面向赋能教育的传感器原理及应用教学改革_范文婷.pdf

第 4 期2023 年 4 月 10 日计 算 机 教 育Computer Education中图分类号：G642186基金项目：2021 年度太原科技大学校级教学改革创新项目“基于 MOOC+项目驱动的传感器原理及应用 课程教学改革与实践”（JG2021100）；2022 年度太原科技大学校级教学改革创新项目“面向赋能教育的传感器原理及应用课程教学改革”（JG202268）。第一作者简介：范文婷，女，讲师，研究方向为机器学习、物联网技术，。0引 言在当前新工科建设的背景下，新的形势要求物联网工程专业创新工程教育方式与手段，进一步向以培养学生能力为核心的赋能教育方式转变1-2，以全面提升学生工程、科技创新创造能力。作为物联网工程专业的专业基础课，传感器原理及应用是其他课程的先导，通过该课程可以帮助学生了解各类传感器的工作原理、典型应用等，为培养学生完整的物联网应用系统设计和开发打下坚实基础。该课程具有多学科交叉、知识覆盖范围广、实践性强的特点3-4，但在实际教学过程中，往往以理论讲授为主、实践教学为辅，无法真正提高学生动手实践能力和自主创新能力。同时教学内容也滞后于行业发展和最新技术，工程化程度明显不足，限制了学生分析和解决复杂问题的能力。因此，亟须探究一种面向赋能教育的传感器原理及应用教学模式，结合线上线下混合式教学，重构教学内容、教学方法与评价体系，提高教学质量，为学生全面赋能。面向赋能教育的传感器原理及应用教学改革范文婷，王 晓（太原科技大学 计算机科学与技术学院，山西 太原 030000）摘 要：根据新工科建设新要求，秉持赋能教育新理念，结合现有传感器原理及应用课程教学情况，提出面向赋能教育的课程体系改革方案，从教学内容重构、教学方法改革、教学考核优化方面介绍面向赋能教育的教学改革实践过程，最后通过调查问卷数据说明教学改革效果。关键词：新工科；赋能教育；传感器原理及应用；教学改革文章编号：1672-5913(2023)04-0186-061面向赋能教育的课程教学改革方案传感器原理及应用是物联网工程专业的核心课程，主要以培养学生运用传感器知识解决实际问题的能力为目标，具有内容繁多、学时紧凑的特点。如何在有限教学课时内，使学生从掌握知识达到形成能力？现有的教学模式采用单一的课堂教学方法，往往理论知识占用了大量教学课时，实践教学内容较少且滞后于最新技术和行业进展。随着大量在线资源及课程，如 MOOC 平台、SPOC 平台的蓬勃发展，充分利用线上资源与线下教学混合，重新整体设计课程体系，围绕教学目标，从教学建设、教学实施和教学考核等方面整体规划，将知识传授与能力培养有机融合。面向赋能教育的课程教学改革方案如图 1 所示。在教学建设方面主要包含两大部分：教学资源建设与教学内容建设。教学资源建设主要通过结合本校传感器原理及应用教学内容建设 SPOC资源，为学生提供对应线上学习资源；编制不同类型、不同难度的在线练习题库，为学生巩固所学内容和检验学习成果提供对应资源；录制在线实践教学视频资源，方便学生随时随地、反复观DOI:10.16512/ki.jsjjy.2023.04.007教改纵横第 4 期187看学习和动手实践；建立实践项目库，围绕项目开展知识讲解和实践应用，提高学习效率。教学内容建设主要围绕物联网工程专业教学目标，重构教学内容，缩减如各类传感器原理公式推导等理论教学课时数，增加实践教学课时，如传感器实物展示、智慧小屋传感器应用等，不断构建与知识点紧密结合、生动有趣的教学案例及项目。在教学实施方面主要包含两大部分：组织教学环节和改革教学方法。具体教学环节包括线上学习、课堂教学、项目实现。线上学习由教师引导，学生自学为主。结合线上 SPOC 资源，学生提前预习和了解对应的知识点，并将遇到的难点总结反馈给教师。课堂教学完成重、难点知识的讲解。项目实现以小组为单位，围绕具体实践项目自主设计和编码，将掌握的知识转化为具体的实践应用，培养学生综合应用知识、分析问题和解决问题的能力。