传感器原理与设计“金课”建设

［摘 要］ “金课”建设对于实现以学生为中心、提升人才培养质量具有重要作用。主要介绍了课程团队在“传感器原理与设计”“金课”建设方面的实践和探索，围绕“金课”的高阶性、创新性、挑战度设计了课程的理论与实践教学环节。通过充分挖掘思政元素、引入信息化教学手段、创新教学内容和方法，将三级项目、讨论课、实验相结合，构建多元化考核和评价体系等方式，激发学生的学习兴趣，培养学生的创新思维、工程意识和道德素养，提高学生解决工程问题的综合能力，体现对学生知识和能力的综合评价。

［关键词］ “金课”建设；传感器原理与设计；项目式教学

［基金项目］ 2020年度燕山大学教学研究与改革项目“‘传感器原理与设计’教学创新与实践探索”（2020KCGG05）

［作者简介］ 杨丽丽（1982—），女，山西大同人，工学博士，燕山大学电气工程学院讲师，主要从事传感器原理与设计研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）42-0107-04 ［收稿日期］ 2023-05-11

课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量。深化教育教学改革，必须把教学改革成果落实到课程建设上［1］。“传感器原理与设计”是燕山大学测控技术与仪器专业核心课程，专业为优化课程体系，将其与“嵌入式单片机原理与应用”和“传感器与单片机综合课程设计”课程组建课程群，致力于打造学生认可的“金课”。根据一流本科课程建设原则，针对目前课程教学中存在的问题，以OBE理念引领教学全过程，以深化拓展教学方法创新和深入挖掘课程思政元素为导向，以培养学生创新能力和提高实践动手能力为目标，从理论与实践教学环节出发进行“金课”建设，使学生在提升自身素质与综合能力的同时，能够充分体验到学习的获得感和成就感。

一、课程教学环节设计

“金课”是具有高阶性、创新性、挑战度的课程，注重培养学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维，创新具有前沿性和时代性的课程内容、先进性和互动性的教学形式、探究性和个性化的学习结果，开展具有挑战度的教学［2］。

以“金课”为标准，“传感器原理与设计”课程为优化教学内容与课程体系，对理论与实践两个教学环节进行改革。理论教学环节以课堂讲授为主，通过挖掘思政元素、引入多种信息化教学手段和创新教学内容与方法的方式进行改革和优化。实践教学环节包含三级项目、讨论课和实验三部分，通过3个创新训练模块、3次PPT汇报交流与讨论、重要知识点的同步实验进行改革与优化。以学生为中心，以项目为主导，通过各环节内容的设计与优化，提升课程的高阶性，突出课程的创新性，增加课程的挑战度，全方位提高学生的综合能力［3］。

二、以学生为中心的理论环节改革

1.紧密结合课程内容，挖掘课程思政元素，实现价值引领。从家国情怀、人文素养、科学精神出发，深入挖掘课程思政元素；以社会热点、国际前沿、工程应用、科技发展史以及国家发展战略等内容为切入点，将课程思政合理融入“传感器”教学内容中，使思政元素和教学内容紧密结合。在《绪论》部分，通过课前思考与内容总览引入思政内容，让学生了解在传感器领域能做什么以及如何去做，突出传感器在测控领域的重要性，激发学生对“传感器原理与设计”课程的学习兴趣与爱国热情。在《电阻应变式传感器》部分，引入柔性应变传感器助力我国首次火星探测任务“天问一号”探测器在火星成功着陆，以及港珠澳大桥等国家重大工程项目，增强学生的民族自豪感与自信心。在《电容式传感器》部分，通过民族企业的成功案例讲述电容式传感器改变了现代人机交互体验，鼓励学生要自主创新、自主研发，为创造世界知名的中国品牌而努力奋斗［4］。在《压电式传感器》部分，引入新型压电材料及应用的国际前沿与创新案例，鼓励学生发现趋势、预见未来，培养前瞻性与创新思维，激发学生的科研兴趣。通过讲述压电效应的发现，引出居里夫妇为科学奉献的精神与感人事迹，鼓励学生以饱满的热情努力学习，为国奉献。在《热电式传感器》部分，引入社会热点问题，进一步激发学生的民族自豪感与使命感，培养学生浓厚的家国情怀与强烈的社会责任感。

