“新工科”背景下基于CDIO模式的《傳感器與測試技術(shù)》教學(xué)改革

顧雯雯

摘? ?要：針對西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院面向電氣工程及其自動化、車輛工程、機械設(shè)計制造及其自動化、農(nóng)業(yè)機械化及其自動化等本科專業(yè)開設(shè)的《傳感器與測試技術(shù)》課程，在分析研究課程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合“新工科”建設(shè)目標(biāo)，提出將CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）工程教育理念引入《傳感器與測試技術(shù)》課程改革中，從構(gòu)思CDIO模式下的教學(xué)理念、設(shè)計CDIO模式下的教學(xué)體系、實現(xiàn)和運行CDIO模式下的教學(xué)改革等方面對課程教學(xué)進行深化改革。提出理論教學(xué)應(yīng)做到突出重點和案例剖析;實驗項目強調(diào)CDIO過程訓(xùn)練;綜合設(shè)計性實驗項目注意專業(yè)導(dǎo)向性。

關(guān)鍵詞：新工科? 傳感器與測試技術(shù)? CDIO? 教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0202-03

Abstract： The paper is related to the discussion of the course of ‘Sensors and Testing Technology， which has been set for the Southwest University undergraduate students majored in electrical engineering and automatization， Vehicle Engineering， Mechanical Design Manufacture and Automation， Agricultural Mechanization and Automation， et al. After studying and analyze the current situation of the course， combining with the ‘Emerging Engineering construction goal， it is proposed to bring Conceive-Design-Implement-Operate （CDIO） engineering educational concept in the course. It contains the contents of conceiving teaching concept， designing teaching system， implementing and operating teaching reform under the CDIO mode. It is suggested that theoretical teaching should focus on the key point and case analysis; experimental project items emphasize CDIO processing training; comprehensive design experimental project should attach more importance to professional direction.

Key Words： Emerging engineering ; Sensors and testing technology; CDIO; Teaching reform

1? 現(xiàn)狀分析

當(dāng)今世界工程教育的大背景正在發(fā)生巨變。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的不斷進步，新一代信息技術(shù)正在逐步開啟經(jīng)濟變革和發(fā)展的新征程。在這樣的大背景下，作為支撐工業(yè)變革的工程教育進入了“新工科”時代[1-3]。2017年2月20日，教育部發(fā)布《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，提出“新工科”建設(shè)目標(biāo)，旨在從新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系等頂層設(shè)計來推進工程教育改革，重點提出要開展以產(chǎn)出為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)模式改革的研究和實踐，確保最新科技和工程前沿知識進入課堂[4]。

《傳感器與測試技術(shù)》是為高等院校理工科專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門重要的專業(yè)技術(shù)課程。該課程具有信息量大、理論性和實踐性強等特點，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)等解決生產(chǎn)實踐中信息獲取與信號處理問題的能力。目前，在“新工科”背景下，西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院面向電氣工程及其自動化、車輛工程、機械設(shè)計制造及其自動化、農(nóng)業(yè)機械化及其自動化等本科專業(yè)開設(shè)的《傳感器與測試技術(shù)》課程存在的主要問題如下[5-7]：

（1）理論教學(xué)老套陳舊，實驗教學(xué)落后過時。理論教學(xué)涉及了較多推導(dǎo)各類傳感器原理公式的內(nèi)容，使學(xué)生感到枯燥乏味。實驗教學(xué)主要是在模塊化實驗平臺上進行，學(xué)生只需要按照實驗指導(dǎo)書完成基本的操作，實驗教學(xué)停滯在對傳感器工作原理和性能的基本驗證階段。

（2）教學(xué)方法和模式比較僵化。教師填鴨式地灌輸，學(xué)生被動地接受，沒有自主思考、探究和創(chuàng)新的空間。考試結(jié)束后，大多數(shù)學(xué)生很快就將知識淡忘，教學(xué)效果可想而知。

