基于项目驱动的传感器原理及应用教学设计_郭仁甲.pdf

1引言传感器原理及应用为多学科交叉的教学内容，通常作为电气自动化技术、计算机电子信息技术、物联网技术等专业的必修课程。因而从“项目驱动”的构思、设计与实践角度出发，对现有的传感器基础理论知识、项目实践案例作出组织整合，引入在线教学平台、校外实践基地，改革创新传感器课程的教学内容、教学方法、实践交互模式及教学评价，采用线下教学与线上教学相结合的教学模式，实现传感器理论原理、实践及应用的综合性教育目标。2项目驱动教学模式的主要内容概述项目驱动教学最早为美国教育家凯兹(Katz,L.G.)提出的教学理论，其指出“学生不同学科知识的学习，往往是在自主建构条件下完成的，包括理论知识、职业技能与行为、态度与价值观，都是通过以行动为导向获得的”。1而我国所倡导的项目驱动教学法，则包括教育家陶行知的“教学做一体化”理念，以及CDIO工程实践教育模式，也即构思(Conceive)、设计(Design)、实践(Implement)、运作(Operate)教学法，旨在由教师为引导、学生为中心，开展各学科专业课程的项目引导教学、自主实践学习。现阶段高校不同专业或学科实施的项目驱动教学，通常包含项目任务明确、项目规划制定、项目信息资源收集、项目实践实施、项目考核评价等内容。因而在理工类专业课程教学中，高校教师通常需围绕着某一项目或实践案例，以项目基本原理、实践应用技术为主线，设置课前、课堂与课后教学的执行流程如下：（1）选取某一知识点的典型项目，作为教学任务案例，构思出项目驱动的教学知识体系；（2）针对重要基础理论知识、课内外实践内容，创设问题导向的教学情境、规划设计课程教学环节；（3）将课内教材内容、课外互联网理论，应用到项目实践案例教学中，由教师引导、学生自主参与，形成理论与实践资源的融合，实现由教师“讲授式”教学到学生“自主探究式”学习的转变。3当前传感器原理及应用课程教学存在的问题3.1课程缺乏以学生为主的教学知识体系当下各高校在传感器原理及应用系统化教学体系的设置中，往往存在着以教师为主导、教材为主要内容的组织问题。2其一，学科教师忽视不同学生的专业理论知识掌握、实践应用学习状况，只是根据自身的教学经验、学科实践性，整合现有的理论教学内容、项目实践案例，难以激发学生的自主学习、课堂参与积极性。其二，传感器原理及应用课程内容，与电气自动化、计算机信息化、物联网工程、测控技术与仪器等专业存在着紧密关联，但以教材为主要内容的课程设置方式，使得专业课程形式化、应试教育化现象严重。3.2课程缺乏网络教学平台、实践实训室部分高等院校受限于扶持政策、财政发展资金的匮乏，在线上线下项目实践教育平台的建设方面仍旧滞后。多数高校对于传感器原理、传感装置应用实践的教学，通常还是采用多媒体软件、PPT课件等网络设备，组织整合传感器原基于项目驱动的传感器原理及应用教学设计郭仁甲（盐城师范学院物理与电子工程学院，江苏盐城224007）摘要：随着计算机电子信息化技术、电气及其自动化技术的迅猛发展，对多种感知传感器、无线传感器的应用需求在不断增加。但由于传感器内容具有分散性、实践应用性的特征，使得传感器原理及应用课程教学面临着巨大困难。基于项目驱动教育理念指导下，在传感器原理及应用课程教学中，高校教师应采取以项目为主线、教师为引导、学生为主体的教学模式，构建起线上线下融合的教学平台，创设问题导向教学情境，开展在线演示、自主探究、作业测试、师生交互、问题解答等的传感器原理实践教学，改进与完善课前、课中与课后的全流程教学评价体系，从而提高传感器原理教学质量、学生实践应用能力。关键词：项目驱动式；传感器原理及应用；教学；设计中图分类号：G642；TP212-4文献标识码：A文章编号：1008-6609(2022)10-0106-04作者简介：郭仁甲（19 8 7），男，江苏盐城人，博士，讲师，研究方向为电子信息类课程教学、半导体激光器及光子集成芯片。