刘春阳 黄 艳 蔡海潮 尚振东 徐巧玉 徐彦伟 徐 恺

河南科技大学 河南洛阳 471003

传感器是科学研究中信息数据的源头，也是工程应用中信息获取的关键。在工业4.0、智能制造以及物联网的推动下，传感器技术及其应用无处不在[1,2]。因此，在高校的机械类、仪器仪表类、自动化等专业人才培养，尤其是与科学研究和工程实践联系紧密的研究生培养过程中，更应该加强传感器原理及应用知识的介绍，帮助学生掌握信息获取的理论、方法，构建智能化装备系统设计的知识体系，提升学生的创新思维和解决问题的能力。

新型传感器原理及应用课程正是针对各种类型的传感器原理、特点、应用、数据的分析处理方法等进行深入的讲解与介绍。而在教学实践过程中也发现了一些问题与不足[3]，例如：教学内容与专业应用、行业需求结合不够紧密，专业知识讲解过于着重理论介绍，学生所学理论与实践互动不足，无法达到综合能力提升的效果。因此，为了改善教学效果，提升教学质量，十分有必要对本课程展开教学改革与探索。

1 教学内容改革

新型传感器原理及应用课程，教学内容也应随着时代的发展而不断地完善。教学团队先后参考国内高校的教材和课件自主编写了课程的相关教材，包括2006年由西安电子科技大学出版社出版的《测试技术基础》，2015年由西安电子科技大学出版社出版的《传感器原理及应用》[4]，2018年由清华大学出版社出版的《机械工程测试技术》[5]。这些教材结合机电工程领域及行业应用需求，结合本科生、研究生培养目标，对传感器及其相关内容进行了完善和修订，形成了现在的教学内容。

本课程目前以研究生授课为主，重点介绍机电工程领域常用的传感器以及光电传感器、生物传感器、化学传感器、MEMS传感器、超声波传感器、无线传感器网等新型智能传感器原理、特点、应用和分析处理方法。结合智能制造和人工智能技术的应用背景和发展热点展开理论教学。

全部课程共32学时，其中理论教学部分分为15个章节，留有2个学时的课题调研讨论汇报时间。第1章绪论介绍传感器定义及其分类、测量系统的信息模型、传感技术的地位与作用、传感技术的发展现状与趋势。第2章传感器的理论基础包括传感器获取信息的基础理论及物理定律，应用于新型传感器的敏感材料介绍。第3章传感器的构成理论讲解传感器与被测量的关联与构成，传感器的制造工艺以及传感器的静态、动态特性指标的评价，不失真测量的条件。第4章传感器的应用基础讲解传感器测量的原理和方法，量值的传递与溯源，传感器的标定与校准，误差来源及分析，噪声抑制方法以及抗干扰措施，传感器选用的原则。第5章光电传感器介绍光电式传感器的组成及特点，光电探测器件及弱信号探测技术，激光传感技术，红外传感技术等。第6章光纤传感器讲解光纤的基本概念，光纤用光源和传输连接器件，光纤传感原理，光纤光栅传感技术。第7章视觉传感技术介绍机器视觉的理论，视觉传感测量技术的发展，图像传感器，3D视觉传感技术，智能视觉传感技术，视觉传感技术的应用。第8章声表面波传感技术讲解声表面波的主要性质和激发过程，压电效应及其本构方程，声表面波特性的理论分析，声表面波传感器技术及应用。第9章讲述生物传感技术，介绍生物传感器的工作原理、发展与分类，生物传感技术的分子识别原理与技术、生物传感器仪器技术及其应用。第10章化学传感技术讲解化学传感技术的工作原理、分类，气敏化学传感技术及其应用，湿敏化学传感技术及其应，离子选择电极及其应。第11章前沿传感技术讲述包括微机电传感器、软测量与软传感器、模糊传感器、混沌测量、仿生传感器的前沿传感技术。第12章现代传感系统讲述现代传感系统的组成特点和发展趋势，分布式测量系统及其特征、现场总线系统，虚拟仪器技术及其应用。第13章多传感器数据融合介绍多传感器数据融合过程，数据融合模型及融合算法，卡尔曼滤波等数据融合技术及其应用。第14章智能传感技术介绍智能传感器的结构和特点，深度学习等相关智能处理方法。第15章无线传感器网络介绍无线传感网络组成结构和特点，无线通信协议，传感器节点和网关设计，无线传感器网络应用实例。

理论教学的每一章都在理论介绍的基础上，添加应用案例的讲解和分析，如视觉传感技术介绍了基于图像采集和模式识别的目标识别技术，智能传感技术里介绍了深度学习的网络模型及其在图像分类、人脸识别、语音分析、语音翻译等方面的应用。通过应用案例的讲解便于学生掌握传感器的基本原理、应用、数据处理的方法，丰富了理论教学的内容。

