《微机电系统》“课程思政”教学案例
用“芯”驾驶 安全你我——静电传感器的原理及应用
一、基本信息表
教师姓名 （负责人） | 曹海燕 | 职称 | 讲师 |
课程团队成员姓名 | 王慧慧、孙晓东、张颖、律博 | ||
学院 | 智能与电子工程学院 | 系（部） | 微电子工程系 |
课程名称 | 微机电系统 | 课程代码 | [51003CC084] |
学时 | 48 | 学分 | 3 |
课程类型 | □识必修课 □通识选修课 □学科基础必修课 □专业必修课 ■专业选修课 □其他 | 授课对象 | 微电子大三下 |
二、教学目标与学情分析
（一）学情分析
从专业知识储备来看，本课位于第四章第1节，本节的主题是静电传感器的原理及应用，在此之前，学生已经学习了前三章的MEMS的基础知识，为本节课做了铺垫。
从学生的学习能力来看，学生已经具备了分析问题和解决问题的能力，而且信息技术的普及，学生乐于利用数字化媒介进行辅助学习。
从学生的年龄特点和个性差异来看，大三学生对学习目标比较明确，求知欲强，但因每个人的基础不同，对知识的理解能力和接受程度是不同的，而且《微机电系统》具有学科交叉性强的性质，学生刚接触机械学方面的知识，缺乏全面系统的专业概念，缺乏学习的动力。
（二）教学目标
1、知识与能力目标
知识目标
（1）理解静电传感器的原理；
（2）掌握加速度传感器的结构；
（3）分析MEMS换能器的工作原理。
能力目标
（1）培养学生在实际静电器件案例中分析问题和解决问题的能力；
（2）培养学生对MEMS的学习兴趣，引发好奇心，主动获取知识。
2、思政教学目标
（1）培育严谨的科学精神和勇于探索的创新精神；
（2）培养专业认同感、民族自豪感。
三、教学内容设计
（一）教学重点与难点
1、教学重点
（1）静电传感器的原理；
（2）加速度传感器的结构及工作机制。
2、教学难点
定量分析MEMS换能器的工作原理。
（二）课程思政元素
1、思政元素
专业认同感、科技强国、民族自豪感、科学探索精神、求真务实。
2、思政资源
（1）科技强国：介绍汽车安全气囊加速度计，走进MEMS在汽车领域的应用世界。
（2）科学探索精神：①一段视频短片，展示了当汽车突然撞击到前方障碍物时，安全气囊会迅速弹开，以保护驾驶人员，分析安全气囊的工作机制。②电影院中的数字投影DMD微镜的应用。
（3）求真务实：①通过辉光盘，课堂实验演示静电现象。②静电现象在日常生活中无处不在：冬日关车门，穿的毛衣出现啪的声音，梳头发时候等等。
（4）专业认同感：MEMS企业加工的加速度传感器芯片展示视频，理解MEMS加速度芯片是如何利用静电原理实现工作的。
（5）民族自豪感：神舟十二号载人飞行任务圆满成功的报道短片，讲述片中的硕大显示屏的核心器件。
教
学内容设计
思政教学案例的整体设计分为四部分：专业内容、教学方式、课堂实践、考核评价。在以上各个环节，充分挖掘思政元素，将价值塑造、知识传授和能力培养三者有机结合。
1、在专业内容方面，挖掘静电传感器知识点中关联的思政元素，优化思政供给。
2、在教学方式方面，使用微课、话题讨论、演示实验等多种方式进行思政内容的引入，通过设置科技问题、热点话题等相关的任务，让学生进行思考，增加小组讨论以及线上线下分享，充分调动学生参与课堂的积极性，增加思政元素的趣味性。
3、在课堂实践环节方面，基于逐级任务驱动，引导学生将静电传感器原理与DMD微镜工作机制相结合，解决实际案例问题，培养科学探索的精神，并提高解决复杂工程问题的逻辑思维的能力。
4、设计融合课程思政的课后作业，包括基础任务和高阶任务，围绕本节课基本理论知识，在巩固和拓展所学知识的同时，培养学生自主学习和合作学习的能力。
四、教学方法与手段
基于线上线下混合式教学方式和信息化教学手段，本节课通过汽车安全气囊的例子导入新课，从中抽象出物理问题，形成“实际问题——静电理论——实际问题”的知识闭环，依据不同的教学内容及学生实际情况，突出以学生为主体，教师为主导，发挥学生个性，相互穿插，综合运用讲授法、讨论法、演示法、案例法、自主合作等教学方法，在知识传授中实现价值观引导。
（一）教学方法