2.引入信息化教学手段，增加课堂互动环节，提高课堂管理效率。积极使用中国大学MOOC、学堂在线、学习通和教学质量管理平台等信息化教学手段，建立混合教学模式。利用学习通平台，课前发布课件、视频等学习资料和相关链接、网站等扩展阅读资源，让学生课前学习，提高听课效率；课上进行随机点名、课堂互动、随堂测试等环节，增加课堂互动，提高上课效率；课后发布作业，设置提交截止时间，及时发现问题并解决问题。以上内容可以在课后生成统计报告，作为平时成绩计入期末总成绩。利用教学质量管理平台，针对传感器每章内容难点及相关问题发布调查问卷，通过学生的反馈信息，及时了解并解决学生的问题，同时有助于课程教学内容及教学方法的持续改进。

3.改革和创新教学内容及方法，提高课堂学习效率。跟踪传感器前沿发展，在教学内容中加入最新研究成果，并在课前或重要知识点引入与之相关的工业实例、历史、人文、科技等知识，寓教于乐，活跃课堂氛围，调动学生的学习兴趣，促使学生积极互动、主动探究。增加丰富的视频及动画以展示各种传感器的工作原理，加深理解。以具体问题或工程应用场景引出相关知识点，让学生明白各种传感器的应用价值，提高学习兴趣。梳理传感器知识点，将传感器的静态特性、动态特性、差动结构改进方法、分类方法等知识点贯穿全课程，做到首尾呼应。每章后，让学生在学习通平台上提交本章思维导图，形成清晰的知识结构，及时做到对本章内容的复习、巩固和升华［5］。

三、以项目为主导的实践环节改革

课程实践环节以三级项目模块化训练为主，以实验为辅的形式，加深学生对传感器基础理论知识的理解，使其提高综合运用“传感器原理与设计”课程知识分析和解决相关理论和实践问题的能力，锻炼和提高交流、沟通和表达能力以及团队合作能力，培养学生工程意识、创新能力、责任感和职业道德素养。

1.三级项目实践训练环节包括电子秤设计模块、接近开关设计与制作模块以及温度传感器的设计与制作模块三部分。组织形式按班级以3人为一组，每组有一名负责人，通过组内讨论明确任务分工和个人贡献，每个模块结束后提交项目报告并进行讨论课汇报。（1）电子秤设计模块包括电桥电路基本特性仿真和电子秤实际制作两个部分。针对多种不同类型电桥电路，以Matlab、Multisim等仿真工具作为载体进行仿真分析，进一步使学生加深了对基础理论知识的掌握程度，理解了理论模型、电路仿真模型与实际系统工程实现之间的区别。通过应变片粘贴训练、电桥与放大调理电路的设计、输出测试、测量数据评定及误差分析，使学生进一步掌握了电阻应变式传感器的相关理论知识，提高了学生的实践动手能力。（2）接近开关设计与制作模块主要以电容、电感等传感器为基本内容进行理论设计、实物制作、测试与应用。通过自行查阅资料、拟定应用背景，鼓励采用大胆、新颖的方案和奇思妙想。学生积极创新，应用不同种类的传感器，实现了不同的功能应用。比如，通过自制电感线圈，实现了金属探测；通过设计电容式传感器，实现了手势识别；通过设计电容式触摸按键，在OLED上实现了触摸按键游戏，即通过电容按键控制小鸟的上移和下移，通过障碍物可得分，碰到障碍物后游戏结束等。通过该模块训练，进一步加深了学生对接近传感器应用的理解，培养了学生的创新思维。（3）温度传感器设计与制作模块主要以热电偶的实际制作为训练内容，设计制作热电偶、测量电路和温度补偿变送环节，完成单片机采集与温度显示。通过热电偶丝的焊接、温度补偿和放大电路的设计与制作、电路部分的设计与制作、输出的测试与误差分析等，进一步加深了学生对热电偶测温原理与应用的理解。

