张松柏 谭功全 石睿 曹立佳 曾慧敏
[摘 要]文章基于对四川轻化工大学传感器与检测技术课程教学的“过程控制”特色、教学现状、学生就业趋势以及智能科学与技术新专业对课程建设新需求的分析，提出了以智能科学与技术专业建设为契机，将课程教学分为基础内容共同学习、实践内容分组学习、设计内容选择学习，在打牢学生课程基础的同时，分目标、分层次进行教学设计和探索。根据学生的专业和就业方向安排课程教学重点，突出以技术应用问题为牵引，以探讨问题解决方案为核心进行分班教学，深度拓展学生的技术应用能力;针对不同基础和能力的学生设计不同深度的问题，要求学生分组独立完成，然后相互评价问题解决的思路和方法，使学生达到独立思考、分层考核、思路共享、共同进步的学习目标，同时有助于达成传感器与检测技术课程的教学目标。
[关键词]传感器与检测技术;过程控制;运动控制;分层教学;课程探索
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）12-0086-04
传感器技术是当代信息技术的三大支柱之一。中国自动化学会首届理事长钱学森曾说：发展高新技术信息技术是关键，信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术，测量技术是关键和基础[1]。对于自动化专业，信息是基础，传感器与检测技术是关键核心和前提条件。传感器与检测技术课程的教学质量直接关系到这门课程教学目标的达成度和学生未来技术发展的潜力。
四川轻化工大学（下文也称“我校”）于2019年增设智能科学与技术专业，其主要专业课程由自动化与信息工程学院（下文也称“我学院”）自动化系承担。鉴于自动化专业原有的课程体系具有“过程控制”特色，其传感器与检测技术课程的核心内容是检测温度、压力、物位、流量和成分;而智能科学与技术专业以运动控制、图像采集及数据分析为主，其传感器与检测技术课程的核心内容应侧重于检测位置、转速和力矩、速度、加速度、环境光学图像等。因此，我学院根据上述特点开展传感器与检测技术课程教学内容调整、新教学方法探索，以提高课程教学质量。
一、传感器与检测技术课程的特色与教学现状
（一）传感器与检测技术课程具有“过程控制”特色
四川轻化工大学自动化专业始建于1965年，1980年获得工学学士学位授予权，原名生产过程自动化专业，是西南三省高校自动化专业中唯一面向过程控制的工学本科专业。这个专业2008年被评为四川省特色专业建设点，2010年7月获批国家特色专业建设点，2012年被列为卓越工程师教育培养计划专业，2018年被列为四川省地方普通高校应用型示范专业。其大量毕业生活跃在西南地区的化工、材料、能源等行业的一线工作岗位。正是这门专业的“过程控制”特色，决定了传感器与检测技术课程教学内容以过程控制中的非电量物理量的测量为主，其课程教学内容框架如图1所示。
与其他多数同类高校一样，我校传感器与检测技术课程的理论教学时间压缩为32学时，2个学分;实验教学为12学时，0.5个学分;遵循先理论后实验的原则;课程分别由理论课教师和实验课教师进行教学。学校近年来继续强化专业特色的课程建设，自动化专业课的“过程控制”特色得以凸显。传感器与检测技术课程以培养学生工程应用能力为主线，引导学生掌握电阻式、电感式、电容式、热电式、压电式、电敏式等傳感器的基本结构、工作原理，掌握温度、压力、流量、液位、成分和物性的测量方法。实验教学以某型号实验台为基础，设计完成6套实验，其中包括电阻式传感器的单臂、半桥、全桥性能实验，电子秤实验，差动电容特性实验，差动变压器性能实验。
（二）近年我校传感器与检测技术课程教学状况
理论课教学由教师通过多媒体演示并结合板书进行知识点的讲授。在这种教学模式下，教师成了教学的主角，学生在课堂的多数时间处于被动接受知识的状态，课堂互动少，理论教学枯燥乏味。这忽视了教学活动的主体应该是学生这一点，加上智能手机和手机游戏的普及，出现少数学生在课堂上打游戏或翘课厌学的现象。这种教学模式无法培养学生的主动性、积极性，其独立思考能力和创造力的培养更无从说起。因此，必须对其进行改革，才有可能真正开展以学生为中心的教学。