2 教学模式改革

在教学模式上，本课程采用多媒体教学的形式，注重相关内容以图片、动画等表现形式讲述，结合文字对理论教学内容进行介绍。利用多媒体教学可以让学生更好地理解一些抽象、复杂的概念和知识，便于学生直观感受传感器的测量转换过程，提升学习的效率。

但PPT授课的内容，往往内容量大、知识点多，一堂课下来，学生必须集中注意力才能保证教学的质量和效果，而学生往往存在注意力不集中的情况，难以保证一堂课的所有知识点都被学生吸收掌握。因此，通过对教学知识点进行归纳总结，在课件上集中展示重点内容，必要的理论推导和演算还是利用板书完成，便于学生整理思路，理解所学知识。同时，一些次重点的内容，安排学生进行调研和整理，每次课利用前10分钟让学生对安排的内容进行讲解，实现课堂的反转，让学生参与到教学活动中，提高学生自学的能力以及整理资料、口头表述的能力。例如，在介绍智能传感器时，让学生自己搜集资料，整理深度学习的经典模型进行课堂介绍。学生的积极性被调动起来，能够很好地保证自学的效果。

如今，网络成为信息时代获取信息的重要途径，也成了学生日常生活必不可少的一部分。随着网络及通信技术的发展，基于网络平台的教育体系越发展现出灵活、方便的特性，微课、慕课等视频教学形式的出现、各种专业论坛和网站的建设极大地丰富了学生知识学习和获取的渠道，开阔了学生的视野，增进了学生对相关动态和前沿技术的掌握。因此在教学模式改革中，需要充分利用网络资源，将启发式教学与学生的自主学习、课堂上的互动学习将结合。学生在利用网络教学资源的同时，也能够向老师反馈好的资源网站和网络教学内容，进一步丰富、完善教学的课件。本课程亦是积极准备在线课程的申报工作，以便进一步改进教学模式。

通过课堂的多媒体理论教学，对重点内容进行传授，结合应用案例进行分析，促进学生理论学习水平的提升；通过引导学生关注传感器技术相关网站及网络教学资源，积极开展网络学习和自我学习，并创建课件进行互动式讲解，激发学生参与教学活动的兴趣和热情，促进学生学习方法的改进；通过与大学生训练项目、科研课题等方面的结合，启发学生将传感器与自己专业、感兴趣的课题研究内容相结合，让学生参与到试验研究中，设计创新实验，促进理论学习与科研实践的有机结合。在教学实践过程中，本课程逐步建立起课堂学习、网络学习、试验学习、自我学习相结合的教学方法。

3 考查评价方法改革

传统的教学考查评价方法是以考试为中心，以笔试成绩定能力水平，难以全面地反映学生在学习过程中分析问题、解决问题能力的培养情况。因此，本课程在改变试卷成绩的权重比例基础上，进一步探索了教学效果的考查评价方法的改革之路。

本课程将考查评价的最终成绩构成进行了调整，将传统的“70%笔试+20%实验+10%平时成绩”比例分配转换成“30%理论笔试+30%实验实践+20%平时成绩+20%汇报展示”的构成比例。加大实践、平时课堂的学生互动讲解、最后的课堂展示汇报的成绩比例，建立基础理论知识考查、实验技能评价、项目设计研究及汇报讲解相结合的综合评价方法。

理论考查重点突出对基础理论的掌握和综合应用分析的掌握；实验考查重点突出学生设计实验、分析实验过程、处理数据获得结论的能力，平时成绩注重学生根据安排内容进行课件讲授和分组讨论的能力以及出勤和作业的情况，最后的课堂汇报，积极引导学生将所学理论知识与专业方向、研究课题相结合展开传感器技术调研。注重课题调研、资料整理、思考汇总、撰写报告、口头表述、分组讨论的综合能力，培养学生提出问题、分析问题、解决问题的综合素质。

4 结语

授人以鱼不如授人以渔。高校进行人才培养，目的是为社会培养能够自主思考、分析问题、解决问题的合格毕业生，本课程围绕传感器技术的相关内容、通过教学改革和探索，培养传感器理论知识与应用实践能力并重，能够面向智能制造、物联网等新兴领域展开作为的人才。通过修订教学材料内容，精简理论介绍、结合科研项目实例进行理论授课、结合多媒体教学的特点综合利用语言、文本、音视频、动画等多种手段提升教学课件的内涵和质量。同时，利用网络资源和公开课等教学形式引导学生自主学习、自我学习，结合专业方向和课题项目进行实验设计和调研汇报，建立课堂学习、网络学习、试验学习、自我学习相结合的教学方法，形成基础理论知识考查、实验技能评价、项目设计研究及汇报讲解相结合的综合评价方法，本课程的教学改革和探索为本课程及其他相关课程教学质量的提升提供有益的参考和借鉴。