在教学方法方面，将线上线下混合式教学、研讨式教学和项目驱动式教学等有机结合，针对不同的教学环节，采取不同的教学方法，提升学生学习兴趣，培养自学能力、提高实践动手能力，真正为学生赋能。在教学考核方面主要包括两个角度的考核机制：形成性考核和总结性考核。形成性考核包括线上学习情况、线上测验、线下作业、主题讨论记录、课内实验表现。总结性考核包括期末考试、项目大作业完成及答辩情况等考核内容，综合运用形成性考核结果和总结性考核成绩，编制达成度分析报告，分析全体学生最终成绩达到课程目标要求的程度。2面向赋能教育的课程教学实践2.1教学内容重构赋能教育即通过教育赋予某个体以能力，包含 3 方面内容：赋予什么能力；赋予谁能力；怎样赋予能力5。传感器原理及应用课程是物联网工程专业的核心基础课，主要目标是通过学习该课程，赋予学生分析和解决问题的能力、实践动手能力和系统设计、开发及维护等能力，为培养高素质复合型工程技术人才打下坚实基础。要想真正达到赋予学生能力，对教学内容进行重新构建与组织是首要环节。传感器原理及应用课程内容繁多，现有教学内容理论教学占用了大量教学课时，同时与物联网行业快速发展所产生的新技术新成果严重脱节。因此，调整教学内容，重构的教学内容体系与对应能力培养结构如图 2 所示。教学内容围绕与实际应用及新技术等密切相关的项目展开，教学过程按整体规划、层次递进的方式组织，分为项目描述及分析、整体设计，传感器分析及选型、传感器讲解、传感器应用和项目总体调试及结果呈现 6 部分。项目描述及分析环节对项目进行问题分析，明确该项目要完成什么任务、达到什么目标，该环节有助于学生分析问题能力的培养。整体设计环节对项目整体实现思路进行设计，有助于学生系统分析能力的培养。传感器分析及选型环节在整体设计的基础上，进行具体项目所用传感器的分析及选型工作，该环节能提高学生的自学能力、创造力和研图 1 面向赋能教育的课程教学改革方案课程教学目标 教学建设 资源 内容 SPOC 课程 理论教学内容 在线题库 实践教学内容 实践视频资源 实践项目库 持续改进 不断完善 教学实施 教学环节 教学方法 线上学习 线上线下混合式 课堂教学 研讨式 项目实现 项目驱动式 教学考核 形成性考核 总结性考核 线上学习情况 期末考试 线上测验 项目答辩 线下作业 主题讨论记录 课内实验表现 达成度分析报告 2023188计 算 机 教 育Computer Education图 2 教学内容体系与对应能力培养结构图项目描述及分析 整体设计 传感器分析及选型 传感器讲解 传感器应用 项目总体调试及结果呈现 问题分析能力 系统整体分析与设计能力 自学能力、创造力、研究能力 知识掌握能力 知识内化、实践动手能力 编码及调试能力、表达能力 教学内容及过程 能力培养究能力。传感器讲解将传感器工作原理、基本结构、测量电路等理论知识贯穿其中，加深学生对理论知识的理解和掌握。传感器应用通过讲解进行实际的项目应用，能帮助学生进一步提高实践动手、系统编码等能力，而最终的总体调试及结果呈现可以有效提高学生的编码、调试能力和表达能力。围绕项目组织教学内容能够真正将理论知识与实际项目结合，在项目选取时可以与最新的技术和成果结合，让学生了解最前沿和最具市场前景的传感器，从实践中来到实践中去，真正解决实际问题。2.2教学方法改革传感器原理及应用课时紧张、内容繁多、难度高，如何在有限的课时内避免教师满堂灌、学生被动听、学习效果差的现象？本文研究采用线上线下混合式教学模式，充分利用学习通资源与线下教学活动有机结合，实现以学生为中心的教与学，提高教学质量。结合 SPOC 平台构建的线上线下混合式教学模式如图 3 所示。在线上，教师课前下发任务单，学生利用学习通平台课前自主学习，观看项目视频和知识点对应课件，了解传感器的基本类型、工作原理、基本结构等理论知识和技术；通过观看实验视频，结合具体应用理解传感器；在线讨论对应传感器相关知识并在线测验，巩固所学。