基于CDIO理念的傳感器技術課程教學模式改革

程淑紅 侯培國 屈曉陽 弓洪瑋

[摘要]針對“傳感器技術”課程教學模式改革問題，以CDIO教育理念為基礎，分析了當前課程教學中存在的不足之處，提出了基于CDIO理念課程教學模式改革的指導思想，并設計教學、實驗與實踐方案，優化教學進程和評價方法，采用多種教學實踐手段開展學生自主研究，加強學生能力培養，達到提高教學質量的目的。

[關鍵詞] 傳感器技術；CDIO；教學模式；實踐教學；教學改革

[中圖分類號]G642.0[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2012)01-0083-03

0引言

我國高等工科教育的迫切任務是盡快培養與國際接軌的中國工程師，然而我國工科的教育實踐中還存在不少問題，如重理論輕實踐、強調個人學術能力而忽視團隊協作精神、重視知識學習而輕視開拓創新的培養等[1-3]。Mc.Kinsey Global Institute 在 2005 年 10 月發表的一份報告中稱，2005 年我國畢業的約 60 萬工程技術人才中適合在國際化公司工作的不到 10%，其中的原因是：中國教育系統偏于理論，中國學生幾乎沒有受到項目和團隊工作的實際訓練，相比之下歐洲和北美學生擅長以團隊方式解決實際問題。國內外的經驗都表明CDIO的理念和方法是先進可行的，適合工科教育教學過程各個環節的改革。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體 ,讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。

1課程特點

傳感器被稱為工業時代的測量工具，承擔著信息感知和獲取的關鍵任務，是當今信息時代的信息源頭，在國民經濟和國防各領域中發揮著不可替代的作用[4]。“傳感器技術”課程是電氣學院檢測及自動化專業的一門實踐性很強的技術基礎課，在教學上占有非常重要的地位，一般都是在大學三年級第一學期開設。這門課程的自身特點有：綜合性交叉學科（涉及電磁學、光學、化學等）；各章教學內容相對獨立，缺乏系統性和連續性；與工程實際聯系較為緊密。

2現有教學模式存在的不足

為了提高“傳感器技術”課程的教學質量，培養學生的自主創新和實際工程實踐能力，找出本課程設置的不足之處，本課題組通過調查問卷的形式對燕山大學電氣工程學院本科生、教師進行了調查研究，調查情況如表1、2所示。

從表1可以看出：49.7%的學生認為傳感器技術課程設置不夠合理，51.6%的一線教師也有同樣的看法。這些數據說明傳感器技術課程的教學模式改革刻不容緩。

由表2可以得出傳感器技術課程存在的不足之處，大致可以概括為三個方面：學習目的；課堂教學；實驗與實踐環節。

2.1學習目的不明確

對于電類學生而言，“傳感器技術”是本科生完成專業基礎課程后開設的第一門專業課。大多數學生還不習慣各章課程的相對獨立性，特別是如何針對實際測量系統的要求選擇、設計合適的傳感器。對于知識的掌握僅限于簡單的背結論、原理推導。不了解理論的工程應用意義，不清楚分析問題的來龍去脈，不明確所學知識的用途。

2.2課堂教學不足

教學內容陳舊，只涉及到傳感器工作原理的講解，沒有具體的傳感器件實物供學生研究，知識面窄；沒有結合其他課程一起設計綜合性研討課，無法和其他知識融會貫通。

2.3實驗與實踐環節薄弱

實驗設備陳舊，功能單一，驗證型實驗較多，設計型實驗較少，沒有與實際工程聯系的實驗。這種情況很難鍛煉學生的自主創新和實際工程應用能力，難以激發學生的學習熱情，極大地阻礙學生的發展。

3CDIO理念下教學模式改革

3.1明確學習目的

信息技術已經成為當今全球的戰略技術，作為各種信息的感知、采集、轉換、傳輸和處理的功能器件——傳感器，已經成為各個應用領域，特別是自動檢測、自動控制系統中不可缺少的核心部件。現在，傳感器技術與信息技術、計算機技術并列成為支撐整個現代信息產業的三大支柱[5]。作為“傳感器技術”課程的授課教師，必須要在學生首次接觸課程時，將一個異常開闊的視野展示在他們面前，引用鮮活生動的應用實例、具體的視頻展示來沖擊和震撼學生，進而刺激他們的求知、探索興趣。因此，作為課程開端的緒論尤為重要，摒棄傳統教學中發展歷史的簡單羅列，取而代之的是圖文并茂的視頻展示，既融入了大量的實際工程專業信息，又激發學生的興趣，取得了事半功倍的效果。

3.2課堂教學改革

課堂教學改革完全體現了CDIO理念大綱中工程基礎知識的層面。在課堂教學中，以現代教育理念為指導，體現以學生為主體、理論教學與討論互動共存的主導思想，整合現有的傳感器新技術、新概念及其在工程應用中所面臨的實際問題和解決方法，將其融入到日常的教學過程中，增加學生實際應用的能力，激發學生學習的熱情。例如，在講授壓電式傳感器這一章節時，課堂教學中首先講解壓電效應原理及測量電路，在學生掌握工作原理之后，分組布置課后作業：如何運用壓電式傳感器進行加速度的測量并設計傳感探頭？下次課堂上讓每組學生發表自己的設計思路、看法，教師根據學生的方法引導學生進一步分析，并在分析中融入前人的研究和現今主流的設計及今后發展的趨勢。這種教學過程的開展既促進了學生智力的發展，也發揮了學生學習的自主性、獨立性、團隊協作精神，同時也有助于師生間的溝通，激發學生的創新意識和探索精神。