2.讨论课是以学生为主体，进行自我学习和相互学习的过程。主要针对三级项目实践内容，通过以小组为单位进行PPT汇报和问题探讨，充分调动了学生的主动性和参与性，提高了学生的交流与表达能力。使学生能够及时发现问题与解决问题，并在相互学习过程中取长补短、不断进步。

3.课程实验以基础性实验为主。与理论课教学内容同步进行，使学生能够及时用科学的方法对所学理论及应用进行实验验证，能够采用科学的方法，对实验数据进行采集、处理和分析，对实验预期和结果做出合理的判断和解释，得出合理有效的结论。

四、课程考核与评价

1.课程考核由四部分构成，分别为结课考试（50%）、平时成绩（10%）、三级项目（30%）、实验（10%）。（1）结课考试题型包含综合题和设计题，在涵盖大部分知识点的同时，重点考核学生对知识的应用和迁移能力。（2）平时成绩以随堂测试的形式进行，及时考核学生对每章内容的掌握情况。（3）三级项目依据项目报告、实物制作与演示、讨论课PPT汇报三部分综合成绩作为该项目的团队成绩，团队成员的个人成绩按照团队成绩的等级和个人贡献比例进行分配。项目报告在基本设计内容的基础上，增加了项目中遇到的问题和解决办法、工作日志两部分，要求学生按照时间节点完成规定任务，按学时撰写详细工作日志，提高学生时间规划的能力、分析问题与解决问题的能力。（4）实验考核在实验报告的基础上，增加了实验操作规范程度、实验完成汇报和验收两个过程考核指标，从根本上解决了“实验就是抄报告”的问题。

2.课程评价由教学质量管理平台发布的调查问卷和结课考试后形成的课程考核分析报告两部分构成。根据学生反馈与课程指标点的达成情况，分析确定各环节的优势与不足，有助于课程的持续改进。针对“传感器原理与设计”课程的上述教学改革措施，将其应用于我校2019级测控专业4个教学班级，共106名学生，如图1所示的调查问卷及评分结果显示，学生综合评价分数较上一教学周期有所提高，学生普遍反馈良好，达到预期效果，主要体现如下：（1）实现了价值引领和立德树人。将爱国主义情怀、社会责任、职业道德、科学探索精神、创新精神、工程伦理及职业道德等思政内容与课程相关知识点紧密结合，关注职业素养与专业知识的融合，给予了学生积极的思想指导。（2）提高了学生的上课效率和教师的课堂管理效率。信息化教学手段的引入和教学方法的创新，调动了学生的学习兴趣，使无故缺课、迟到以及课堂上玩手机、打瞌睡、走神的学生明显减少，积极参与课堂互动的学生明显增加，学生学习的积极性、主动性和创造性逐渐增强。有效的调查问卷统计结果帮助教师及时掌握了学生的学习动态和学习效果，有助于课程教学内容及教学方法的持续改进。（3）提高了学生分析与解决工程问题的综合能力。多学时“三级项目”的开展，弥补了理论教学的不足，使学生不仅掌握了仪器、器件的操作和使用方法，还学会了如何进行团队协作、开展具体的项目、发现问题与解决问题，增强了学生的团队意识、创新能力和实践动手能力，增强了学生的自信心与获得感，激发了学生的科研兴趣与实现自我价值的信心。

结语

本文主要介绍了“传感器原理与设计”课程在“金课”建设过程中的具体实施方案、考核评价体系与实施效果。通过理论与实践教学环节的优化与创新，坚持知识传授、能力培养与价值引领相统一，将课程内容与思政元素有机融合，引入信息化教学手段与创新教学方法，完善课程考核评价体系，保证实践项目与教学内容的相关性、创新性与挑战性，提高学生的自主学习能力、实践动手能力、创新能力和解决复杂工程问题的能力，激发学生的爱国热情与奉献精神，落实立德树人根本任务。

参考文献

［1］教育部.关于一流本科课程建设的实施意见：教高

〔2019〕8号［A/OL］.（2019-10-30）［2023-04-11］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

［2］吴岩.建设中国“金课”［J］.中国大学教学，2018（12）：4-9.

［3］吴艳云，田杰，谢少华.“金课”的三种“镀金者”：形象描摹及其内涵解析：基于16位大学生的深度质性研究［J］.高教探索，2020（10）：60-66.