（3）能力培養(yǎng)無專業(yè)特點。電氣類專業(yè)和機械類專業(yè)在教學(xué)內(nèi)容和模式上區(qū)別不大。電類和非電類專業(yè)學(xué)生，授課任務(wù)都是學(xué)習(xí)各類傳感器原理及其測量電路，特別是應(yīng)用實例講解中沒有突出傳感器針對不同專業(yè)的應(yīng)用特色。

2? CDIO工程教育理念

2004年，由瑞典皇家工學(xué)院（KTH Royal Institute of Technology）和麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）等4所大學(xué)聯(lián)合倡導(dǎo)的工程教育理念CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate），即“構(gòu)思——設(shè)計——實現(xiàn)——運行”成為當(dāng)代信息化時代背景下參與高校最多、影響最廣的一種先進教育思想。CDIO的理念是為學(xué)生提供基于產(chǎn)品開發(fā)周期的工程教育環(huán)境[8-12]。在“新工科”背景下推進CDIO工程教育理念具有深遠的意義，體現(xiàn)在如下方面：

（1）滿足“新工科”背景下高水平人才的能力培養(yǎng)需求。“新工科”背景下需要具備新領(lǐng)域?qū)I(yè)的復(fù)合型新興人才，要求其具備跨學(xué)科知識、人文情懷、創(chuàng)新能力、領(lǐng)導(dǎo)能力。而CDIO正是以工程教育的全周期為培養(yǎng)過程，重點培養(yǎng)具有工程背景、德才兼?zhèn)洹⒁曇伴_闊、創(chuàng)新思維能力強的新興復(fù)合工科人才。

（2）有利于實現(xiàn)理論與實踐動態(tài)平衡。CDIO要求以各學(xué)科相互支撐的課程體系來設(shè)計課程計劃;將個人技能、人際關(guān)系技巧和產(chǎn)品研發(fā)能力培養(yǎng)整合到一個單一的課程中;將課堂內(nèi)理論學(xué)習(xí)和工程技術(shù)學(xué)習(xí)與現(xiàn)代實踐場所的設(shè)計、實現(xiàn)和動手學(xué)習(xí)相結(jié)合。該模式有利于學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)，打破重理論、輕實踐的弊端。

（3）在工程領(lǐng)域具有普遍的適應(yīng)性。CDIO設(shè)定的目標(biāo)是為高等工程教育創(chuàng)造一個合理的、完整的、通用的教學(xué)目標(biāo)，將個人的、社會的需求與系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于所有的工程領(lǐng)域，因此具有普遍的適應(yīng)性。

因此，為了改變當(dāng)前《傳感器與測試技術(shù)》課程存在的問題，探索“新工科”背景下的人才培養(yǎng)機制，本文將CDIO引入《傳感器與測試技術(shù)》課程改革，以理論培養(yǎng)為基礎(chǔ)，以工程應(yīng)用為目標(biāo)，從教學(xué)理念、教學(xué)體系、教學(xué)手段和方法等多層次、多方面地進行教學(xué)改革。

3? 基于CDIO的課程體系重構(gòu)

3.1 構(gòu)思CDIO模式下的教學(xué)理念

要確保《傳感器與測試技術(shù)》課程教學(xué)改革順利實施，首先要樹立基于CDIO的教學(xué)理念。根據(jù)CDIO教學(xué)大綱，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)理論和技術(shù)發(fā)展方面的知識，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力，提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力，按照構(gòu)思——設(shè)計——實現(xiàn)——運行產(chǎn)品生命周期，依次系統(tǒng)地完成工程項目的開發(fā)。基于上述CDIO教學(xué)理念，《傳感器與測試技術(shù)》課程教學(xué)理念改革從三個方面進行：（1）修改教學(xué)大綱的內(nèi)容，制定更合理的理論和實驗教學(xué)內(nèi)容，明確基于CDIO的實驗項目，綜合課程設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計，做到教、學(xué)、做三結(jié)合;（2）要求學(xué)生根據(jù)產(chǎn)品周期完成項目設(shè)計，以提高學(xué)生解決問題的能力;（3）改進課程評價和反饋機制，加強各個環(huán)節(jié)的過程監(jiān)控。

