wǎng)絡(luò);學(xué)科競賽;畢業(yè)設(shè)計(jì);就業(yè)引導(dǎo)

0引言

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)工程、電氣工程及其自動(dòng)化等電子信息類專業(yè)的核心課程。近年來,“工程教育認(rèn)證”“新工科建設(shè)”和“思政教育”成為我國高等教育發(fā)展和改革的新方向[1-2],不僅需要注重對(duì)電子信息類專業(yè)學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新精神、實(shí)際動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成,還要求學(xué)生具備正確的價(jià)值觀、工程道德和法律意識(shí)[3-4],這無疑對(duì)傳感器等電子信息類專業(yè)課程的教學(xué)提出了更新、更高的要求。因此,有必要對(duì)傳感器的課堂教學(xué)改革開展新的探索。

1傳感器課堂教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題

作為現(xiàn)代信息系統(tǒng)的源頭,傳感器主要用于各類信息的獲取。目前,傳感器已被我國以及美國、歐洲、日本等國家視為與科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全密切相關(guān)的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù),發(fā)展速度非??欤嚓P(guān)的新技術(shù)、新材料和新應(yīng)用也層出不窮[5]。傳感器的測量對(duì)象范圍很廣,包括力學(xué)量、光學(xué)量、電學(xué)量、熱工量和化工量等,涉及學(xué)科領(lǐng)域眾多,內(nèi)容繁雜且彼此間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)[6]。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程中,講授內(nèi)容集中于各種傳感器的測量原理、制造材料、結(jié)構(gòu)特征、計(jì)算公式推導(dǎo)、測量電路分析、經(jīng)典應(yīng)用介紹以及誤差原因分析與補(bǔ)償措施等,不僅涉及抽象的物理、化學(xué)理論分析和數(shù)學(xué)公式推導(dǎo),還包括大量的孤立知識(shí)點(diǎn)。繁冗枯燥的課程內(nèi)容對(duì)學(xué)生的理解和記憶都是很大的負(fù)擔(dān),容易引起反感情緒,壓抑課堂氣氛,學(xué)生的實(shí)際收獲也不大。另外,傳感器的新技術(shù)、新應(yīng)用發(fā)展迅速,教材內(nèi)容更新明顯滯后,課堂講授內(nèi)容與行業(yè)現(xiàn)實(shí)情況脫節(jié)嚴(yán)重,難以反映傳感器的最新發(fā)展和用人單位的實(shí)際需求,與在校期間的其他學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)術(shù)活動(dòng)的契合度也很低,導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情普遍不高,學(xué)習(xí)積極性不能充分調(diào)動(dòng),難以獲得理想的教學(xué)效果。

2明確學(xué)習(xí)目標(biāo)及加強(qiáng)思政教育和工程德育的具體方法

2.1明確相關(guān)政策背景下的學(xué)習(xí)目標(biāo)

在“新工科建設(shè)”和“工程教育認(rèn)證”背景下,不僅要求學(xué)生熟悉各種傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、測量電路和性能特點(diǎn)等理論知識(shí),還要能夠合理選擇和熟練使用各種傳感器的代表性產(chǎn)品,具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力;能夠把握傳感器的未來發(fā)展趨勢,具備對(duì)傳感器新技術(shù)、新材料和新應(yīng)用的跟蹤、消化能力;還需要具備與傳感器相關(guān)的職業(yè)道德和法律意識(shí),避免在傳感器的研發(fā)和使用過程中出現(xiàn)違反法律或社會(huì)公序良俗的情況發(fā)生。教師應(yīng)主動(dòng)將上述學(xué)習(xí)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為教學(xué)目標(biāo),所有教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置和實(shí)施都要緊密圍繞上述目標(biāo)。

