徐新黎，许金山，姜娓娓

（浙江工业大学 计算机科学与技术学院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

传感器与检测技术是物联网工程、测控等专业的一门重要课程，该课程包括检测技术的基础知识，结构型、物性型、固态等常用传感器的结构和性能，以及温度、压力、流量等常用量的检测技术。从传感器与检测技术课程的教学现状来看，存在课堂教学重理论轻应用，重单元检测电路讲解轻综合应用实例分析，课程实验设置覆盖面小等问题[1-2]。由于传感器原理枯燥，传感器测量涉及电路分析及综合知识的应用相对抽象、不够直观，导致学生灵活应用传感器的能力相对欠缺，传感器综合应用的设计能力更是不足[3-4]。

CDIO工程教育模式是“ 做中学” 和“基于项目的教育和学习”的集中体现[5]。基于CDIO工程教学模式理念[6]，对物联网工程专业的传感器与检测技术课程从优化教学内容、改革教学模式、设计教学考核等方面进行探索。

1 教学内容优化

根据国际工程教育专业认证标准，明确传感器与检测技术课程的目标，以工程应用能力培养（包括分析、研究能力，实践和设计能力，自学能力，表达能力和创新能力）为根本，使学生掌握常用传感器的工作原理与基本结构，掌握常见机械、热工、流量等测量及检测技术，了解不同物联网应用领域中传感器的集成化、微型化、网络化、智能化的实现方法和技术，了解低功耗传感器的设计特点等，培养学生的系统思维。

由于传感器与检测技术课程内容繁多，且新的培养计划对学时数又进行了压缩，从原来的48学时调整为32学时。此外，传感器原理又枯燥难懂，测量电路也晦涩复杂，导致学生通常只是对基本原理有所了解，但对知识点的印象并不深刻，更不懂传感器在实际中怎么用[3,7]。因此根据课程的教学目标，围绕工程应用能力培养目标，在减课时但不减教学质量的前提下，对教学内容进行调整。

1）缩减理论教学内容。

结合应用型本科院校的学生特点，理论教学内容主要包括结构型、物性型、固态等常用传感器的结构和性能，以及温度、压力、流量等常用量的检测技术。缩减检测技术基础知识；重点讲解工程应用中的参数测量（如温度、压力、流量、位移、机械量等参数测量），分析各参数的测量实现方法，增强学生的实践意识。

2）扩充应用型教学内容。

为了提升学生传感器应用系统的分析设计能力，考虑不同物联网应用领域中传感器的使用方法和设计要点，每种传感器理论学完后增加与该传感器相关的典型应用实例进行讲解。如压电式传感器之后配以压电式玻璃破碎报警应用例子，红外传感器之后配以红外成像测温应用例子，超声波传感器之后配以移动测距定位的应用例子等。具体实例围绕工程实际问题确定的系统设计方案、传感器选型、测量电路设计、实验仿真等展开。通过对应用实例进行系统、完整的分析和讲解，使学生了解传感器的使用方法和使用效果，提高学生对课程的兴趣。

3）调整实践教学项目。

针对课程实验设置覆盖面小、验证性实验偏多、综合性创新设计性实验偏少的现状[1]，将实验类型调整为设计性和综合性两种。考虑到实验课时有限，设计性实验主要是基于物联网感知实验箱，要求至少完成光照、温湿度、继电器、人体红外、空气质量等传感器采集实验中的3个实验。以温湿度传感器采集实验和人体红外传感器采集实验为例，温湿度传感器采集实验主要是针对温湿度传感器进行传感器数据采集的过程，理解传感器的一阶响应过程，能够通过实验获取传感器的动态响应参数；人体红外传感器采集实验主要针对一个开关量传感器进行传感器数据采集的过程，了解人体红外传感器工作原理以及传感器输出信号类型，掌握AD模块（即数据采集模块）的使用方法，了解AD模块的工作机制，掌握AD数据读取方式。对于综合性实验，考虑到物联网感知实验箱集成度高，不利于传感器原理的分析以及检测系统的搭建，因此引入结合单片机开发板的实验模式，学生可以自主组队、自主选择传感器类型进行传感器综合应用设计。综合性实验项目在课程学期中后期进行，要求画出原理图，结合开发板制作出传感器综合应用的作品并实现相应的检测功能，写出实验总结报告。以设计性和综合性为主的课程实验，实现了课程理论教学与实际应用的紧密结合，激发了学生学习传感器的兴趣和热情。

2 教学模式改革

在课时缩减的情况下，如何把原有课程内容尽可能完整地教授给学生，如何提高课程的教学效果、培养学生的积极探索和自主学习意识，这些都是当前教学亟待解决的问题。根据传感器与检测技术课程的特点、教学内容、教学现状等实际情况，并结合微课、翻转课堂、对分课堂等新型教学模式，对教学模式及教学方法等进行改革。