3.2 設(shè)計CDIO模式下的教學(xué)體系

《傳感器與測試技術(shù)》課程以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，偏重于工程和實踐應(yīng)用。扎實的理論知識是“新工科”背景下當(dāng)代大學(xué)生的基本要求。鑒于此，需要對理論教學(xué)內(nèi)容進行重新整合，刪除冗余且過時的知識，加強傳感器典型應(yīng)用的講解。

另一方面，合理改進傳統(tǒng)實驗項目，增加設(shè)計性實驗內(nèi)容，提高實驗內(nèi)容的綜合性，并在實驗室環(huán)境中根據(jù)CDIO理念進行實驗培訓(xùn)。例如，增加光電報警系統(tǒng)設(shè)計、電子秤設(shè)計等設(shè)計性實驗項目，難度控制在驗證性實驗與課程設(shè)計之間，由三至五人組成。上述設(shè)計性題目需要《傳感器與測試技術(shù)》課程知識與先修課程，如《模擬電路》、《數(shù)字電路》等課程知識想結(jié)合，以此更好地激發(fā)學(xué)生的設(shè)計熱情，探索、挖掘和培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用潛力。

3.3 實現(xiàn)和運行CDIO模式下的教學(xué)改革

3.3.1 理論教學(xué)突出重點和案例剖析

根據(jù)CDIO大綱，理論教學(xué)重點圍繞傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)特性、典型檢測電路;每種類型的傳感器配合工程項目案例，明確其工程應(yīng)用，讓學(xué)生學(xué)會合理選擇和運用各種傳感器。

3.3.2 實驗項目強調(diào)CDIO過程訓(xùn)練

為了將實驗項目與傳統(tǒng)驗證性實驗區(qū)分開來，將實驗項目修改為具有明確測量對象和目的，但是實驗方法和手段可選的綜合設(shè)計性實驗項目。例如將“電渦流傳感器性能實驗”替換為“基于電渦流傳感器的不同物質(zhì)檢測”，要求學(xué)生自行構(gòu)思設(shè)計方案，設(shè)計相應(yīng)的檢測電路，利用電路仿真軟件或面包板搭建檢測電路，最后將檢測與測試系統(tǒng)投入運行，驗證設(shè)計的正確性。

3.3.3 綜合設(shè)計性實驗項目注意專業(yè)導(dǎo)向性

考慮到不同專業(yè)《傳感器與測試技術(shù)》課程與先修課程之間的關(guān)系，以及不同專業(yè)對學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的要求，綜合設(shè)計性實驗項目應(yīng)具有專業(yè)導(dǎo)向性。如自動化專業(yè)，既要求選用性能和結(jié)構(gòu)合理的典型傳感器型號，又要進行信號處理電路設(shè)計，并要求使用EDA軟件進行電路設(shè)計和仿真。又如機械類專業(yè)，由于前期先修課程對電路、模擬電路、數(shù)字電路等課程要求不高，在設(shè)計和搭建傳感器檢測電路時應(yīng)注重選用已有信號處理電路模塊搭建測試系統(tǒng)。

4? 結(jié)語

本文在“新工科”背景下，以培養(yǎng)創(chuàng)新型工程科技人才為總要求，針對《傳感器與測試技術(shù)》課程教學(xué)中存在的問題，將工程教育理念CDIO引入《傳感器與測試技術(shù)》課程改革中;遵循構(gòu)思——設(shè)計——實現(xiàn)——運行工程教育理念，提出課程改革從構(gòu)思CDIO模式下的教學(xué)觀念、設(shè)計CDIO模式下的教學(xué)體系、實現(xiàn)和運行CDIO模式下的教學(xué)改革等四個方面切入;做到理論教學(xué)突出重點和案例剖析;實驗項目強調(diào)CDIO過程訓(xùn)練;綜合設(shè)計性實驗項目注意專業(yè)導(dǎo)向性。

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