OBE 視角下“創新設計”與“傳感器技術”課程的融合路徑研究＊

曹慧英，張政梅，張曉波

（山東勞動職業技術學院，山東 濟南 250300）

1 “傳感器技術”課程的教學現狀

“傳感器技術”是機電類專業的基礎課程，掌握和應用傳感器原理及技術是電子及電氣控制技術領域從業人員必須具備的基本技能與素養[1]。傳統的“傳感器技術”課程教學往往只強調基礎理論的重要性，課程的開展方式主要是以電子課件講授為主，輔助以少量的驗證性實驗。這種傳統的教學模式導致學生的學習興趣較低，課堂的有效教學質量不高。課堂教學中教師決定學生的學習內容，容易忽略用人單位需求，從而產生畢業生知識技能與社會需求不符的尷尬情況。該課程傳統教學模式中存在諸多問題，為提高教學質量，滿足市場對人才的需求，該課程教學改革勢在必行。

2 OBE 理念指導“傳感器技術”課程改革的實施方案

行業與用人單位的需求是構建專業教育知識、能力和素質結構的重要依據。OBE 教育理念倡導以學習產出為導向來設計教學資源和安排教學時間，看重教育的結果及其“產出”價值[2]。它主張教師應讓學生知道所學知識與市場崗位之間的目標關系，并以該目標為起點“逆向設計”課程體系，以此激發其主動、積極學習的斗志。

OBE 理念指導下的“傳感器技術”課程的改革與實踐的實施方案為：基于OBE 理念，以學生畢業能力構建為導向，對課程功能進行定位分析，根據“反向設計”原則，預期學生學習完本課程后應達到的實際成果，進而制定課程教學目標，并根據三級核心能力及能力指標來分配課程能力指標權重，以及實現課程教學內容和教學資源、教學模式的重構[2]。用“線上+線下、課上+課下”課堂教學的形式開展理論課程學習，以實現課程知識目標；用開發實訓模塊的形式開展實踐教學，以實現課程技能目標；用設計試驗任務等案例教學的形式培養學生的團隊意識與創新能力，以實現課程的素質目標。將課程的內容進行序化處理后，選擇合適的教學及學法，重構課程的教學模式。根據具體的教學內容及教學安排，選取適宜的評量方式。在整個教學實施過程中，細化評分標準，合理設置考核觀測點，構建動態評價體系，綜合評價學生運用所學知識完成實際工作任務的能力以及完成工作過程中的態度，形成學習成效持續改進機制[3]。OBE 理念指導下“傳感器技術”課程的改革與實踐的總體框架如圖1 所示。

圖1 基于OBE 理念的“傳感器技術”課程的改革與實踐的總體框架

3 融入“創新設計任務”的傳感器技術教學改革

為突出傳感器在工程實踐中的應用而設置的試驗性任務，往往對學生電子線路、單片機原理等基礎課程的要求很高，而高職院校的學生普遍存在理論基礎較差、學習電路分析和程序設計等相關內容的熱情較低的問題。同時很多學校缺少相應的實訓室建設，致使“傳感器技術”課程的授課效果不甚理想。

3.1 Arduino 平臺和 KenBlock 簡述

Arduino 是開源的微型控制器MCU，能幫我們做出一個感知和控制物理世界的專用計算機系統，它包含硬件（各種型號的/Arduino 板）和軟件（Arduino IDE）。Arduino 開源平臺的介入可以很大程度地降低基礎綜合知識相對薄弱的學生的學習難度[4]，在兼顧學生動手能力和創新思維培養的過程中，也能融合硬件集成化、模塊化的設計要求。

KenBlock 機器人創新套件是由深圳樂智機器人有限公司聯合北京大學智能控制實驗室共同研制、開發的一款多用途教學平臺，該平臺以傳感器、控制單元為主，能夠同時滿足高校學生學習、實踐的需求，同時也適合學生進行課后拓展和創新競賽。