1、讲授法——利用信息化平台教学媒介，进行静电传感器知识点讲解。课堂设计中包含了讲练结合，使学生在掌握理论知识的基础上，结合希沃课堂测试互动模块和雨课堂预习测试，开展教与学的互动。
2、讨论法——通过案例导入，提出问题，组织学生自主学习、交流反思和协作讨论等。
3、演示法——教师通过辉光盘向学生演示静电现象，引起学生学习的兴趣，集中学生的注意力。
4、案例法——教师在授课进程中，在适当的节点引入汽车安全气囊加速度传感器、MEMS芯片、数字投影DMD微镜和航天控制中心的显示屏等多媒体资源，引导学生对案例进行探究。
5、自主合作法——通过本节课的知识讲解，学生在课前课后通过自主学习和小组合作探究的方法，将课堂延伸到阅览室、网络等空间，鼓励学生利用各种资源对知识进行探索，完成课后任务。
（二）教学手段
引入雨课堂、希沃品课、学习平台等信息化平台，新颖的互动教学模式激发学习兴趣，培养自学能力，引导创新思维，实现知识传授、能力培养和价值引领的紧密融合。
五、教学过程
教学具体实施过程主要包括：课前、课中和课后三个环节。
教学步骤 | 教学内容安排 | 思政元素 |
课前 | 【话题讨论】 教师在希沃品课发送话题任务“生活中的MEMS技术应用，体现在哪些方面？”，学生在完成话题讨论并进行分享。
图1 希沃品课话题讨论 | 自主合作学习 |
课中
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课中 | （一）课程导入——引入 【内容回顾】（5min） 在上课之前，教师通过希沃黑板，带领学生先来回顾MEMS的基本概念，学生积极发布观点。
图2 希沃品课课堂互动 【互动话题】（2min） 那么大家知道这些传感器和执行器在日常生活中有哪些应用呢？我们上节课留给大家的话题任务，大家来说一说都有哪些应用？
图3 MEMS器件在国产应用领域的探讨 【案例引入】（5min） MEMS器件在日常生活领域的应用是非常广泛的，近年来，尤其在汽车和消费电子领域，正在不断地改变着人们的生活。汽车上涉及MEMS的传感器有20多个。 那今天的内容，就从同学们最感兴趣的汽车安全气囊加速度计开始，来走进MEMS的世界。以日常生活中的案例，激发学生们对科学研究的兴趣及探究欲望。
图4 汽车安全气囊工作的视频短片 | 科技强国 |
| 【提出问题】（1min） 一段短片，展示了当汽车突然撞击到前方障碍物时，安全气囊会迅速弹开，以保护驾驶人员。 【任务驱动】（5min） 通过提出“安全气囊为什么会弹出？”的问题，引导学生思考和分析：当汽车撞击时，其加速度a会发生骤变，而触发气囊的是电开关，也就需要电能，因此气囊弹开的问题就转变为“机械能到电能转变”的问题。 本节课的学习就是如何利用静电原理来解决上述问题。
图5 问题引导PPT | 科学探索精神
|
| （二）实验演示——展开 【演示实验】（6min） 请学生联想日常生活中的静电现象，并通过希沃课堂的点名形式，与学生进行互动。通过静电小实验，现场展示静电现象。静电现象在日常生活中无处不在：冬日关车门，穿的毛衣出现啪的声音，梳头发时候等。
图6 课中静电演示实验 【提出问题】（1min） 静电现象的原理？引出静电的本质。 【讲授】（10min） 从定义中，可以提取两个关键词：就是带电体/电荷和静电力。那什么样的带电体上会存储电荷，而且还是异种电荷呢？——电容结构，引出本节课的主要内容，刚才提到的安全气囊加速度计，就可以利用这个结构来实现，也就是回归到：气囊弹开的问题就转变为“机械能到电能转变”的问题。
图7 教师讲授静电机理PPT |
理论联系实际 求真务实 |
| （三）主要原理——深入 【案例引入】（5min） 通过MEMS领头企业博世的产品短片，展示一个比一元硬币还要小的MEMS加速度芯片是如何利用静电原理实现工作的。
图8 MEMS加速度芯片视频短片 【讲授】（15min） （1）静电传感器的原理。 （2）结合汽车安全气囊的加速度传感器的梳状结构，讲解MEMS加速度计的工作原理。
图9 教师讲授静电传感器的原理PPT | 专业认同感 |
