工程教育理念在“傳感器與檢測技術”實踐教學中的探索與研究

黃璞 黎會鵬

摘要：文章在分析“傳感器與檢測技術”課程教學特點的基礎上，以理論聯系實際為目的，將實踐教學與國際工程教育改革的最新成果CDIO相結合，從學生能力培養、課堂教學內容、導師教學方式、學業考核方式進行了系統性的驗證和嘗試。結果表明，能促進學生開展自主性學習，有效提高學生的工程素養和技術應用能力，取得了較好的效果。

關鍵詞：傳感器技術；CDIO；工程教育；工程素養

在近年高等教育規模不斷擴大、教育資源建設和投入逐年增加的情況下，專業教育質量和行業素質培養卻出現下滑趨勢，全世界范圍內工程技術人員匱乏的現象日益突出，主要是各大專院校培養的人才與社會或專業領域的工作需求銜接脫軌，成為制約我國科學技術創新和工業智能化進步的重要因素，同時，畢業的本科學生普遍缺乏工程項目團隊合作意識，難以融入就業企業的文化。如何培養既能全面運用所學的技術理論和技術手段，又具備工程意識和項目團隊合作精神的全面型技術人員，是全國高等院校，特別是工程相關的工科專業面臨的重要難題，工程概念中，CDIO代表構思（C）、設計（D）、實現（I）和運作（O），它以產品研發、設計、產品定型、產品運行的整個生命周期為載體，讓學生以主動方式與課程之間有機聯系的學習工程。CDIO培養規劃將畢業生的能力分為工程基礎知識應用、個人能力培養、人際團隊協作能力和工程系統執行能力4個層面，引入先進的工程教育理念，為廣大院校解決工程技術人才培養計劃指明了發展道路。

隨著人類科學技術的進步和信息工業化、智能化的迅猛發展，各種外在信息的檢測、數據采集和轉換的核心功能器件——傳感器，成為各個自動檢測與控制系統中必不可少的重要器件[1]。傳感器與檢測技術集成了電子技術、機械工程、光電轉換、電磁感應等綜合知識，且與科研和生產實踐聯系緊密。因此，需要在教學工作中，對該課程的教學內容、教學方法進行長期的探索實踐，提高教學效率和學生綜合能力應用水平。

1 “傳感器與檢測技術”教學模式現狀

通過考察和反饋資料，目前“傳感器與檢測技術”課程教學中主要存在如下問題。

（1）課程不注重理論與工業實際的聯系，授課內容很少涉及工程應用概念和工程實現技術，學習者通過課堂只學到專業基本理論知識，無法有效掌握工程概念和技術應用場合。

（2）只注重單元檢測電路講解，不注重系統框架的講解，致使學習者只是孤立地學習單元電路原理知識，不注重復雜系統到單元電路功能的劃分，而不清楚這些單元電路在檢測和控制系統中的地位和運用方法，致使學習者見到復雜一點的電路就無從分析。

（3）授課內容不能與時俱進，檢測技術的發展日新月異，各種新型傳感器和檢測手段不斷涌現，受教材和人才培養大綱的限制，致使知識能力的培養和現實應用技術需求不適應。

（4）課程實驗設置覆蓋面小，各種驗證性實驗偏多，綜合性、創新設計性實驗偏少，學生綜合知識應用能力和工程創新能力難以得到有效的提高。

2 基于CDIO的綜合課程設計環節實踐

“傳感器與檢測技術”是自動化技術、電氣工程、機電一體化技術、測控技術與儀器、儀器儀表類專業的必修的專業課程，以傳感檢測器件為對象，重點講述靈活運用傳感器、將獲得測量數據應用于工程實際。通過綜合課程的學習，使學生了解各種傳感器的工作原理，掌握其特性，學會根據實用要求選用傳感器，掌握建立基本檢測系統框架的原則與方法，并初步具有設計檢測電路、控制系統的能力[2]。現以本課程為例，對基于CDIO課程設計的教學措施進行展開。

2.1教學方法的改革

（1）建立系統的概念，采取至上而下的方式進行教學內容的組織，選取典型的超聲波應用電路為例，介紹系統框圖，讓學習者對超聲波探頭結構、超聲波發射電路、信號振蕩電路、功率放大電路及電源電路建立起初步的認識，要實現該系統，必須清楚系統各單元的相關知識，內容會在后續教學中逐步介紹，激發起學習者的熱情。

（2）增強學生的工程設計理念，形成初步的概念，不僅要著重進行理論知識的講解，還要突出工程實踐概念，將科研或產品設計中經常遇到的工程問題，如信號干擾問題納入講課內容，使學生在學習中接受工程概念的熏陶，尋找實踐操作中的問題解決方案。

（3）為了加深學生對工程技術的理解，提高學生的工程技術應用能力，教學實踐以日常生活中所見的傳感器和各種控制功能為對象，結合工程項目考核的標準，設計了與課程知識相配套的實踐項目。設計的教學實踐項目如下所示。

