新工科背景下课程教学创新实践探析

［摘 要］ 在新工科背景下，“传感器原理与应用”课程教学存在的不足，亟须进行教学方法改革。传感器技术作为现代科学和工程领域的支柱之一，在快速发展的科技浪潮中，“传感器原理与应用”课程教学面临着诸多挑战，包括课程理论与实际应用脱节、教材陈旧不及时更新、缺乏实践机会和跨学科教学等问题。为了解决这些问题，提出了一系列创新性的教学方法和改革措施。通过改革，学生不仅能够掌握传感器技术的基本原理，还能够培养实际问题解决、创新和团队合作的能力。这些措施将“传感器原理与应用”课程引向更具实用性和创新性的方向，为新工科人才的培养提供了有力支持。

［关键词］ 传感器原理与应用；新工科；教学模式改革；创新实践

［基金项目］ 2023年度中山大学教学质量与教学改革工程类项目“《传感器原理与应用》线下课程建设”（76160-12220011）

［作者简介］ 王本斐（1989—），男，安徽六安人，博士，中山大学智能工程学院副教授，主要从事电气自动化和智能传感器研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）22-0089-04 ［收稿日期］ 2023-10-13

一、新工科背景下“传感器原理与应用”课程教学的不足与改革必要性

在当前新工科背景下，工程技术与科学领域的快速发展已经彻底改变了我们的生活和工作方式，而传感器技术作为现代科学和工程领域的支柱之一，更是处于这场科技变革的前沿［1-2］。然而，尽管新技术不断涌现，“传感器原理与应用”课程教学却在很大程度上滞后于这一科技浪潮。该课程的传统模式和教学内容难以适应当今快速发展的技术需求，这使得传感器领域的人才储备和技术应用有一定滞后性，呈现出以下方面的不足［3-4］。

（一）课程理论与实际应用脱节

“传感器原理与应用”课程在过去往往过于理论化，课堂教学侧重于传感器的基本原理和数学模型，而忽视了实际应用场景。学生在课堂上获得的知识虽然有助于理解传感器的工作原理，但却难以将这些知识与实际工程应用相结合。因此，学生往往发现所学知识与实际工作存在较大的鸿沟，影响职业发展和实际应用能力。

（二）教材陈旧不及时更新

由于传感器技术的快速发展，教材的陈旧问题尤为突出。新的传感器类型、工作原理以及最新的应用案例层出不穷，然而，传统教材滞后于技术发展，无法反映最新的科技进展和行业需求。这使得知识常常已经过时，无法适应当前的实际需求，也影响学生的职场竞争力。

（三）缺乏实践机会

课程中缺乏足够的实验和实际操作机会，使得学生难以将理论知识转化为实际技能。传感器的应用需要学生具备实际操作的能力，包括传感器设备的调试、数据的采集与处理、故障排除等。缺乏实践机会使得学生在面对实际工程问题时缺乏足够的信心和经验，限制了学生的职业发展。

（四）缺乏跨学科教学

传感器技术通常涉及物理学、电子工程、计算机科学等多个学科领域，然而，传统课程往往局限于单一学科，缺乏跨学科的教学［5］。学生很难获得综合性的知识，无法理解传感器技术在不同学科领域的应用。

因此，为了解决这些问题，“传感器原理与应用”课程需要进行全面的改革，包括更新教学内容、引入实践机会、跨学科教学等多方面的措施，以更好地适应新工科背景下的人才需求。

二、新工科背景下“传感器原理与应用”课程教学改革措施

（一）“传感器原理与应用”课程教学理念与案例分析

在新工科背景下，“传感器原理与应用”课程的教学理念至关重要，它应当与时俱进，贴合当今科技与产业的脉搏，更重要的是，应该紧密契合学生的需求，培养学生在实际应用中脱颖而出的能力［6-7］。因此，“传感器原理与应用”课程的教学理念应该紧密围绕着以下关键点展开（如图1所示）。

1.“传感器原理与应用”课程的教学理念应当以实际应用为导向，将学习焦点放在学生将来实际工作中可能遇到的问题上。传感器技术在各个领域都有广泛的应用，包括智能制造、健康医疗、环境监测等。因此，教学内容应该紧密贴合这些领域的实际需求，培养学生对真实问题的敏感性和解决问题的能力。