2.2加強(qiáng)思政教育

通過在課堂上融入思政元素,實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力,促成從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變、從“學(xué)為小我”到“學(xué)為大我”的學(xué)術(shù)志向提升,使專業(yè)教育與思政教育相互促進(jìn)[7]。傳感器課程的思政教育,既可以從我國目前在該行業(yè)的困境和風(fēng)險(xiǎn)角度切入,也可以從我國傳感器行業(yè)的歷史發(fā)展機(jī)遇和業(yè)已取得的多項(xiàng)突破談起。例如,介紹目前我國傳感器的制造工藝、制造設(shè)備、設(shè)計(jì)軟件、研發(fā)投入、應(yīng)用水平與世界先進(jìn)水平之間的差距以及大部分高端傳感器市場仍被國外占據(jù)的現(xiàn)狀,存在大量利潤流向國外和少量關(guān)鍵領(lǐng)域隨時(shí)可能被卡脖子的問題;也可以向?qū)W生說明國家已經(jīng)出臺(tái)大量綱領(lǐng)性文件和優(yōu)惠政策,正在大力推進(jìn)先進(jìn)傳感器行業(yè)的發(fā)展;介紹國內(nèi)優(yōu)秀的傳感器企業(yè),如歌爾聲學(xué)、大華股份、華天科技等,以及傳感器產(chǎn)品在各型號(hào)衛(wèi)星、火箭運(yùn)載工具和地面測控設(shè)備的航天電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[8]。目前,我國傳感器行業(yè)是挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存的,應(yīng)該讓學(xué)生感受到國家科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,激發(fā)民族自豪感,鼓勵(lì)學(xué)生弘揚(yáng)科學(xué)報(bào)國的光榮傳統(tǒng),把個(gè)人理想自覺融入國家發(fā)展偉業(yè),積極投身到我國先進(jìn)傳感器行業(yè)的發(fā)展建設(shè)中。

2.3加強(qiáng)工程德育

工程德育是用工程、系統(tǒng)和理論的方法進(jìn)行工程師的道德教育,符合理工科學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)、認(rèn)知方式、成長規(guī)律和現(xiàn)實(shí)需求,是高校思政教育的必要延伸,也是堅(jiān)持社會(huì)主義辦學(xué)方向、辦好讓人們滿意的教育的根本要求[9]。教師可結(jié)合案例教學(xué)法,就傳感器在研發(fā)和使用過程中可能涉及的道德、法律和倫理問題對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程德育。例如:智能手機(jī)APP可在用戶不知情且無須系統(tǒng)授權(quán)的情況下,利用手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器采集揚(yáng)聲器所發(fā)出聲音的振動(dòng)信號(hào),竊聽用戶語音;基于圖像傳感器的各類隱藏式針孔攝像頭大量被用于偷拍,嚴(yán)重侵犯了人們的隱私,毒化了社會(huì)風(fēng)氣;基于多種傳感器獲取的個(gè)人過往行為數(shù)據(jù),可能被用于預(yù)測個(gè)人未來的犯罪行為和概率,預(yù)測結(jié)果能否作為對(duì)其提前采取強(qiáng)制措施的依據(jù),引發(fā)了激烈的法律和倫理討論;使用內(nèi)設(shè)新型傳感器的腦機(jī)連接產(chǎn)品正在逐漸變成現(xiàn)實(shí),在造福殘障人士的同時(shí),也引發(fā)了人們對(duì)可能產(chǎn)生的隱私泄露、沖動(dòng)犯罪和電子毒品等問題的廣泛擔(dān)憂[10-11]。對(duì)上述真實(shí)案例的課堂講解和分組討論,有助于引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科技倫理、生命倫理等問題,增強(qiáng)學(xué)生的法律意識(shí)、倫理意識(shí)、人文情懷和社會(huì)責(zé)任感。

3注重知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的融合以及實(shí)用性學(xué)習(xí)和就業(yè)引導(dǎo)

針對(duì)第1章中提到的傳感器課堂教學(xué)中存在的問題,教師在講解清楚傳感器的測量原理和工作特性等關(guān)鍵內(nèi)容的基礎(chǔ)上,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)濾除學(xué)生普遍容易感到枯燥、晦澀的內(nèi)容,減輕學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),并利用節(jié)省出的課堂時(shí)間和精力,結(jié)合案例教學(xué)法,通過以下三個(gè)方面全方位改善教學(xué)質(zhì)量。

3.1與電子信息類相關(guān)課程融合形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)