电脑与电信教学改革-106DOI:10.15966/ki.dnydx.2022.10.015理及应用的理论知识内容、实践案例，作为课堂教学演示内容，但缺乏与其他高校联合，构建慕课(MOOC)、微课网络线上教育平台。同时高校也较少与校外社会企业合作、设置项目实践基地，为师生提供项目参与、实践应用学习的机会，难以保证传感器原理及应用课程的实训教学质量。3.3课程内容的分散性强、教学课时数少传感器原理及应用教材知识内容，涉及电学、力学、光学、声学、热学、磁学等多方面的知识，存在着学科范围较广、知识分散性强的问题，这对教师专业课程教学带来了较大难度和压力。3如计算机专业的单片机电路设置中，存在着一系列的光电传感器、压力传感器、温湿度传感器、超声波传感器；物联网工程专业的智能互联系统中，也设置有RFID射频识别器、红外感应器、激光扫描仪等传感装置。而有关传感器原理及应用课时的设置方面，一般工科专业只提供58个教学课时，且将传感器实现原理、实践应用内容，穿插于其他课程的教学活动之中，不利于传感器专业课程的系统化、全面化教学。3.4课程教学资源、项目实践的融合性低项目驱动课程的基础理论知识、实践案例教学之间的脱节，是传感器原理及应用课程面临的另一主要问题。例如在计算机科学技术专业课程中，教师通常会搜集传感器元件、内部模块、设备安装与存放、信号输入/输出、等效电路图的教学资源，向学生讲解传感器使用、电路连接、信号传输与实现的基本原理，能够帮助学生系统化掌握电压、电流等的转换方式，电路通断的控制模式。但从具体传感器原理及应用项目或案例的实践教育来看，往往缺乏将传感器理论、公式、模型，与实际社会实践案例相结合的组织设计，学生也很难把抽象的传感器原理、技术理论知识，与不同电路图设备连接的方案作出关联，不能保证多种传感器设备、内部模块在实验中的合理连接与应用。3.5课程实践交互、教学评价的导向性弱当下高校课堂对于传感器原理及应用的项目实践教育，仍然存在着以教材知识为主导、教学流程形式化的问题。教师很少引导学生参与课外项目实践，极少与其在线下课堂、线上平台展开“一对一”的沟通交流、疑难问题探讨，使得学生的传感器理论知识学习、实践应用能力得不到提升。4另外，仅仅针对教材任务、应试考试成绩的教学评价，既忽略了课前、课中与课堂的教学实施情况，也不能反映真实的传感器原理及应用课程教学成效与成果。4基于项目驱动理念的传感器原理及应用课程教学设计策略研究项目驱动教学法在传感器原理及应用课程中的使用，主要围绕着项目教学目标、教学过程、教学评价等方面内容，以项目或系统开发案例为主，进行传感器原理理论知识、实践技术与应用的教学设计，深化学生自主探究、小组合作、师生互动实践等的综合性教育，最终达到实验项目演示教学、学生传感器理论与实践能力全面提升的目标。4.1建构以学生为主的传感器项目教学知识体系传感器原理及应用教材中存在着一系列的传感器，因而传感器自身特性、传感器与系统电路之间的协调配合，成为相关课程教学活动开展的重要方向。5这一情况下，需要以学生为中心、项目理论与实践内容为课程核心知识点，设置系统化的项目驱动式教学知识体系，为学生传感器原理、物联系统或电路的实践应用学习提供支持。具体的传感器原理及应用课程教学项目体系设计如表1所示。4.2创设以网络交互实践平台为主的教学情境高校计算机科学技术、电气自动化、物联网工程等专业课程的教学，应由专业院系管理者提供教学政策、财政资金支持，引入慕课、微课、翻转课堂等网络在线教育平台，并与校外企业形成联合，建立传感器原理及应用实践实训基地，测量类别温度测量力的测量位移和厚度测量速度与加速度测量测量使用传感器装置热电阻测量温度热电偶测量温度红外传感器测量温度应变式传感器测量力压阻式传感器测量力电容式传感器测量位移自感/互感式传感器测量位移磁电式传感器测量速度霍尔传感器测量转速压电式传感器测量加速度实验教学项目铂电阻测温特性实验热电偶测温及冷端温度补偿实验应变片测量电桥性能实验压阻式传感器测量压力实验电容式传感器的位移特性实验霍尔传感器测量转速实验压电式传感器测振动加速度实验表1传感器原理及应用课程教学项目体系设计电脑与电信教学改革-107用于具体的传感器项目或案例驱动教学。