教学案例分析：考虑到实际应用导向的理念，我们可以以超声波传感器为例进行深入分析。在智能制造领域，超声波传感器常被用于实现自动化生产线上的精准控制。通过教授超声波传感器的原理、工作方式以及在自动化制造中的具体应用，学生可以了解到这一传感器在实际工业生产中的重要性。在健康医疗领域，超声波传感器被广泛应用于医疗影像设备。学生通过了解超声波传感器在医疗领域的应用，不仅可以掌握传感器技术，还能够了解医学影像技术的基本原理，为将来在医疗器械领域的研发和应用奠定基础。在环境监测领域，超声波传感器被应用于空气质量的监测。通过介绍这一应用案例，学生不仅能够学习到传感器的工作原理，还能够了解到传感器技术在保护环境方面的作用。

2.“传感器原理与应用”课程应该注重培养学生解决实际问题的能力。这不仅包括传感器技术本身的原理和应用，还包括与传感器相关的数据处理、信号处理、系统集成等方面的知识。学生应该能够理解和分析实际问题，运用所学知识和技能，提出解决方案，并且具备实际操作的能力，将解决方案转化为实际应用。

教学案例分析：以温度传感器为例，该案例可以帮助学生深入理解培养实际问题解决能力的过程。在教学中，学生首先学习温度传感器的基本原理，包括热敏电阻和热电偶等不同类型的温度传感器，以及它们的工作原理和特性。其次，学生需要了解温度传感器在现实生活中的应用场景，如智能恒温系统、温度监测设备等。然后，学生被提出一个实际问题：在一个温室中，需要维持一定的温度和湿度，以促进植物的生长。学生需要分析问题，选择适当的温度传感器，设计一个能够自动调节温度的系统。在这个过程中，学生不仅须要考虑传感器的灵敏度和精确度，还须要了解数据处理的方法。学生须要将理论知识转化为实际操作，选择合适的硬件设备，编写控制程序，最终将系统应用于温室中。通过这个案例，学生不仅学会了温度传感器的基本原理和应用，还培养了解决实际问题的能力。

3.“传感器原理与应用”课程应该鼓励学生的创新精神。现代传感器技术日新月异，需要不断创新的思维和方法来应对复杂多变的挑战。教学应该引导学生参与创新性项目，鼓励学生提出新颖的想法，激发学生的创造力，培养学生解决问题的创新思维。

教学案例分析：以霍尔传感器为例，可以帮助学生理解培养创新能力的重要性。在教学中，学生首先学习霍尔传感器的基本工作原理。然后，学生被分成小组，并面临一个具体挑战：设计并构建一个基于霍尔传感器的创新性应用，如磁场导航小车、磁力控制的游戏设备等。在这个项目中，学生须要运用所学的知识，结合问题提出解决方案。他们须要考虑如何最大程度地利用霍尔传感器的特性，设计出实用的系统。这个过程需要学生不断尝试、失败、改进，培养了学生的创造力和创新思维。同时，项目还鼓励学生之间的合作和交流，激发了团队合作精神。通过这样的教学案例，学生不仅学习了传感器技术的基础知识，还在实际项目中锻炼了创新能力。

4.在现实工程项目中，传感器技术的应用通常需要多学科的团队协作。因此，“传感器原理与应用”课程应该培养学生的团队合作精神，包括团队沟通、合作协作、项目管理等方面的能力。通过小组项目和团队合作实验，学生能够更好地理解团队协作的重要性，提高他们的团队合作能力。

教学案例分析：在“传感器原理与应用”课程中，可以引入一个综合了颜色传感器、速度传感器、超声波传感器等多种传感器为一体的智能巡线小车项目。学生被分成若干小组，每个小组负责设计并制作一辆智能巡线小车。这辆小车能够根据地面上绘制的彩色线路进行自主导航，同时避免障碍物，保持稳定的速度。在这个项目中，学生需要共同讨论并决定使用哪种传感器，并学习如何将不同传感器的数据整合在一起以实现智能控制。团队中的成员可以根据自身擅长的领域负责不同的传感器模块设计和编程。通过这样的团队合作项目，学生不仅学会了传感器技术的应用，还培养了团队合作的技能。学生学会了尊重他人的意见，理解团队中每名成员的价值，学会了在团队中分工合作，共同追求项目的成功。

在新工科背景下，“传感器原理与应用”课程的教学理念应当紧密围绕着以上几点展开，培养学生的实际问题解决能力、创新能力和团队合作精神，使学生能够胜任复杂多变的实际工程项目，为新工科人才培养奠定坚实的基础。

（二）“传感器原理与应用”课程教学内容的与时俱进

在新工科背景下，“传感器原理与应用”课程的教学内容应当紧跟时代潮流，不仅要传授传感器技术的基本原理和应用方法，还应该包括以下方面的内容，以满足学生面对复杂实际问题的需求。

1.实时更新教材：传感器技术的快速发展使得老旧的教材无法满足学生对最新技术的需求。因此，教材应当定期更新，确保包含最新的传感器类型、应用案例和行业趋势，培养学生对于前沿科技的敏感性，为将来的创新奠定基础。

