新工科背景下“传感器原理与应用”课程教学改革初探

作者:未知

  摘要:针对“新工科”建设背景下“传感器原理与应用”课程的本科教学,以一流应用型人才的培养目标为宗旨,通过线上线下混合式教学改革,项目化课程建设,跨学科课程设计的探索,在课程教学考核设计的保障下,激发学生的学习兴趣,使学生能够独立地完成项目的研发,提高学生分析问题与解决问题的能力,真正做到手脑并用,学做合一。
  关键词:新工科;教学改革;课程建设
  中图分类号:TP212;G642 文献标志码:A
   文章编号:2095-5383(2020)02-0105-04
  Abstract: For the undergraduate teaching of the “Sensor Principles and Applications” course under the background of “New Engineering”, with the aim of training first-class applied talents, through online and offline mixed teaching reform, project-based curriculum construction, and interdisciplinary curriculum design, students interest in learning can be stimulated, students can independently complete project research and development, and  students ability to analyze problems and solve problems can be improved under the guarantee of curriculum teaching assessment design. So that students can truly use both hands and brain, and learn to be one.
  Keywords:new engineering; teaching reform; course construction
  
  以智能化与信息化为特征的第四次工业革命给人类带来深刻变革,应用信息物理系统(CPS)实现智能化生产成为时代主流。为推动新工业革命下工程教育的变革与创新,2016年10月,第一届高等教育峰会在成都举行,首次提出“新工科”概念。国家推动创新驱动发展,实施“一带一路”倡议和“中国制造2025”“互联网+”等重大战略,以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展,对工程科技人才提出了更高要求,迫切需要加快工程教育改革创新。
  在以上背景下,一大批新工科专业如“智能制造工程”“物联网工程”“机器人工程”“数据科学与大数据工程”应运而生。而在这些新工科专业的课程体系中,“传感器原理与应用”课程承担着重要角色。人才培养的关键在于专业建设,而专业建设的根本又体现在课程建设上。因此,必须以“新工科”理念引导“传感器原理与应用”课程进行教学改革,顺应工程教育改革,加快“新工科”工程科技人才的培养步伐。
  目前,学界关于“传感器原理与应用”课程的教學改革做了大量的研究,其中,胡博文[1]建立了“传感器与检测技术”在线开放课程并提出新技术融入教学,教学形式多样化等观点;赵月容[2]提出让学生通过创新项目的设计,激发他们的学习自主性与参与项目的热情;徐新黎[3]也通过缩减理论教学内容,扩充应用型教学内容等方式进行了课程建设。研究者从不同方面进行了课程教学改革研究,但缺少结合应用型本科高校的特点,综合提高一流应用型人才的培养质量的相关研究。
  因此,本文针对“传感器原理与应用”课程,结合应用型本科高校的特点,从以下3个方面展开研究:1)通过线上线下混合式教学改革提升学生学习兴趣;2)通过项目化课程建设让学生在毕业时能够具有用人单位所需要的知识、能力和素质;3)通过跨学科课程设计提高学生的自主创新能力。在课程教学考核设计的保障下,完成本课程的教学改革探索,顺应地方性高校应用型人才的培养目标。
  1 课程教学方法现状
  “互联网+”“工业4.0”“中国制造2025”等发展战略正前所未有地推进工业化与信息化的深度融合,重构新时代人们的工作模式、生活和思维方式。先进的信息技术成为引领国家迈向高度现代化的支撑性技术之一,传感器应用位于信息链的首端,能够获取非电量信号并将其转换为容易传输和处理的电信号,在智能制造领域也起到了不可替代的作用。以创新融合为核心的数字经济呼唤“新工科”建设,“传感器原理与应用”被赋予了历史新使命。
