基于传感器与检测技术课程项目导向的学做一体教学改革实践探索

2024-05-07胡美些

创新创业理论研究与实践 2024年4期

胡美些

（内蒙古机电职业技术学院，内蒙古呼和浩特 010070）

具有微型化、数字化、智能化特点的传感器是智能制造的基础，是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器与检测技术是学生掌握现代检测装置和自动测控系统的必需课程，特别是在以人工智能、大数据、5G 技术等为代表的新一轮信息技术快速发展的新趋势下，更是成为职业院校自动化、智能控制、机电等相关专业的核心课程[1]。课程开设的目的在于培养学生传感技术方面扎实的专业理论和实践技能，使学生能在机械生产、检测领域完成相关的数据检测、仪器操作和仪器维修。实践性强是该课程最大的特点[2]，如何提升实践能力是课程教学设计和教学改革时需首要考虑的问题，项目导向、学做一体是提升实践应用能力的重要方法，本文结合改革实践对此进行了深入探讨和深刻反思。

1 现有教学模式存在的问题

当前，传感器与检测技术是电类、机类专业的必修课之一，课程开设的广度和在课程体系中的重要程度前有未有。高校任课教师始终紧跟行业发展态势和教学改革需求，与时俱进地开展相关教学改革研究。多数研究者提出改革传统的单一理论教学模式，代之以理论教学与实验验证相结合的教学模式；也有少量研究者在本科院校采取了集理论教学、实验教学、课程设计为一体的教学模式；还有部分研究者利用中国MOOC 或智慧职教等网络教学平台开展线上线下混合式教学活动，提高学生对传感器理论和实践技能的自主学习探究能力[3-7]。

纵观目前各高校所开展的课程改革实践，还存在以下问题：基于验证性实验的理实一体课程改革，学生参与学习和探究的深度不够，学习热情和积极性不高；基于课程设计的理实一体课程改革，所使用的仿真系统采购费用较高，项目设计、制作零配件杂且多，采购齐备有一定困难；大多数高校采用C 语言、Arduino 等专业难度较高的编程软件完成传感器的自动检测任务，这对于职业院校没有编程基础的非计算机类专业，比如机械大类专业学生来说，学习难度较大，严重影响了教学效果的提升和教学目标的达成[8]。

内蒙古机电职业技术学院的传感器与检测技术课程同样经历了由单一理论授课到依托传感器综合实验平台开展验证性实验理实一体化的课程改革，在实践环节学生可以通过一些简单的电路连接观察传感器检测相关物理量的实验结果，相比以前的单一理论授课模式，学生的学习兴趣和积极性有所提高，但是因为验证性实验本身的特点，决定了学生参与深度不够，难度不大，学习的积极性和热情还有待进一步提高。

2 项目导向、学做一体的教学改革方向

部分高职院校学生学习基础较差、起点低，学习主动性不强，但是有动手操作的意愿与集体荣誉感，教师在教学过程中需要因材施教，增加实践动手环节，通过轻松愉悦的气氛来激发学生的学习热情，可通过分组合作并进行小组PK 增强学生的集体荣誉感，进而提高教学效果。

本项目以项目化教学为导向，结合“互联网+”大赛，把理论讲授、硬件搭建、软件程序编写相融合，指导学生结合理论知识的学习正确选择、使用传感器，制作出能自动检测的实物成果，在学做一体的过程中，深度学习和实践传感器、检测技术、机械工程、软件编程等相关专业知识和技能。为了克服制作零配件杂且多带来的采购难、编程软件专业性强等实际问题，采用一站式方式购买Arduino 套件，编程采用与Arduino 控制板兼容又简单易学的linkboy 编程软件。该编程软件是免费开源的图形化编程平台，通过鼠标交互拖拽建立编程逻辑，拥有可视化界面的模拟仿真功能，没有编程基础的初学者也没有学习门槛，而且可以在编程界面直观模拟硬件搭建和程序运行，不用另外采购模拟软件，大大节省了模拟软件采购成本和直接在硬件上调试所带来的硬件损耗成本，特别适合机械类专业完成传感器与自动检测、自动控制相关知识和技能的学习与实践。而且本文依托“互联网+”大赛平台，可以实现以赛促学、以赛促教、以赛促改的目的。

3 项目导向、学做一体的教学改革具体实施

3.1 针对传感器与检测技术初学者，以实践项目为导向，实现教、学、做一体

3.1.1 项目设计

由于机电类专业未来的工作岗位是机电产品操作、组装、检测、调试、维护与管理，所以归纳出压力、温度、位移、速度等传感器安装、检测、调试及运行等行动领域，根据基于工作过程的课程设计思想，转换成传感器应用的各个学习领域，形成电子秤的设计与制作、电子温度计的设计与制作、超声波避障小车的设计与制作等7 个教学情境。