1）加强微视频演示教学。

改变以往以罗列知识点为主的PPT课件，引入传感器实物照片、原理动画、应用视频等内容，综合动画、声音、图形等形式，增加课件的生动性和直观性，加深学生对传感器的理论理解和实践认识。结合物联网工程实践，以可移动可操控的智能小车为载体制作微视频，通过红外传感器避障、光电传感器巡线、超声波传感器在巡线中测距等把几种传感器的工作原理、设计方法、传感器特性等融合。通过微视频演示教学，教师用具体的传感器实物及功能演示取代枯燥的理论阐述，学生可以更直观地理解并加深对传感器原理和应用的认识，为无线传感器网络、物联网应用综合设计等后续课程奠定基础。

2）开展PAD课堂教学试点。

改变直接对原有课程内容开展满堂灌的授课模式，在课时缩减的情况下，对部分教学内容开展“对分课堂”教学，即PAD课堂教学，把教学时间分为讲授（Oresentation）、内化吸收（Assimilation）和讨论（Discussion）[7]。以固态传感器为例，讲授环节主要是结合工程实际问题介绍磁敏、湿敏与气敏传感器工作原理及测量方法的重点和难点，但不覆盖细节，然后布置课外查阅资料，完成分析固态传感器的原理、特点、特性、实际应用等讨论话题以及作业。在讲授和讨论两个环节之间，学生有一周的时间来阅读教材以及通过微视频教学、MOOC等网络辅助自主学习，消化和吸收课堂知识，完成相关问题与作业。在讨论环节，学生针对上次的授课内容及问题，通过与作业分享自己内化的学习结果，互相答疑，并记录问题。最后，教师集中解答汇总的疑难问题，并做课堂总结。“对分课堂”可以提高学生个性化的内化吸收，同时提升学生的学习积极性和参与意识，培养学生独立思考及解决问题的能力。

3）强化课程综合性实验。

在课程学期中后期进行基于单片机开发板的综合性实验项目，让学生课后分组完成，鼓励学生自主立题、自主讨论系统设计方案（包括传感器、开发板等的选型及采购等），开展系统分析与开发，完成实验设计报告，最后进行项目答辩及演示。教师在整个过程中给以辅导和启发，给学生发挥的空间，充分激发和调动学生的潜在能力和积极性。项目驱动式的实践教学是通过项目实施来实现知识到能力的桥梁，从而更好地达到教学目标。学生开展的传感器综合应用实验（如人体感应智能台灯、人体健康监测、火灾监测与报警、避障小车、湿地环境监测等），很好地锻炼了分析和解决实际问题的综合能力，同时项目小组的团队合作也提高了学生的团队协作意识。

3 教学考核设计

由于传感器与检测技术课程知识点多且分散，通常采用笔试进行考核，导致存在考试内容重知识轻能力，考核方式单一，对学生学习过程的管控不足等问题[8]。为了加强过程性考核，克服“平时不努力，考前搞突击”现象，对现行教学考核方式进行调整，提高过程性考核的比例，强化对传感器工作原理分析的考核以及学生实际动手、应用能力的考核。

1）课后作业成绩（10%）。

课后作业内容注意类型搭配，以基本原理题和综合分析题为主，尽量选用加深概念、开拓思路、综合应用及训练基本技能的题目。教师通过学生是否独立完成、是否步骤清楚完整、是否能正确分析理解等，对学生的课后作业情况进行成绩评定。

2）讨论课表现成绩（20%）。

结合PAD课程讨论教学，对学生在讨论课上的表现进行评定。以讨论金属应变片主要特性为例，教师通过对学生正确了解哪些主要特性、是否查阅相关资料并讨论分析了特性的影响和补偿方法、参与讨论的态度、资料采集归类和分析处理的能力、是否主动提出应用设想、与他人合作等方面，综合性地对该次讨论表现进行成绩评定。

3）课内实验成绩（20%）。

课内实验包含设计性实验成绩（10%）和综合性实验成绩（10%）。对于设计性传感器实验，教师可根据实际操作的规范性、实验数据的合理性，以及实验报告撰写的内容完备性、结果分析正确性、格式规范性等方面进行定绩。对于综合性传感器应用实验，教师可根据学生应用设计电路的正确性与实验情况、阶段进展情况、实验报告和实验答辩等进行评定，重点是对学生的设计分析能力、总结能力、表达能力、团队协作能力等进行评定。实验答辩包括实验报告内容汇报、实验项目演示和问题回答等，其中教师对每个实验项目都要提出几个问题，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。

4）期末考试成绩（50%）。

期末考试试题覆盖考试大纲，试卷内容以考查应用性知识题为主，主要对学生的传感器工作原理分析能力、传感器应用能力以及综合设计能力等进行考核。

4 结 语

基于CDIO工程教学模式理念，围绕应用型人才培养目标，对物联网工程专业传感器与检测技术课程的教学内容、教学模式、教学评价等进行改革。经过课程教学实施操作，与之前教学现状相比，教学改革取得了一定的成效：学生课堂注意力集中明显，课堂讨论气氛逐渐活跃，学生的学习兴趣明显提高；课内实验大部分学生基本能自主做实验，课后综合性实验中学生的积极性被充分调动起来，学生理论联系实际综合应用能力和工程意识都大幅提高。