  “传感器原理与应用”课程的内容涉及仪器仪表、电子电工、计算机、智能感知、光电检测、信息安全、人工智能等基础理论和技术,知识覆盖面较广,各章节内容相对独立,是一门实践性很强的课程。在传统的教学过程中,教师在课堂上讲授电阻式、电感式、电容式、压电式、磁敏式、热电式、光电式等各种传感器的工作原理,测量电路分析、以及各种传感器的工程应用,知识点多且复杂,理论学习枯燥且难以理解,导致学生出现能力鸿沟和听课倦怠的问题。再加上传统的教学课堂缺乏教学效果反馈,教师往往不知道学生听懂多少。单一的教授过程使学生参与不够,学习兴趣和积极性不高,导致学习体验差,对课程的理解感到茫然,导致教师撬不动学生学习的杠杆[4]。 因此,围绕新工科背景下一流应用型人才的培养目标,对“传感器原理与应用”课程进行适当的教学改革显得尤为必要。
  2 课程教学改革的主要内容
  2.1 线上线下混合式教学改革
  线上线下混合式教学即在教师面授的传统教学方式中引入慕课视频资源,融入“雨课堂”等信息化教学工具,以“学生为主体,教师做引导”的教学理念为指导,使学生在这种新型教学环境下自由、自主地对课程进行学习。这种线上线下混合式教学模式,使得课堂教学活动突破时间、空间的限制,从本质上改变传统教学活动中师生间的关系和课堂的整体架构,从而让学生达到“在生活中学习,在学习中生活”的理想学习状态[5]。   课堂引入同类应用型高校“传感器原理与应用”慕课资源,遵循“以学生为中心”的教育理念,进行线上线下混合式教学改革。通过以下几点在课程教学中对学生进行有效能力训练。
  1)设计针对性的课前导学
  课前,引入慕课视频,任务化引导学生进行时间规划、自我约束,有效提升学生的执行能力和行为能力。通过慕课视频,引导学生进行自主学习,包括知识点挖掘、归纳总结、知识应用、文献查阅,锻炼学生的学习能动性和自学能力,促使学生高参与度的有效自主学习行为发生。
  2)课堂中讨论式智慧教学
  课堂中,学生以小组为单位进行知识点讨论,案例分析,习题解答。通过这种讨论式智慧教学法让学生们发生思维碰撞、头脑风暴,这种互动不仅提高了学生在学习中的参与程度和兴趣,还培养了学生的沟通交流能力以及团队合作意识、集体荣誉感、成就感等。
  3)基于“雨课堂”的线下教学
  课后,借助信息化智慧教学工具——“雨课堂”软件,用信息化手段,关注学生信息技术时代的需求,解决或改善传统教学问题,实时检测学生学习效果。设置“主观题小组作战”,提高解题效率的同时培养团队协作能力;通过小组互评,学生换角色参与,加深对知识的理解,增加学生学习兴趣,切实改善了学生学习体验,有效提升学生课堂注意力、抬头率。
  2.2 项目化课程建设
  项目化课程是指根据地方产业发展需求和职业能力培养需求,将专业课程中的教学内容设计成训练学生某方面具体技能的项目。以具体项目作为教学的主题,从专业特点和职业发展出发,有助于引导学生更加积极主动地参与,培养学生的综合分析能力、实践操作能力、团队协作能力[6]。
  考虑工厂企业在实际检测生产过程中出现的状况以及面临的问题,再结合“传感器原理与应用”课程所学理论内容,设置项目化课程的项目题目。学生需要按照项目化课程要求的步骤,分配小组,合理选择项目题目,小组制定项目计划,编写项目实施任务书、中期抽查报告、项目结题汇报等程序。通过大量的市场调研自主完成传感器的选型、测量电路的设计、检测平台的搭建以及后续信号的采集和处理。最后,学生以小组或个人的形式将项目成果以PPT和实物的方式展现给指导教师和同学,并让指导教师给出指導意见,同学参与互评[7]。将项目融入课程是一种全新的教学模式,更加注重学生在参与项目的过程中所带来的收获,而不仅仅是项目本身或结果。
  在“新工科”的大背景下,基于项目化课程建设的教学方法旨在将课程理论与工厂实践有机结合,一方面有助于学生掌握理论知识,将理论和实践有机融合;另一方面可以通过做项目的方式促进学生之间的合作,提高学生的协作能力,团队意识,并为他们今后的职业生涯打下坚实的工作基础[8]。
  2.3 跨学科课程设计
  区别于传统单一课程独立授课的封闭式教学模式,跨学科课程教学通过给学生介绍跨学科的专业知识来引导学生结合跨学科知识解决“传感器原理与应用”课程中所面临的问题。跨学科课程设计不仅扩展了学生的知识面,还启发他们的跨学科思维[9]。
  在“传感器原理与应用”课程的智能测力传感器设计中,学生首先进行头脑风暴,进行智能产品的概念设计,再进行作品展示,并分组讨论修改方案。由于智能测力传感器的设计需要高等数学、力学、电子电工、大学物理及材料学等课程知识,因此学生可以借助不同学科,进行传感器设计的可行性分析,并筹划与准备相关硬件与材料。
  在引入跨学科课程设计后,“传感器原理与应用”就不再是单一的学科课程,而是让学生利用所学的课堂知识如传感器检测原理、各种测量电路的特点、传感器的应用等内容再结合相应的跨学科知识,如数理统计、金属材料学、电路分析基础等去针对不同的测试环境设计具体传感器及测试系统。