3.1.2 项目实施

每一个教学情境都依托一个具体的实践项目，将项目完成需要用到的软硬件知识点融入项目的教学部分，形成项目的原理部分，将项目完成需要的技能点融入项目的实践部分，形成项目的操作部分，印发项目指导书供学生学习使用。具体实施过程如下。

（1）课前：教师通过信息化平台如智慧树班课或者微信、QQ 等社交媒体发布项目任务，同时发布相关知识点和技能点的微课；学生查看任务并查阅和学习相关资料，制定相应的任务计划并领取相关的材料和零配件。

（2）课中：首先是程序编制。所有学生首先利用linkboy 软件进行程序编制，因为linkboy 软件属于图形化拖曳式编程软件，内置了硬件连线界面和仿真功能，可以在编程过程中模拟硬件的连接和程序的虚拟仿真运行，所以学生可以边编程边调试；其次是硬件搭建，小组成员分工合作，协同配合，把项目所需要的各个零配件组装好，并把编好的程序用优盘拷贝下来，下载到硬件系统上进行实物调试。学生可能会因为对程序逻辑的理解不够，或者对硬件功能和结构的设计存在缺陷，导致这个过程出现反复，需要重新编制程序，这不仅是对教师教学水平和能力的考验，也是项目化教学的关键。

（3）课后：在所有小组完成软件编程和硬件搭建并调试成功之后，教师组织各小组进行汇报，与此同时，进行小组间互评、自评和教师点评，最终得出考核成绩；项目完成后，教师还要组织学生对整个项目实施过程中遇到的问题和解决方法进行讨论、整理，强化学生对理论知识与实践环节的掌握，以达到激发学生兴趣、培养学生创新能力和综合应用能力的目的。

3.1.3 课程考核

以项目为导向、学做一体的课程考核更加注重学生平时学习和实践对能力的考核，考核分平时成绩和结课考核。平时考核包括考勤（占比为10%），课前预习及准备（占比为10%）、课堂表现（占比为10%）、小组自评及互评（占比为20%）、期末考试（占比为50%）。期末考核要求每名学生以在课程中学过的一种或几种传感器为基础，设计一个项目，完成程序编制和硬件搭建以及运行调试，并进行演示和讲解，这个环节主要考核学生的理论功底、实践能力和创新能力。

3.2 针对传感器与检测技术学有基础者，以赛促学，以赛促改

“互联网+”大赛是加快培养创新创业人才，持续激发大学生创新创业热情，展示创新创业成果的重要载体[9]。对有学习基础、学有所长、实践能力强的学生，在前期传感器与检测技术课程学习的基础上选拔出3～5 人组成团队，由校内专业课教师和企业实践指导教师组成指导教师团队，指导其参加“互联网+”大赛，探索基于大赛的传感器与检测技术课程的教学延伸。参赛项目的设计除了要考虑基于传感器的应用，还要考虑实用性、创新性，能够解决生产生活的实际问题。

3.2.1 确定项目主题

首先要根据课程教学目标确定参赛项目的主题。传感器是机器人进行信息传感和智能处理的关键装置，涵盖了机器人的触觉、视觉、力觉以及距离感、位置感等传感装置。运用与发展传感器，能大力推动机器人技术的深入发展[10]。学生在学习过电机与电气控制、电工电子技术基础、传感器与检测技术、可编程控制器技术应用、自动化生产线安装与调试等课程之后，已经具备了多传感器融合应用的专业基础，教师在此基础上为学生确定机器人在某一领域的应用作为大赛项目的主题，比如本校第一次参加“互联网+”大赛选择的主题就是防疫清洁机器人的设计与制作。

3.2.2 市场调研

市场调研是个人或组织针对特定的决策问题而系统地设计、搜集、记录、整理、分析及研究市场各类信息资料、报告调研结果的工作过程。清洁机器人的市场调研采取了实地考察和上网、电话咨询等多种方式，主要了解各种清洁机器人的应用场合、市场占有情况，目前市面上销售的扫地机器人结构、功能、价格、客户群体和优缺点等信息。最终将调查到的全部情况和材料进行分析研究，了解清洁机器人的行业前景、政策支持、市场痛点，总结出本项目的创新点和产品定位。

3.2.3 撰写项目计划任务书

在前期市场调研的基础上，分析市场痛点、确定产品定位、制定研究路线、找到破解痛点的核心技术、构建组织结构、制订商业模式、分析效益与风险、规划企业远景目标，撰写项目计划任务书。计划任务书的撰写和反复修改过程，可以帮助学生理清思路，找到目标，不断提升“互联网+”项目商业计划书的科学性与合理性，提升参赛项目的整体水平[11]。

