引言

随着机器人、智能装备、可穿戴设备等领域的飞速发展，作为信息获取核心元件的传感器正朝着柔性化、微型化、集成化和智能化方向演进。传感器与测试技术因其优异的动态响应特性、高灵敏度及自发电能力，在机器人触觉、动态力感知、振动监测等场景中扮演着不可替代的角色。然而，在传统的传感器技术或机器人感知技术课程教学中，传感器部分多侧重于原理讲解与现成器件性能测试，学生普遍面临“原理难理解、设计难参与、创新难实现”的困境。教学方式以教师讲授和验证性实验为主，与学生创新能力培养的目标存在差距。与此同时，增材制造（3D打印）技术已从原型制造发展为功能器件直接成型的强大工具，为传感器设计与制造带来了革命性变化。研究机构已成功利用3D打印技术制造出具有复杂微结构、各向异性感知特性及柔性可穿戴特性的高性能压电与压阻传感器。这为本科教学提供了一个绝佳的切入点：将前沿的制造技术与经典的传感原理相结合，通过“设计—制造—测试”的全流程项目实践，使学生在动手创造中深化理论认知，培养工程创新能力。本文借鉴“机器人工程专业多层次人才培养模式”的核心理念，以压电式传感器课程模块为载体，系统阐述如何构建以学生为中心、以3D打印为技术桥梁，开展多层次项目为驱动的教学改革。

一、项目式教学方案

（一）教学改革核心框架：构建“一体两翼三阶”模式

本教改方案的核心是构建“一体两翼三阶”的立体化教学模式，主要包括“一体”：以“压电式传感器创新设计与实现”为贯穿课程始终的核心主干项目。该项目要求学生最终完成一个面向机器人特定应用场景（如灵巧手抓取力感知、关节振动监测）的传感器从概念设计到原型制作的完整流程。“两翼”：为支撑主干项目，打造“前沿技术融合翼”与“项目式学习（PBL）方法翼”。一翼持续注入3D打印工艺、柔性电子、智能材料等前沿内容；另一翼则系统运用PBL教学法，通过问题引导、团队协作、迭代优化来组织全部教学活动。“三阶”：将学习过程划分为循序渐进的三个阶段：认知与基础阶段：掌握压电效应、材料（如PZT、PVDF）及传统传感器设计原理。融合与设计阶段：学习3D打印（尤其是光固化与墨水直写技术）在制造压电复合材料及微结构方面的原理与应用，并利用CAD/FEA软件进行传感器结构创新设计。实现与创新阶段：完成传感器的打印制备、后处理（如极化）、性能标定与机器人集成应用测试，并鼓励进行优化迭代。

（二）课程内容的重构与更新

为适应改革，将原有课程内容模块重构为四个单元，并突出3D打印技术的贯穿性作用，如表1所示。

单元序列	核心内容	传统教学重点	融合3D打印后的改革重点	关联项目阶段
第一单元 原理与材料	压电效应、压电方程、常用材料（陶瓷、聚合物）	理论推导，材料参数讲解	增加3D打印压电复合材料专题：介绍表面功能化PZT纳米颗粒、光敏树脂复合材料等新型可打印材料体系及其制备原理。	认知与基础
第二单元 传统器件与局限	典型压电传感器（力、加速度、声学）结构设计与性能	分析商业器件结构，讲解设计要点	引导学生批判性分析传统压电陶瓷加工技术（如干压、流延）在制造复杂几何形状、微阵列结构方面的局限性，引出增材制造的优势。	认知与基础
第三单元 增材制造与创新设计	适用于传感器的3D打印技术（光固化、墨水直写）	无或仅简介	深度讲解面投影光固化（PμSL） 用于制造高精度微结构压电器件（如图7所示），以及墨水直写DIW）用于制备柔性压阻/压电复合材料（如WPU/SWCNT/CNF油墨）的工艺过程、材料特性与设计约束。引入“结构功能一体化”“各向异性设计”等先进概念。	融合与设计
第四单元 系统集成与应用	传感器信号调理电路、机器人集成方法	标准电路讲解，演示性实验	以实际科研项目为案例，如伯克利分校的3D打印微型超声换能器或柔性可穿戴智能材料，分析从传感器到系统的集成挑战。项目作业要求设计简易调理电路并与机器人平台（如机械臂、机器人手）接口联调。	实现与创新

二、多层次项目式实验教学设计

（一）教学设计

设计“基础—综合—创新”三级实验项目，驱动学生能力阶梯式上升。基础层（验证与认知）：保留必要的经典实验，如使用商用压电加速度计测量悬臂梁振动。但引入对比环节，要求学生拆卸观察其内部结构，思考其制造工艺。综合层（设计与实现）：核心教学环节。实施“微结构增强型压电触觉传感器设计”项目。学生团队需：设计建模：使用建模软件，设计一种具有仿生微结构（如柱状、穹顶、分形）的传感器单元，并利用仿真软件（如COMSOL）初步分析其受力下的电输出响应。打印制备：使用实验室的微尺度光固化3D打印机（如对标深圳摩方S140设备，精度10μm）及压电复合材料，将设计实体化。此过程涉及打印参数设置、后处理（清洗、固化）等实践。测试标定：搭建简易测试平台，对打印的传感器进行灵敏度、线性度、响应时间等静态/动态特性标定，并与仿真结果、传统平面结构传感器进行对比分析。江西理工大学的相关实验表明，此过程能有效培养学生创新思维与实践操作能力。创新层（研究与拓展）：设立开放课题，如“面向机器人手抓取的各向异性力矢量传感器”研究。引导学生借鉴前沿研究，探索通过设计“剪刀状”等特殊晶格结构，利用3D打印实现单一传感器对法向力与剪切力的区分感知，并尝试集成到机器人灵巧手指尖进行抓取力闭环控制演示。

（二）教学实施流程

以一个8周的综合项目为例，其PBL实施流程如下：

第1周（项目启动）：发布项目任务书，展示国内外先进案例，激发兴趣。学生组队，围绕机器人应用场景进行初步调研。

第2-3周（方案设计与仿真）：学习相关3D打印工艺与材料知识，完成传感器结构设计与仿真分析，提交设计方案报告并进行小组答辩。

第4-5周（加工与制备）：在教师指导下，进行3D打印实操，掌握设备使用、材料处理与后极化工艺。

第6-7周（测试与集成）：性能测试与数据分析，尝试与机器人平台集成。

第8周（总结与答辩）：提交完整项目报告（含设计文档、制造记录、测试数据、迭代分析）并进行最终成果展示与答辩。

（三）多元化考核评价体系

改革“一考定绩”的传统方式，建立全过程、多维度的评价体系：

过程性评价：包括方案设计报告的创新性与可行性（15%）、团队协作与日志记录（15%）、实验操作规范性与问题解决能力。

成果性评价：包括最终传感器原型的性能指标（20%）、项目答辩与成果展示表现（20%）。

理论认知评价：通过随堂测验或笔试，考查对核心原理的掌握程度。

三、结论

将3D打印技术与项目式学习深度融合于传感器与测试技术课程教学，是对接机器人工程新工科人才培养需求的有效改革。它打破了理论教学与工程实践之间的壁垒，将前沿制造技术转化为学生可触可感的创新工具，使学生在“做中学、学中创”的过程中，深刻理解从物理效应到功能器件的完整创新链条。这种教学模式不仅显著提升了学生的工程实践能力与创新自信，也为传感器类课程乃至其他专业课程的教学改革提供了“技术赋能教育、项目驱动创新”的新范式。未来的工作将聚焦于开发更系统的教学资源包，优化低成本实验方案，并在更广范围内推广验证。

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