  跨学科课程设计,以多学科知识认知规律为主线,帮助学生自主构建知识体系,进行应用型实践学习。培养了学生的跨学科思维,同时又锻炼了学生自主学习能力和操作实践能力[10]。
  3 课程教学考核设计
  对于“传感器原理与应用”课程,如果只通过笔试方式进行考核,会存在考试内容重理论轻实际,对学生综合能力考查不到位等问题。为了加强过程考核,避免学生出现“平时不努力,考前搞突击”,调整现有的教学考核方式,提升课程过程性考核的比例[11]。
  3.1 作业习题成绩
  占总成绩10%。选择课后习题中以重难点为考查内容的题目,优选加深概念、拓展思路的基础题目,适当增加考查综合应用能力的分析题目或者计算题。教师根据学生作业的自主完成度、解题思路正确度、是否掌握答题要点等方面对作业习题成绩进行综合评定。
  3.2 课堂表现成绩
  占总成绩30%。针对本文提到的线上线下混合式教学和项目化课程教学,结合学生在课堂的实际参与讨论情况,积极主动程度,团队协作表现等方面进行评定。以讨论金属应变片的测量电桥为例,教师通过学生正确理解金属丝式应变片结构和主要特性的程度、查阅相关资料并讨论分析产生温度误差的主要原因和相应的补偿方法、参与小组讨论的积极性、资料收集和对问题的分析处理能力、主动提出设想、与他人协作等方面,综合课堂讨论表现进行成绩评定。
  3.3 项目化课程成绩
  占总成绩30%。针对本文提到的项目化课程建设和跨学科课程设计,结合项目化课程题目,根据学生对工程测量环节的把控程度,检测原理的正确理解程度,测量电路的设计合理程度以及检测平台搭建的规范程度等方面进行成绩评定。
  同时,在课程项目答辩环节中,根据学生的项目阶段进展情况、项目报告和成果展示PPT答辩情况等进行评定,其中包括学生对概念的理解能力、分析设计能力、表达能力、总结能力、团队协作能力等进行评定。教师针对课程项目在学生成果展示答辩环节提出问题,主要考查学生对传感器原理的理解程度、对所选传感器有关特性及测量技术的掌握程度、对传感器应用中所遇问题的分析与解决程度等[12]。   3.4 期末试卷成绩
  占总成绩30%。期末考试试题覆盖课程教学大纲,包括选择、填空、分析和计算4类题型,试卷以简单题和中等难度题目为主。内容以考查原理及应用性知识题为主,主要从传感器的工作原理、测量电路、传感器的应用以及综合计算等方面进行考核。
  4 结论
  在发展“新工科”的背景下,围绕一流应用型人才培养目标,即应用型本科院校以一流应用型人才培养体系,培养能够将成熟的技术和理论应用到实际生产的技能型人才。对“传感器原理与应用”课程教学改革进行探索。通过线上线下混合式教学改革,项目化课程建设,跨学科课程设计,在课程教学考核设计的保障下,教学改革取得了一定的成效:越来越多的学生能够在课堂提高注意力,课堂讨论气氛也逐渐变得活跃,学生的学习兴趣明显提高,项目化课程实验环节学生的积极性也被充分调动起来,进一步提升了我校一流应用型人才的培养质量。
  参考文献:
  [1]胡博文.“新工科”背景下《传感器与检测技术》课程建设探讨[J].南方农机,2019,50(9):213,221.
  [2]趙月容,陈良.工程专业认证背景下基于创新项目的传感器与检测技术课程教学改革探索[J].黑龙江教育(理论与实践),2019(6):16-17.
  [3]徐新黎,许金山,姜娓娓.以工程应用能力培养为目标的传感器与检测技术课程建设探索[J].计算机教育,2019(5):22-24.
  [4]罗嘉庆,周世杰.跨学科课程教学研究与案例[J].计算机教育,2013(1):11-13.
  [5]赵曼,何千舟.跨学科《人工智能》课程教学探讨[J].中国地质大学学报(社会科学版),2013(S1):95-96.
  [6]张慧波,董艳杰,陈亚东.高职应用化工技术专业课程体系改革与项目化课程建设实践[J].职业教育研究,2010(9):35-36.
  [7]谷业龙.学科融合教学与跨学科联合教研的探索与尝试:基于核心素养导向的校本课程设计[J].物理通报,2019(5):6-8.
  [8]何彬彬,全兴文,周纪,等.跨学科通识教育课程设计与教学实践:以电子科技大学核心通识课全球化时代的环境问题为例[J].大学教育,2019(8):28-30.
  [9]王杨,朱少晖.基于项目化课程的混合式教学模式探索[J].安阳师范学院学报,2017(5):143-145.
  [10]唐小方,陈晓旭,袁富贵,等.《混凝土结构设计》课程教学及考核方式改革的研究与实践[J].江西建材,2017(1):255.
  [11]任舰.“传感器原理与应用”课程改革探索[J].科教文汇(上旬刊),2019(2):85-86.
  [12]张新贺,曲强,高闯,等.“以学生为中心”的传感器与检测技术课程教学改革探讨[J].电子测试,2019(2):84,122-123.
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