3.2.4 实施项目

内蒙古机电职业技术学院第一次参赛项目为清洁机器人的设计与制作，包括了硬件搭建和软件编程两个部分。首先根据清洁机器人的功能、工艺与标准化要求，结合市场使用情况反馈，确定其5 个硬件组成部分，即系统主控部分、传感器部分、行走机构部分、清洁防疫机构部分、辅助部分。然后使用UG 和AuToCAD 软件进行二维图和三维图的绘制。硬件搭建包括智能小车各项功能模块的搭建和拖地装置与喷雾装置的安装。机器人在具备了机械结构、控制系统之后，最为关键的就是控制程序的编写和调试，最终实现机器人的功能动作。根据学生前期掌握的编程知识和进一步学习的成效，为学生选择合适的编程语言，结合清洁机器人要实现的功能进行程序编制，并进行相关功能调试。

4 教学改革反思

教学团队历时一年，两个学期，利用7 个项目完成了传感器与检测技术课程的教学改革实践；学生在学做一体的教学模式下掌握了传感器的相关知识，初步具备选择合适传感器并进行应用的能力，较好地实现了课程教学目标。与此同时，教师指导学生团队参加2022 年“互联网+”大赛并获内蒙古自治区大赛银奖。学生在开展大赛项目设计中不断发现问题、分析问题、解决问题，在不断的遭遇挫折、克服困难、接触市场、感知市场的过程中，大大激发了创造力。根据实践探索，有下面几点反思。

4.1 专兼结合教学团队是开展项目化教学的基础

项目导向、学做一体的教学模式对教学团队的素质要求很高，比如课程涉及的传感器敏感性强，在实现自动检测的过程中，会受到很多来自环境和自身不确定因素的影响，造成理论上本可以实现的自动检测在实践过程中因为干扰而达不到目的的情况时有发生，而且软件程序编制中逻辑结构所具有的复杂性，导致学生在硬件搭建、软件编制和实物调试时反复性大，问题频发，具备丰富实践经验的教师对学生的指导和教学就显得尤为迫切。特别是来自企业或者是生产、生活实践的大赛项目，到了项目设计制作的最后环节，更加需要指导教师具备灵活应用专业知识分析问题、解决问题的能力和丰富的实践经验。校内专任教师往往由于教学任务单一、企业一线经验缺乏、多学科知识融合能力不足等原因，在实施项目化教学的过程中难以对学生进行有效指导。为了更快、更有效地提高教学效果，要组织专任教师定期进企业实践锻炼，组建一支高素质、专兼结合的师资队伍显得尤为重要[12]。

4.2 实践项目的选择和确定是项目化教学改革的根本

首先，项目化教学的主题必须来源于实践，不能简单化和理想化，所以，项目设计必须是在市场调研的基础上形成的。其次，由于受到课堂教学时间或教学内容限制，企业的实际工作过程可能不适合完全照搬到课堂，需要专任教师与兼职教师共同研讨、设计出符合学生学习特点和学习规律的学做一体教学项目，在保证项目教学效果的同时也符合工作岗位的实际情况[13]。最后，实践项目还要在将来的教学中能够被学生学习、模仿和再创新，这就要充分考虑学生的特点和专业基础，既要有一定难度又不能难度过大，这是教师在确定实践项目时需要充分考虑和解决的问题。

4.3 不断迭代和改进是项目化教学改革持续深入的法宝

项目化教学以其项目导向、学做一体的特点非常适合职业教育实践性、职业性、开放性的需要。但任何一个项目设计之初都是稚嫩、不太成熟的，在执行过程中总会遇到问题，如某些项目可能只是考虑一门课程的教学目标，导致项目不太完整或过于简单；又如有的项目设计过于复杂，对学生来说难度较大，或项目的顺利实施干扰因素太多，成功率不高，导致学生在学习中屡受挫折而积极性不高；还有一些大赛项目需要不断创新，持续迭代升级。这就要求教师在多轮教学实践中结合课堂教学反馈和大赛项目的参赛情况，不断更新内容，优化项目，最终使课堂教学的多个项目逐步迭代，最后形成一个完整的大赛项目。这种项目导学的课改模式以完成一个又一个紧密衔接的子项目任务来驱动学生学习，其实践性和职业性更加契合职业教育的要求[14]。

4.4 走教学、大赛、科研一体化的道路是项目化教学改革系统化的必由之路

教学、大赛、科研一体化是由职业学校特点决定的，也是项目化教学改革系统化的必由之路。教学是学校的中心工作，是学校发展的生命线，项目导向、学做一体的教学是反映职教特色、提高教育质量的重要模式。大赛是引领教学改革创新、完善教学内容、培养学生实践能力的平台。科研是推动和深化职业教学改革的基础，是提高教学质量的保证[15]。走教学、大赛、科研一体化的道路，可以使职业院校的三项基本工作通盘推进、一体开展，使三项工作相互融合、相互影响、相互促进，最终更好地服务高质量人才培养。