| 以上的内容，介绍的是测试一个方向的加速度，而且方向是纵向的。那么请学生进行猜想：一个传感器结构能否实现三轴的加速度测试呢？ 【课堂互动——选一选】（5min） 通过希沃黑板发布习题，学生端查收，随堂进行答题和互动，更深一步理解梳状电容结构和静电传感器的工作原理。
图10 希沃品课发布习题PPT 【课堂互动——做一做】（10min） 理解静电原理和基于静电原理的传感器，需要从定性角度和定量角度双层分析：机械能到电能的转变。 因此，为了提高学习内容的高阶性，从定量角度进一步分析MEMS加速度计的灵敏度问题，在课堂中重点强调建模和逆向思维逻辑的重要性。 首先对梳状结构进行物理建模，其步骤如下： （1）传感器的敏感方向沿着Z轴，能够发生垂直运动。 （2）可动电极由左右两根长L、宽W、厚t的悬臂梁支撑。 （3）可动和固定电极之间交叠区域的长度为l0、厚度为t0、间距为d
图11 教师提出高阶问题PPT 通过讲练结合，分别从定性和定量角度分析加速度传感器的工作机制。课上先由小组，进行讨论具体的解题思路，通过希沃课堂展示学生的解题方法，以提高学习效果和学生的积极性。 教师针对讨论结果进行点评和重点补充。
图12 教师引导学生逆向思考问题PPT |
逆向逻辑思维 |
| （四）案例拓展——升华 【提出问题】（1min） 本节课的静电原理能够解释生活中的实际案例的工作机制，从分析问题的角度，阐述了机械能——电能的转变。通过提出新问题：“能否利用静电原理，反过来，实现电能——机械能的转变呢？ 【案例引入】（5min） 通过观看神舟十二号载人飞行任务圆满成功的报道短片，讲述片中的硕大显示屏的核心器件，其实也是基于静电原理的一种器件——DMD芯片。
图13 北京航天控制中心的显示屏技术短片 | 民族自豪感 |
| 【互动讨论】（8min） 在日常，我们有这样的想法，我们打一束光到镜面上，然后放大镜面反射出的光可以得到这束光的投影，但我们想要的不仅仅是光，如果每个小镜片可以活动，控制镜片的活动角度，只让部分光被反射放大，剩下的光被打到别的方向被吸光结构吸收就能得到图案。
图14 学生小组讨论 开展小组讨论，数字微镜芯片（DMD）的工作原理及能域转换。 |
科学探索精神 |
（五）总结归纳——反馈 【总结1】（3min） 对本堂课的重点和难点进行总结归纳，教师通过随堂提问的方式检验学生的掌握情况。
图15 教师总结PPT 本节课从学生特别感兴趣的安全气囊加速度计开始，带着问题，讲解静电原理和基于静电原理的加速度传感器的工作机制，分别从定性和定量角度来分析实际的案例问题，形成“实际问题——静电理论——实际问题”的知识闭环。 并提出有效的学习策略，善于去关注实际的生活问题，以此来更好的理解所学习的理论知识。 【总结2】（3min） 总结雨课堂的预习学习情况，根据答题正确率，结合希沃课堂的互动随堂练习，进一步巩固本节的知识点。
图16 教师反馈雨课堂预习测试结果 |
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课后 | 希沃品课APP查收课后任务，并将完成内容及时上传！ 【任务1】 ☆以个人为单位（基础任务）：定量分析MEMS加速度计的灵敏度。 【任务2】 ☆☆以小组为单位（高阶任务），尝试利用本节课的静电原理和下面的原理图，定性分析DMD的工作原理及能域转换。
图17 教师发布课后基础任务和高阶任务 | 自主合作学习 |
六、教学评价
多元化、多方式、全程性的评价方式，更全面形成对学生专业能力和价值塑造的评价，培养满足企业、社会的高素质技能型人才。
1、诊断性评价：
课前教师通过信息化平台发布话题任务和思政专区，学生在线上分享讨论，教师通过反馈数据和学生线上的阅读量和参与度，进而分析学生对相关知识点的理解程度和学生的学习兴趣；课后教师以希沃问卷的形式，让学生对本堂课进行教学反思并反馈评价，调研学生对思政教学的意见建议。
2、形成性评价
教师通过学习平台查看学生在课前课后的学习时长，以反馈学生在每个知识点的学习痕迹；在课中，教师通过弹幕讨论、学生课堂的活跃度，以掌握学生在课堂学习中的接受情况和学习兴趣。
3、终结性评价