3.2 構建基于Arduino 平臺的創新設計任務

“傳感器技術”課程教學以模塊化教學居多，一般由光電、氣體、聲音、溫度、濕度、紅外、磁敏、超聲波等傳感器模組成塊，采用任務驅動式的教學方式，在進行每種傳感器模塊原理的講解后，相應傳感器模塊和Arduino 平臺結合起來，由老師發布創新設計任務，再由學生構建軟硬件平臺，完成相應任務。通過設計豐富的實驗案例，例如智能聲光感應燈、智能感溫風扇、煙霧報警器、智能循跡小車、智能環境監測儀等有趣的項目，幫助學生掌握傳感器的特性，促進學生了解這些傳感器在工程中的應用，在動手操作中獲得成就感，增強開發體驗。

以山東勞動職業技術學院機械設計與制造專業的學生進行“傳感器技術”課程教學的實施過程為例。下面以室內環境監測儀的制作為例說明Arduino 平臺和傳感器教學的融合路徑。該實驗目的是使學生掌握溫濕度傳感器、壓力傳感器的工作特點及使用方法，了解控制單元與連接各種傳感器模塊的硬件連線。實驗的內容為：在KenBlock 控制板的基礎下，添加溫濕度傳感器模塊、氣壓傳感器模塊、PM2.5傳感器模塊、串口液晶顯示屏等模塊，制作室內環境監測儀，即監測室內當前PM2.5值、溫濕度值、氣壓值及海拔高度，將室內環境指標顯示在串口液晶顯示屏。通過本項目的實施，可以使學生在較少動用其他課程儲備知識的前提下，學會溫濕度傳感器、氣壓傳感器、PM2.5傳感器等傳感器的具體應用方法，并掌握識讀技術手冊、調試設備等進行創新設計的能力。

對于一些綜合素質較高、其他學科知識掌握得較為扎實的學生而言，則可以課程設計的形式開展一些綜合實驗。下面以分揀傳送裝置為例來詳述傳感器與課程設計的融合路徑。該實驗的目的是使學生初步了解步進電機工作原理，掌握步進電機的使用方法；了解步進電機驅動模塊的工作原理，學會如何使用驅動模塊驅動步進電機；熟悉舵機的使用方法，熟練使用舵機相關函數控制舵機轉動角度的大小；熟悉紅外避障傳感器的使用方法，通過其檢測分揀物體，返回狀態值控制舵機的轉動。分揀傳送裝置由節流上貨裝置、傳送帶、自動分揀裝置、2 個節流輸出裝置等部分組成。實驗的內容為：通過步進電機的轉動帶動傳送帶，當節流上貨裝置上被紅外避障傳感器檢測到有物品時，發送命令至KenBlock 控制板上，節流裝置上的舵機轉動90°，打開節流口，物品進入傳送帶，通過紅外避障傳感器識別貨物大小，判斷是否為合格物品。如果為合格物品，通過金屬大力矩舵機帶動的推送桿，將貨物推送至合格物品出口；不合格品留在傳輸帶上，傳送至不合格品出口。

對比兩個實驗案例發現：功能實現的難易程度、實驗的目的及要求均呈現逐步增加的狀態，這種遞進式的任務設置方式，兼顧了不同基礎的學生參與項目的需求。部分學生對“PLC 應用技術”“電氣控制技術”等課程掌握得不扎實，完成復雜的創新設計任務存在較大難度。而Arduino 平臺和KenBlock 套件的引入則弱化了這部分學生在“傳感器技術”課程中進行創新設計的限制。

4 結語

通過分析“傳感器技術”課程的教學現狀，結合行業企業需求分析和專業人才培養目標，提出在OBE 理念指導下“傳感器技術”課程改革的實施方案，使得教學內容與實驗內容、課堂內容與產業需求緊密結合。通過對Arduino 項目的學習和實操，采用這種遞進式的創新設計任務驅動，可吸引不同基礎的學生廣泛參與到課程的授課過程中來，讓學生在掌握傳感器基本原理和技術的同時，更鍛煉了專業素養，培養了工程能力和創新能力。