同時，教學手段采用板書與PPT課件相結合的方法，費時費力的繪圖、文字書寫、結果對比可以采用課件形式以提高效率，而工作原理推導、分析過程則采用板書形式，以加深印象，突出重要性。此外，計算機輔助教學工具MATLAB、LABVIEW的運用也必不可少，它們可以更直觀、簡潔、生動的反映出各種物理量的測量、標定結果。

3.3實驗與實踐教學改革

這一環節的改革包括了CDIO理念中的三個層面：個人能力、 人際團隊能力和工程系統能力。在實驗與實踐內容上，設計了三類實驗：一是驗證基本理論的實驗，該類實驗緊跟理論教學進程，以單元實驗為基礎，主要使學生掌握常用傳感器的使用和標定方法以及接口電路的設計；通過實驗，對傳感器有全面的認識，能獨立進行實驗數據讀取和實驗結果分析，著重培養個人能力。二是從課堂教學任務項目中，挑選了一些設計比較成熟、典型的項目讓學生去實踐開發，課堂不能完成的知識積累通過動手實驗、交流討論交替進行，使學生能主動地使用原本枯燥乏味的理論去解決實際問題，將“知識”迅速轉化為“能力”，由此獲得極大的成就感，激發學生的好奇心以及學習本課程的主動性，達到理論與實踐的相互協調。同時此類實驗需要幾個人一起完成，培養了同學之間的團隊精神。三是綜合應用開發的實驗，它是一個簡單的綜合性較強的研發課題，可以引發學生思考，激發學生的求知欲和創新精神，使學生產生強烈的學習愿望，培養學生解決實際工程問題的一般思維能力和創新思維能力。另外，考慮到該課程與其他學科的關系，如與單片機應用、EDA等課程聯合，還可設計相關的綜合實踐實驗，培養學生實際工程系統能力。

4學習效果評價

在傳統教學過程中，對學生學習效果的評價主要通過課程考試來實現，存在評價目標單一、評價內容片面、評價方法簡單化等缺陷，課程學習所導致的學生綜合素質提升情況難以得到充分體現[6]。對于“傳感器技術”課程來說，學生的學習是一個知識積累－實驗與實踐－創新的過程，因此，記錄和評價學習過程十分重要。本課程對學習效果的最終評價，理論學習部分采用閉卷考試占總成績的70%，平時出勤、協作表現、主動意識等占15%，實驗與實踐占15%。同時，考試試卷的難度相比以前有一定程度的提高，并設有較高要求的選做題，為學有余力的學生留下發揮空間。這種評價方式可以從CDIO理念的角度中較充分地反映學生在學習過程中取得的進展，促進學生學習主動性的形成，起到激勵作用。

5改革成效

燕山大學“傳感器技術”課程教學模式改革于2010年開始啟動，至今經歷了近兩年的時間，每輪課程結束之后都要聽取學生、一線教師、學院領導的意見和建議，并據此進行修改。改革后學生對該課程的評價見表3。表3是對電院07檢測與自動化裝置專業的學生調查的結果，由此可以看出，課程教改后，學生對課程設置的滿意度很高，尤其是創新性實驗和實際工程兩項比教改前有顯著提高。通過課程對學生的CDIO式教學模式的培養，使其具備了獨立學習、自主創新、動手實踐和團隊協作精神，在畢業設計中得到了很好的體現 （包括課題的深度、實驗結果、畢設實物、答辯情況等方面）。

“傳感器技術”課程也是本專業考研的復試科目，學生的考研率接近35%。同時，對于就業也有一定的幫助，07級學生的就業率明顯提高。

燕山大學教務處組織了對任課教師教學效果的網上評價（學生評價權重70%）和院系評價（權重30%），近兩年評優5人次。

6結論

本文以CDIO教育理念為基礎，分析了當前課程教學中存在的不足之處，提出了基于CDIO理念課程教學模式改革和評價方法，從工程基礎知識、 個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個方面全面的培養學生，激發學生的學習興趣，培養學生系統工程技術能力以及較強的自學能力、組織溝通能力和協調能力，達到提高教學質量的目的。在多年的教學實踐中，通過不斷的摸索和改進，上述方法已得到實施，并取得了良好的教學成果。

參考文獻

[1]顧佩華,沈民奮,李升平等.從CDIO到EIP-CDIO:汕頭大學工程教育與人才培養模式探索[J].高等工程教育研究,2008,(1):12-20.

[2]Svensson T,Gunnarsson S.Using a project for assessment of CDIO skills[C].1st annual CDIO conference.Queen's university,Canada,2005.

[3]查建中.工程教育改革戰略“CDIO”與產學合作和國際化[J].中國大學教學,2008,(5):16-19.

[4]劉曉雯,張曉芳,李蘇貴.現代工程教育理念下的傳感器課程教學改革[J].中國電力教育,2010,(18):107-110.

[5]林亞南,林鷺,杜妮等.發揮精品課程示范作用提升教學質量[J].中國大學教學,2009,(10):22-23.

[6]鐘秉林,周海濤.國際高等教育質量評估發展的新特點、影響及啟示[J].高等教育研究,2009,30(1):1-5.