傳感器與電路基礎(chǔ)、單片機(jī)、嵌入式和射頻識(shí)別等其他電子信息類課程聯(lián)系緊密,既存在大量交叉重疊的知識(shí)點(diǎn),相互之間也是一種“你中有我,我中有你”的共存關(guān)系。例如,傳感器既可作為其他課程中系統(tǒng)的關(guān)鍵組件,也可利用其他課程中的組件設(shè)計(jì)和搭建多功能傳感器系統(tǒng)。為培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)整合與綜合分析能力,教師可在課堂教學(xué)過程中將傳感器與相關(guān)電子信息類課程進(jìn)行有機(jī)融合,深入挖掘和分析傳感器與相關(guān)課程之間的內(nèi)在聯(lián)系,形成一個(gè)互聯(lián)、互通的有機(jī)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。例如:從單片機(jī)、嵌入式、射頻識(shí)別或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等電子信息類課程的角度,分析傳感器在其他課程體系中的定位,介紹傳感器在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)、射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)以及其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中的接口關(guān)系和應(yīng)用流程,總結(jié)傳感器在電子信息類課程中的共性知識(shí)和通用方法。反過來,也可以分析單片機(jī)、嵌入式、通信原理等相關(guān)課程在傳感器課程體系和應(yīng)用系統(tǒng)中的定位和常用方法。通過將傳感器與電子信息類相關(guān)課程進(jìn)行有機(jī)關(guān)聯(lián),引導(dǎo)學(xué)生將其在多門課程中獲取的孤立知識(shí)簇融合成一張完整、有序的知識(shí)網(wǎng),提升學(xué)科交叉應(yīng)用能力。

3.2介紹傳感器在學(xué)科競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的抽象和與現(xiàn)實(shí)生活的脫節(jié),導(dǎo)致傳感器課程在大多數(shù)學(xué)生心目中的價(jià)值僅在于獲取對(duì)應(yīng)學(xué)分,缺乏其他現(xiàn)實(shí)意義。事實(shí)上,對(duì)于電子信息類專業(yè)學(xué)生來說,在校期間參加的學(xué)科競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中都會(huì)涉及大量的傳感器應(yīng)用,但大多數(shù)學(xué)生不具備在傳感器課程與競賽、畢設(shè)之間自主建立有效聯(lián)系的意識(shí)和能力,教師在傳統(tǒng)課堂教學(xué)活動(dòng)中往往也缺乏這方面的專項(xiàng)引導(dǎo)。為改變上述狀況,使學(xué)生真正體會(huì)到傳感器課程的重要性和實(shí)用性,教師應(yīng)結(jié)合案例教學(xué)法,引導(dǎo)學(xué)生了解不同傳感器在競賽和畢設(shè)中的定位和常見用法。以基于單片機(jī)的畢業(yè)設(shè)計(jì)為例,多數(shù)以單片機(jī)為邏輯控制核心,利用不同傳感器獲取各類感興趣信息,并將獲取的信息通過有線或無線通信的方式傳遞給單片機(jī),結(jié)合人機(jī)交互指令或參數(shù)設(shè)置,由單片機(jī)分析和處理接收到的信息,做出相應(yīng)的決策,然后把結(jié)果信息顯示到屏幕上,同時(shí)控制和驅(qū)動(dòng)動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作。例如:在基于單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中,可以選擇利用溫濕度傳感器、有害氣體傳感器和可燃?xì)怏w傳感器獲取室內(nèi)的相應(yīng)信息,并將檢測結(jié)果在一塊屏幕上集中顯示;如果單片機(jī)判斷測得的溫濕度超過設(shè)定閾值,可利用WiFi或藍(lán)牙遠(yuǎn)程自動(dòng)打開空調(diào)或關(guān)閉窗戶;如果檢測到濃度較高的有害氣體或可燃?xì)怏w,可立即進(jìn)行聲光報(bào)警,自動(dòng)打開窗戶并開啟排氣扇。這樣的課堂教學(xué)內(nèi)容和形式更貼近學(xué)生的真實(shí)需求和認(rèn)知規(guī)律,不僅對(duì)今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)有所幫助,還能提升學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性。由于傳統(tǒng)課堂教學(xué)側(cè)重于講授各種傳感器的測量原理和特性參數(shù),忽視了對(duì)市場上代表性傳感器產(chǎn)品的介紹,導(dǎo)致學(xué)生不清楚在具體應(yīng)用中該如何選擇和使用傳感器。因此,教師有必要就各種傳感器的代表性產(chǎn)品向?qū)W生多做介紹,包括傳感器的型號(hào)、外形、售價(jià)、主要引腳及其與單片機(jī)等的連接、調(diào)試方法和典型應(yīng)用案例,幫助學(xué)生在今后的競賽、畢設(shè)和工作中快速上手各類型傳感器。