項目1：水箱水位控制器的制作（設計背景：高樓水箱供水方法。知識點：壓力、超聲波、阻抗）。

項目2：簡易金屬探測儀的制作（設計背景：安全檢查。知識點：渦流、磁場）。

項目3：簡單路燈控制器的制作（設計背景：路燈自動控制。知識點：光敏）。

項目4：商場自動門控設備的制作（設計背景：公共場所自動感應門的控制設計。知識點：壓電、熱釋電、超聲波）。

項目5：自動烘干機的制作（設計背景：洗手間的烘手機系統設計。知識點：光電檢測）。

設計的綜合教學實踐項目涉及傳感器檢測技術、電子器件技術、電子工藝技術、機械基礎等知識。通過實施教學項目鞏固學過的知識和技能。

（4）改革傳統的課堂講授為主的教學模式，對于器件基本原理、基本設計電路的分析采用板書教學，有利于學生的理解和掌握，對于微弱信號傳導、信號波形變換、信號圖形圖像、各種復雜理論的講解，采取多媒體教學，充分發揮多媒體生動直觀的特點，既降低黑板繪制的難度，節省教學板書時間，又達到了良好的教學目的[3]。

（5） CDIO工程教學模式的第一個環節（關鍵環節）就是先構思，提出問題讓學生思考，自己查找資料，通過自我學習解決實驗教學內容。

（6）為了培養學生的工程素養、掌握解決工程實際問題的能力，除了平時課后習題、課堂作業和實驗報告的鞏固，更增加了工程技術相關的分析、設計題。通過結合工程背景，完成實際工程技術相關的分析、設計，加深對所學知識的理解，注重知識的連貫性，提高學生分析問題和解決工程實踐問題的能力陽。

2.2課程實踐環節的改革

（1）改革實踐教學方式，提高工程實踐能力。受傳統教學方式影響，傳感器實驗大多采取實驗箱完成，學生只需要按照面板接線端口指示，用導線連接端口，測試電路的輸入和輸出來驗證所學的知識。這種實驗無助于激發學生的創新意識和提高動手能力，也不利于工程能力培養。所以，增加綜合實驗教學環節，通過實例，讓學生自主設計、制作和調試電路，遵循工程實踐準則，提高學生工程實踐能力。

（2）借助電子設計自動化（Electronics DesignAutomation，EDA）技術，促進實踐教學手段改革。電路設計中充分發揮EDA工具軟件的作用，前期進行實驗仿真驗證，結果正確后再進行實際實驗。培養了學生的對各種EDA工具的使用能力，幫助學生前期驗證電路，高效完成設計任務。

（3）實踐教學的方法改革，提供工程技術綜合能力和團隊協作能力。采用項目教學法，通過實施與課程教學相關的實踐項目來更好地達到教學目標，培養學生創造能力和解決實際問題的綜合能力，其目的是通過項目實施來實現知識到能力的橋梁。開展開放性實驗教學，引入適當的團隊項目小組討論，不僅可以全面提高工程技術應用能力，又提高了學生的團隊意識[5]。

3 實踐環節的考核模式

選取適當好的實踐項目能夠有效激發學生的學習興趣，調動學生的自主學習思維，加強實踐動手技能的培養，教學項目的選取和設計是項目式教學法開展的基礎，也是難點。工作開展也應當按照工程人才培養模式進行，項目在開展時，每一步的過程是未來工作崗位中實施工作任務的縮影。設計的成果應該有很強的感官特性，避免演示性的成果[6-7]。

3.1設計報告要求

基于應用系統的設計要求，構思系統的整體方案（C）；設計項目的硬件電路，分析電路的特點并用Multisim軟件進行仿真（D）：硬件電路PCB制作、元器件焊接和功能模塊組裝（I）；應用系統調試和功能測試報告（O）[8-9]。

（1）應用系統的電路原理圖。

（2）設計系統的仿真結果。

（3）測試指標及報告。

3.2考核方式

根據設計和調試過程寫出報告，有詳細的方案設計、電路設計與仿真、焊接調試過程、數據記錄、結果分析和體會，考核分值如表1所示。

4 結語

“傳感器與檢測技術”是理論知識與實踐緊密聯系的一門課程，課程最重要的任務是要將其應用到實踐中去，為后續的課程坐好鋪墊。通過引入CDIO教育模式，實踐教學采取半開放性形式進行。在實際教學過程中，能較好調動學生的積極性，學生自主學習、團隊協作和職業技能都得到了較大的提高。

[參考文獻]

[1]陳煒峰傳感器與檢測技術課程改革的實踐[世界華商經濟年鑒（高校教育研究），2008 （12）：137.

[2]王根平，易靈芝，吳志敏，等基于CDIO的《檢測與傳感器原理》課程設計研究與實踐[J].計量與測試技術，2011 （1）：17-18

[3]謝楠.CDIO項目教學法在單片機課程中的應用[J].浙江水利水電專科學校學報，2013 （1）：89-91_

[4]王天寶，程衛東，基于CDIO的創新型工程人才培養模式研究與實踐[J].高等工程教育研究，2叭0 （1）：25-31.

[5]郭劍，陳燕靈，鮑洪剛，關于校級實驗教學質量評價體系的思考[J].實驗科學與技術，2010 （4）：126-128.

[6]盧森幸，鄒清平‘傳感器原理與檢測技術教學改革探索[J].中國電力教育，2013 （1）：108-109.

[7]黃天辰，馮長江，黃興智，等虛擬儀器實驗室建設研究[J].華北航天工業學院學報，2006 （7）：18-20.

[8]陸小華，熊光晶，陳珠琳，以設計為導向的工程教育改革理念[J].高等工程教育研究，2008 （8）：25-20.

[9]孫慧平，余麗萍，柯春松，等基于工作過程的課程設置研究與實踐[J].教育與職業，2007 （36）：27-30.