传感器与检测技术作为相关专业的核心课程，涉及的专业基础知识面较广，要求学生先修的课程包括电路基础、模电、数电且具备应用大学物理知识的能力。近年来，一方面，随着高校扩招，我校学生的数学物理基础参差不齐，部分学生基础不够扎实，客观上增加了学生学习难度，不仅影响学生自学预习效果，还会影响到整个班级的教学进度安排，加上实验课程中所使用的实验平台和相关电子产品属于模块化、智能化设计，学生很难从身边的传感器应用中获得对传感器及测量电路的直观认识，其动手设计兴趣缺乏。另一方面，随着西部地区产业调整和污染治理的深入开展，石油、化工、冶金类行业企业多由区域中心城市搬迁至距城市较远的县级城市工业园。另外，随着城市化的进一步加速，在校大学生更倾向于在区域中心城市就业或创业，因此自动化专业的部分学生对过程工业控制的学习兴趣不大，更倾向于学习人工智能相关的控制科学。
我校传感器与检测技术课程教学的现状，促使教师探索新思路、新方法，摸索哪些内容可以安排行政班级共同学习，哪些内容可根据学生水平进行分层教学。在此过程中，我校自动化专业形成了过程控制与运动控制两个方向，其对教学内容、教学方法的探索仍需加强。
二、智能科学与技术专业对传感器与检测技术课程建设及教学内容调整的要求
（一）智能科学与技术专业建设对传感器与检测技术课程的新要求
2019年，我校发挥多个学院集中办学优势，新增智能科学与技术专业，并开始本科招生。新的教学任务和形势逼迫传感器与检测技术课程教学主动思变，围绕这个新专业的人才培养目标，开展对课程内容新需求和调整方向的分析，凝练出以智能检测技术为基础，以机器人运动控制和环境感知为实验平台获取相关数据，以智能控制为目标的课程教学内容框架，如图2所示。
（二）智能科学与技术专业对传感器与检测技术课程内容调整的需求
智能科学与技术专业凸显机器人运动控制和智能检测及应用知识与技术的重要性，传感器与检测技术课程教学内容需要围绕机器人运动控制和智能检测进行调整。其中运动控制的相关传感器是基础，如力、速度、加速度等物理量的检测与过程控制中所用到的传感器工作原理类似，通过微调即可满足相关教学要求，如图2的实线框所示;而机器人所独有的视觉、触觉、接近觉，可在原传感器（如CCD、霍尔元件、电涡流、红外等）基础上强调视觉、触觉、接近觉的应用即可，如图2虚线小框所示。需要强调的是，由于智能科学与技术专业更注重机器人、大数据等人工智能相关的智能控制与决策、智能信息处理技术复合型应用型人才的培养，因此图像感知、语音识别、运动检测和多传感器信息融合分析成为新增的、核心的教学内容，如图2虚线方框内容所示。理论课的教学需突出此部分内容，实验课教学则可在我校刚配置的某型号机器人和某智能化物流平台上进行。
三、分层教学探索
鉴于我校自动化、智能科学与技术两个专业均需开设传感器与检测技术课程，以及近年我校学生数学物理基础较薄弱的事实和毕业生未来就业的技术发展方向，本课程已在自动化专业行政班教学基础上开展分层教学探索。在这个探索过程中，任课教师将传感器基本特性、检测技术基础知识和检测技术智能化发展趋势等内容设置为两个专业的共同基础教学内容开展合班教学，以夯实學生专业基础。因两个专业的应用侧重点和特色不同而采用分班教学，即分为“过程控制”特色教学班级和“运动控制”特色教学班级，以深度拓展各自专业应用方向，同时根据学生基础和兴趣爱好不同而采取分层教学和考核，以充分调动学生学习积极主动性、创造性。
（一）教学目标和教学要求相同的课程内容采用合班教学
自动化和智能科学与技术两个专业的传感器与检测技术课程均会涉及传感器测量的基本知识、误差理论及分析、阻抗式（包括电阻式、电容式、电感式）、传感器、压电式传感器、磁敏式传感器以及传感器与检测技术智能化发展趋势等相同或相近的基础内容。这些基础知识可采用合班教学，约占理论教学课时的二分之一。这部分教学内容，应突出以知识点的整合为主线，要求学生掌握这些传感器的基本结构、工作原理、测量电路及应用示例，夯实专业基础，具备分析这些传感器性能的能力，掌握传感器使用方法，掌握相关测量过程影响因素及校正方法，初步具备相关问题案例的综合分析能力。
（二）教学目标和教学要求不同的课程内容则采用分班教学