3.3開展傳感器方向的就業(yè)引導(dǎo)

畢業(yè)后的就業(yè)崗位、待遇及發(fā)展前景是學(xué)生都非常關(guān)注的話題。傳感器作為國家重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一,對(duì)應(yīng)的工作機(jī)會(huì)多集中在大城市的高科技園區(qū),有大量高薪崗位,行業(yè)發(fā)展前景也十分廣闊,對(duì)電子信息類專業(yè)畢業(yè)生具有較大的吸引力。學(xué)生在校期間,普遍對(duì)就業(yè)市場和傳感器相關(guān)崗位的認(rèn)知程度不足,教師可搜集和整理校招、招聘網(wǎng)站等多方渠道中與傳感器有關(guān)的就業(yè)崗位及待遇信息,開展就業(yè)指導(dǎo),為學(xué)生分析用人單位對(duì)各類型傳感器崗位的具體需求,展望傳感器行業(yè)的就業(yè)動(dòng)態(tài)和發(fā)展前景,吸引學(xué)生的興趣,提高學(xué)習(xí)積極性。教師還應(yīng)結(jié)合典型工程案例,引導(dǎo)學(xué)生了解教材中很少體現(xiàn)的常見工程問題,培養(yǎng)學(xué)生必要的工程意識(shí),增強(qiáng)就業(yè)競爭力。例如,在課程實(shí)驗(yàn)或畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中,傳感器通常可以直接使用,且無須考慮成本、美觀度、性能和周圍環(huán)境因素的干擾,只需實(shí)現(xiàn)其基本功能即可。而在實(shí)際工程項(xiàng)目中,傳感器首先需要經(jīng)過封裝、標(biāo)定等流程,轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ㄝ敵鲋剖降臉?biāo)準(zhǔn)元件,才能用于搭建實(shí)際工程系統(tǒng);使用過程中也必須關(guān)注性價(jià)比、體積、功耗以及環(huán)境等復(fù)雜因素。例如,在使用光電傳感器根據(jù)透光率的變化檢測管道內(nèi)水體化學(xué)成分的過程中更需要關(guān)注的實(shí)際工程問題是:如何去除管道中油污對(duì)檢測結(jié)果的影響;對(duì)于玩具廠商來說,在玩具設(shè)計(jì)過程中傳感器的成本、體積和功耗可能比其性能高低更重要。

4結(jié)語

本文中的傳感器課堂教學(xué)改革措施,一方面有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)報(bào)國情懷、工程職業(yè)道德和法律意識(shí),塑造符合“新工科建設(shè)”和“工程教育認(rèn)證”要求的人才;另一方面可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)好傳感器知識(shí)對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競賽和職業(yè)生涯都具有現(xiàn)實(shí)助益,可能的多重回報(bào)將極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,從而改善教學(xué)效果,并使學(xué)生真正從課堂受益。近年來,在所在高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)《傳感器與檢測技術(shù)》課程中對(duì)教學(xué)改革措施進(jìn)行小范圍試行,已取得初步成效,學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)積極性比往年有明顯改善,綜合考核成績也有所提升。下一步需要結(jié)合國家政策導(dǎo)向、傳感器行業(yè)的最新發(fā)展和學(xué)生的反饋信息改進(jìn)和細(xì)化上述教改措施,持續(xù)提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

作者:袁博 單位:南陽理工學(xué)院信息工程學(xué)院