在此基础上，针对单片机电路、无线传感网联系统的开发要求，创设以环境信息监测、智能控制为主的课程教学情境，包括问题引导、实践启发导向的教育情境。如以智能小屋传感器网联系统的开发教学为例，教师可先向学生提出问题：“物联网智能系统中通常会用到哪些传感器？”之后引出光敏传感器、声敏传感器、压阻式传感器、霍尔传感器等传感装置，向学生讲解不同传感器的特性参数、工作原理，以及物联网重叠组网、网关组网过程中，多种无线传感器节点的网络连接、信道数据传输方式，使学生逐步明确不同传感模块的功能实现方式，掌握传感器基本工作原理、项目实践执行步骤。4.3创新课程理论内容、理实融合的教学方式传感器原理及应用课程教学内容、教学方式的改革创新，需遵循由浅入深、由易到难的层次化教学理念，完善现有的传感器基础理论知识、项目案例、实验实践内容。6首先对于传感器原理及应用教学内容的改革创新，结合不同学生的逻辑与抽象思维、学习成绩状况，搜集与整合出 传感器原理及应用 教材的重难点知识，并从课外引入有关单片机与传感器、无线传感器信息采集的内容，设置具体的电气自动化电路控制、物联网工程等仿真实验项目，作为传感器原理及应用课程的教学内容。其次，在项目驱动传感器教学方式的创新方面，由教师借助慕课线上平台、社会实践基地，依据具体的传感器项目，进行课堂教学课件演示、在线视频展示、作业测试、小组及师生交互的实践教学，开展与传感器相关的项目大赛，引导学生深入到某一传感器设置的项目中，了解传感器装置的连接方式、设置与工作原理，自主探究传感器实践应用的疑难问题，以及通过小组讨论、师生交互的方式解决问题，可大大提高项目驱动的课程教学质量。4.4改进与完善传感器应用课程的教学评价传统传感器原理及应用课程教学的质量评价，往往围绕平时考试成绩(20%)、期中考试成绩(20%)、期末考试成绩(60%)展开，这一评价模式过于注重应试教育、考试成绩的结果考核，忽视了课前、课中的教学环节考核评价。因此，从项目驱动的理论与实践综合性教育角度出发，设置师生出勤、在线项目演示、传感器原理分析、课堂互动讨论、课内外应用实践、作业测验等的教学考评要素，加强教师课程教育、学生传感器理论与技术应用的全方位评定，以保证传感器原理及应用教育评价的真实性、客观性。5结语高校设计型、验证型项目驱动的实验教学，对传感器原理及应用课程教学质量好坏，具有重要的作用。因此，传感器原理及应用课程的项目实践教育，作为以项目驱动、成果导向为主的教学模式，要在项目教学活动开展前，建设网络在线教学平台、校内外实践实训基地，制定融合传感器基础原理知识、实践应用案例的教学知识体系，由教师根据不同专业的单元设置、重难点知识关联性，设置出多种问题引导式教学情境，创新与完善传感器课程基础原理、项目实践教学内容，以及开展一系列的学生自主实践、师生沟通交互教育，从而逐步引导和指导学生完成传感器理论、实践应用原理的学习。参考文献：1赵桂艳，徐今强，徐国保传感器与检测技术课程项目式教学法探究J 中国现代教育装备，2 0 2 1(11)：110-112 2 陈宝国，陈磊，邓明基于“学习通”平台的混合教学模式研究与实践以操作系统课程为例J 计算机教育，2 0 2 1(2)：8 5-8 8 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，2 0 19(5)：2 2-2 44蒋小菲，李论，刘国敏物联网专业 传感器与检测技术 课程教学模式改革研究J 教育现代化，2 0 18(2)：44-45+50 5陈芳，周菁菁项目驱动下的 嵌入式原理及应用教学改革J 数字通信世界，2 0 2 1(7)：2 8 3-2 8 46 许明春，张君诚，赖祥亮，等产教融合背景下项目驱动创新班的设计与实践J 吉林农业科技学院学报，2 0 2 0(3)：58-6 1电脑与电信教学