在应用层面，针对过程控制需要进行温度、液位、流量、压力、成分及物性检测分析的特点， 自动化专业的课程应在热电式传感器、检测技术（包括温度、液位、流量、压力、成分及物性检测）等方面突出过程控制应用需求，强化相关测量仪表及电路应用的环境特征，结合相关实际应用示例和相关仪器仪表的维保案例进行课程教学设计，增加传感器与检测技术在制药、石油、化工、冶炼等行业应用的典型案例分析，拓展学生应用相关技术解决实际问题的能力，可选用“过程控制”特色突出的教材[2-3]。针对机器人运动控制和智能检测需检测机械臂和运动机构的相关运动参数，以模式识别或人工智能的方式感知所处的环境，识别环境中的语音，开展视觉、听觉、接近觉、触觉等多传感器获取信息的融合分析，智能科学与技术专业的智科课程教学应增加CCD图像、语音识别、多传感器数据融合分析等教学内容，并突出“运动控制、智能感知与智能检测”的特色;同时增加集群控制、图像传感器及数据处理、语音识别的典型案例分析，拓展学生对机器人运动控制、工业应用实际技术问题的分析解决能力。这部分应用背景较强的内容宜采取分班教学，根据技术应用需求不同选取不同案例进行深度教学。相关教学内容需在运动控制和某些传感器与检测技术教材的基础上进行重新编写[4-5]。
（三）根据学生基础和需求不同采取分层考核方式，充分激发学生创造力
在同一行政教学班里，由于学生的数学物理知识基础、电路基础不同，学生对本课程的兴趣点和关注点也有差异：基础较好的学生更倾向于学习更多的案例分析方法，基础稍差的学生更关注课程考核结果。因此，教师在课程教学过程中采取学生基础能力考核相同、高阶能力分层考核的探索，既使绝大多数学生都可通过此课程的学习达到课程教学目标要求，同时又能充分激发部分学生的创造力。
本课程对基础知识的考核按统一要求进行，而对应用层面的考核则采用可选的方式进行。热衷于掌握基本原理和基本设计的学生，需达到大作业要求。喜欢动手和分析的学生，可选设计项目进行传感器的应用设计，让他们通过解决实际设计问题来激发他们的创造力。而项目设计既可选控制工程类也可选运动控制类，要求尽量贴近应用实际[6-7]。
大作业和项目设计，要求学生分组讨论，共同展示和评估。在学习成果展示方面，通过组织学生互评大作业和项目设计，让学生积极参与问题思考、贡献解决问题的思路和办法;要求学生独立完成相关任务，以保持其自身的原创性;最后，通过共同对比分析解决问题的思路和方法，促使学生主动思考和分析相关问题解决思路和方法的优缺点。
四、结语
本文从我校教学工作实际出发，初步分析论证了自动化专业和智能科学与技术专业的传感器与检测技术课程教学内容的区别和联系。针对基础性、通用性的传感器及检测技术学习需求，设计了统一的教学内容和教学目标要求;针对不同特色和技术应用场景的不同需求，设计了不同教学内容和案例，突出了技术应用层面问题教学;针对不同基础和需求的学生，通过设计不同深度的问题，要求学生分组独立完成，相互评价解决问题的思路和方法，达到成果共享、共同进步的学习目标。从相关教学班级的初步实践来看，上述教学内容安排和教学方法尝试，基本可实现我校自动化和智能科学与技术两个专业的传感器与检测技术课程的教学目标。
教师在教学过程中发现部分学生在组内的实际贡献不大，却因为所在小组水平较高而获得相对较好的考核成绩。在今后的课程考核实践中需采用小组内加权的方式，以将学生的实际贡献客观地反映出来。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 钱学森，于景元，戴汝为.一个科学的新领域：开放的复杂巨系统及其方法论[J].自然杂志，1990（1）：3-10，64.
[2] 陶红艳，余成波.传感器与现代检测技术[M].2版.北京：清华大学出版社，2013.
[3] 黄英，王永红.传感器原理及应用[M].合肥：合肥工业大学出版社，2016.
[4] 胡向东，李锐，徐洋，等.传感器与检测技术[M].3版.北京：机械工业出版社，2018.
[5] 胡福年，白春燕，丁启胜，等.传感器与测量技术[M].南京：东南大学出版社，2015.
[6] 董春利.传感器与检测技术实训教程[M].北京：机械工业出版社，2017.
[7] 钱裕禄.传感器技术及应用电路项目化教程[M].北京：北京大学出版社，2013.
[责任编辑：庞丹丹]
[收稿时间]2020-07-21
[基金项目]教育部2019年产学合作协同育人项目“人工智能相关专业的课程体系优化探索”（201902084036）;四川轻化工大学2020年研究生课程建设项目“最优状态估计与系统辨识”（YZ202003）。
[作者简介]张松柏（1976-），男，四川广安人，博士，副研究员，研究方向：核探测技术。
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