在线下，课堂讲授关注重点和难点，讲解项目涉及的重要或难度较高的知识点。知识拓展主要针对某一类传感器进行扩展，如该类传感器是否有其他型号，不同型号有何区别，还有哪些应用场合等；在实践环节进行项目的具体实现，并利用课堂分组展示项目。线上线下混合式教学是一个有机整体，线上可以减少课堂学时的占用，为线下学习打下基础，线下教学有助于对线上知识进一步理解和内化，更有针对性地提升解决实际问题的 能力。图 3 线上线下混合式教学模式线上线下混合式教学模式 线下教学知识内化 线上教学知识传授 课前任务单 SPOC 自主学习 主题讨论 在线测验 重难点解析 知识拓展 项目实现 项目展示 2.2.1 不同类型、不同难度的配套习题检测知识掌握情况设计和编制形式多样、难度不同的配套习题及实践项目，依托SPOC平台对学生进行由基础到进阶式的检验，获得教学效果的有效反馈，主要包含配套习题库、实践项目题库、期末测试题库。1）配套习题库。配套习题库与相应的理论教学内容相对应，主要考查学生对传感器基本结构、工作原理、测量电路等知识的掌握情况，常用于随堂测验、课后练习等教学环节。教师可根据学生的解答情况有针对性地答疑解惑以及调整教学内容。2）实践项目题库。设计和编制 57 个涵盖各类传感器的项目。其中，4 个是必做项目，例如智慧小屋、智能花卉灌溉等；13 为选做项目，如智能路灯等。必做项目已涵盖课程主要知识点，由学生以小组为单位完成从项目总体设计、传感器选型、系统编码、系统实现的全过程，提升学生的实践动手能力。选做项目难度较高，供学有余力且对物联网技术感兴趣的学生拓展完成。实践教学项目采用“实验视频指导学生系统设计课堂答疑解惑课堂项目展示课后总教改纵横第 4 期189结反思”的教学过程。在学期之初由教师发布到SPOC 平台，学生可参考实验视频资源、网络文献等设计项目。实验课上学生进行实物连接、程序编码调试，教师针对学生共性问题统一讲解，针对个性问题提供一对一指导，最终共同完成项目实现。课后由学生提交实验报告和实验总结与反思。3）期末测试题库。期末测试题库主要用于期末对整学期学生整体学习情况的考查，相较于配套习题库，综合性更强，期末测试题库的考核结果可为教师改进教学内容和教学方法提供借鉴。2.2.2 线上线下混合式教学赋予能力提升要有效开展线上线下混合式教学，需要将教学内容和教学方法有机结合，精心安排教学过程和组织教学活动。传感器原理及应用课程的教学过程及使用的教学资源和教学方法如图 4所示。图 4 线上线下混合式教学过程课前预习 课堂学习课后复习 线上线下混合式教学过程资源及内容 线上 SPOC 资源 教材 课堂理论教学 随堂测验 主题讨论 课堂项目实践及成果展示 SPOC 平台课后练习 实验报告 总结反思 能力培养 分析问题 自学能力 实践动手能力 团队协作能力 表达能力 总结能力 反思能力 教学方法 引导式 项目驱动式 项目驱动式 问题导向式 合作+探究式 反馈式 教学过程分为课前预习、课堂学习、课后复习 3 个环节。（1）课前预习主要通过线上 SPOC 平台开展，围绕某一独立项目，学生了解该项目基本功能，分析用到的传感器，查阅文献和教材内容学习该类传感器基本结构、工作原理、测量电路等知识，找到疑难问题。例如智慧小屋项目涉及光照传感器，通过查阅资料以及 SPOC 自建的学习资源，学生可以了解常用光照传感器的种类和不同类型光照传感器原理及结构的不同。（2）课堂教学主要指线下课堂，包括理论内容讲授和实验课。理论内容讲授主要进一步阐述重难点知识，并通过随堂测验、主题讨论等方式检验学生对知识点的掌握情况。例如针对不同类型光照传感器进行详细讲解，并以小组为单位进行主题讨论，给出每组要实现智慧小屋光照检测，要选用的光照传感器及该传感器的优缺点等。实验课上学生实现具体项目，例如各传感器的连接，信息的处理、通信等。教师根据学生实验情况提供指导，并查看学生的项目最终成果展示。（3）课后复习主要通过线上完成，采用反馈式教学方法，学生通过