2.引入跨学科内容：传感器技术广泛应用于物联网、人工智能和大数据等领域。因此，教学内容应当涵盖这些跨学科领域，使学生不仅能够掌握传感器的基础知识，还能够理解传感器与其他技术的交叉点［8］，更好地面对复杂多变的实际问题。

3.进行项目案例分析：在课程中引入真实工程项目案例，让学生通过案例分析了解传感器在实际工程中的应用。这样的案例分析不仅能够将理论知识与实际应用相结合，还能够培养学生解决综合问题的能力，能够更好地理解传感器技术在实际工程中的应用，提高学生的问题解决能力和创新能力。

4.实践操作与模拟：除了理论知识，实践操作和模拟实验也是教学内容中不可或缺的一部分。学生应该有机会亲自操作各类传感器设备，了解它们的工作原理，并且通过模拟实验，能够在虚拟环境中进行实际应用的演练。这样的实践经验不仅能够增强学生的技能，还能够提高他们的实际应用能力。

通过以上教学内容的丰富和多样化，学生将能够更好地掌握传感器原理与应用的知识，具备跨学科综合素质，能够胜任未来工程领域中的挑战。

（三）“传感器原理与应用”课程教学方法的创新

在“传感器原理与应用”课程中，教学方法的选择至关重要，它直接影响着学生的学习效果和实际应用能力的培养。以下是三种创新性教学方法，有助于激发学生的学习兴趣，提高他们的问题解决能力和团队合作精神。

1.问题导向教学：传感器技术应用的广泛性意味着学生将面对各种各样的问题。通过问题导向教学，教师可以引导学生提出问题、分析问题，并提出解决方案，激发学生主动学习和探究的兴趣，锻炼逻辑思维和创新能力。

2.实验与实践：传感器技术是一个高度实用性的学科，因此，实验与实践在课程教学中占据着非常重要的地位。学生需要亲自动手操作各类传感器设备，实践传感器的原理和应用，巩固在课堂上学到的理论知识，加深对传感器工作原理的理解。

3.项目驱动教学：项目驱动的教学模式是一种注重实践、注重团队合作的教学方法。通过引入真实工程项目，学生可以在项目中应用所学的传感器知识，解决实际的工程问题，培养学生的创新能力和实际应用能力。在这个过程中，学生需要分工合作，培养团队协作和项目管理的能力。

这些教学方法的综合运用，可以使“传感器原理与应用”课程更具亲和力和实用性。通过问题导向教学，在解决实际问题的过程中激发学生的学习兴趣，实验与实践锻炼学生的动手能力，培养团队协作和实际应用能力。

结语

在新工科人才培养的大背景下，“传感器原理与应用”课程的改革势在必行。通过教育理念的创新、教材内容的更新、教学方法的多样化和实践机会的增加，学生不仅获得了深厚的传感器知识，还培养了实际问题解决能力和创新能力。这些全面的改革举措使得学生毕业后能够顺利融入工程实践，为新工科人才的培养提供了有力支持，也为传感器技术的应用与发展培养了更多优秀的人才。传感器技术的持续发展为新工科教育提供了丰富的实践机会和广阔的发展空间，只有持续不断地创新教育理念、丰富教学内容、改进教学方法，才能更好地培养适应新工科需求的卓越人才，为科技进步与社会发展贡献更大的力量。

参考文献

［1］顾佩华.新工科与新范式：实践探索和思考［J］.高等工程教育研究，2020（4）：1-19.

［2］李新成，张健，张惠莉，等.新形势下“传感器”课程教学改革［J］.工业和信息化教育，2022（12）：69-72.

［3］陈阳，杨敏，李澄非.新工科背景下传感器与检测技术课程改革与实践［J］.教育现代化，2020，7（41）：82-84.

［4］王淑琴，费正顺，侯北平.新工科背景下传感器与检测技术课程改革与探索［J］.科教导刊，2023（14）：90-94.

［5］沈敏，余联庆.基于多学科融合的传感器与检测技术课程教学改革与实践［J］.中国现代教育装备，2021（7）：107-109.

［6］何赟泽，丁美有，王洪金，等.基于工业传感器示教平台的课堂教学改革［J］.电气电子教学学报，2023，45（4）：7-11.

［7］张培.应用型高校“传感器与检测技术”课程教学模式探究与实践［J］.教育教学论坛，2023（26）：128-131.

［8］任亚飞，姚雷博，郭超.三维融合项目式教学在传感器课程中的应用［J］.现代信息科技，2022，6（5）：196-198.