教师在课前通过雨课堂发布MOOC和测试，学生完成测试，对学生的学习结果进行量化评价。课中教师通过希沃黑板发布不同层次的达标题目，如知识型、能力型、研讨型，难易兼顾，层次鲜明，对学生的学习结果进行全面评价；课后学生查收学习平台发布的调研报告任务，学生按照量规评价表进行自评和互评打分。
图18 基于信息化平台的课前——课中——课后全程评价
4、同行评价
结合课程团队成员、听课委员等的听课评价意见，对教学过程与教学设计进行及时优化与改革。
七、思政教学反思
（一）思政教学的意义与价值
在《微机电系统》教学过程中，将专业知识讲深讲透，在传授知识的同时，注意融合相关的思政素材，使用问题导入、讨论、演示、合作探究等教学方法，以教师为导向，以学生为主体的教学模式，激励了学生奋发学习的热情，培养了学生的科学探索精神和民族自豪感，拓展了认识问题的视野，提高了专业认同感，塑造了正确的价值观，在知识传授的过程中实现了价值引领。
（二）思政教学的成效和特色
1、专业内容与思政案例的精心打造
通过引入国内知名MEMS企业的加速计芯片产品、北京航天控制中心的硕大显示屏等思政案例与静电MEMS器件应用的结合，以激发学生的学习兴趣，培养学生对科学研究的兴趣及探究欲望，将知识传授与价值引领有机融合，实现课程对学生思想进行“随风潜入夜，润物细无声”的教育作用，进而有效提升学生的综合素养，较好地实现课程思政的教学目标。
2、课堂组织形式和教学模式的探索与丰富
基于数字化混合的教学模式，本节课通过汽车安全气囊的例子导入新课，从中抽象出物理问题，形成“实际问题——静电理论——实际问题”的知识闭环，采用讲授法、讨论法、演示法、案例法、自主合作等教学方法。课程设计中包含了小组互动，翻转课堂的形式，使学生为主要角色，以案例引导使得学生动起来，学生全身心投入学习活动，让他们在实际思考中获得知识、开展思维，教学效果得到良好体现。
3、课程考核方式的优化及考核标准的细化
通过雨课堂、希沃平台、学习平台等数字化工具评价支撑，充分收集学生对课堂教学内容的消化和反馈。通过开展课前、课中、课后全过程评价，全方面评价学生的学习效果。学生在雨课堂和希沃品课的参与度均达到90%以上，并且通过测试题目的正确率数据来看，平均值合格率达到70%以上。
（三）思政教学的改进措施
1、提高思政案例的普适性
教学实践过程中，思政素材内容分散，关联性不强，未形成完善的思政体系。需要加强课程思政的顶层设计，全面整合《微机电系统》课程中的思政元素，适用于课程的多个知识点，甚至可以推广于专业的其他课程中，达到思政教育的普适性和推广性，使课程教学与思政教育同向同行。
2、加强教学团队的思政水平
备课难度加大，在挖掘思政元素时要耗费大量时间，并且在备课过程中要思考如何将思政要素自然融入讲授的专业知识。需要教师加强政治理论知识的学习，在教学团队建设过程中，定期开展政治学习和培训，思政论坛等，提高教师的思想政治素养。
八、教学资源拓展
在后续教学过程中可以引入更多的视频教学和信息化平台互动，提高学生课堂参与度，启发学生自主和合作思考。
1、多媒体资源
对于那些枯燥难懂的理论，应该运用多媒体展示。尤其是那些形象具体，生动活泼的信息，比如讲解“本征氧化层的性质”，引入“接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红”的诗句和视频，让学生在身临其境中感受氧化层和荷叶的疏水亲水的异曲同工之妙，增长知识，培养能力，塑造价值观。
2、演示性资源
对于某些真理性的理解，尽量开设实验教学，让学生在耳闻目睹、动手操作中感受真理的存在。比如静电原理的学习，如何让学生亲身感受到静电的存在，采用辉光盘的实验，让他们亲身体验中，积极求知和探索，教学效果更加显著。
3、自主探究式资源
教师精心设计启发式问题，抓住提问的契机，激发学生从多角度多层次考虑问题，自由发挥、自由交流，从而不断使自身的认知水平从现有发展水平的基础逐渐向潜在发展水平过渡。如学生在学习“静电原理及应用”，学生在掌握机械能到电能的转变应用下，教师发起新话题“能否实现电能到机械能的应用呢？”，学生以合作探究的形式，积极讨论，通过信息化平台进行学生间的共享和互动。
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