基于CDIO理念的傳感器與檢測技術(shù)實踐教學(xué)改革探索

邱忠超 蔡建羨 姚振靜 李立新 于瑞紅

[摘 要]針對傳感器與檢測技術(shù)課程實踐教學(xué)模式改革問題，文章基于CDIO工程教育理念分析了目前課程實踐教學(xué)中存在的不足之處，提出了基于CDIO理念的傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)新模式，通過設(shè)計項目構(gòu)思、項目方案設(shè)計和具體化、產(chǎn)品實現(xiàn)和制作、產(chǎn)品運行和完善四部分，說明CDIO理念在項目中的實施過程，最后提出項目評價與考核方法。

[關(guān)鍵詞]傳感器與檢測技術(shù); CDIO;教學(xué)模式;實踐教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）02-0083-03

傳感器與檢測技術(shù)是一門內(nèi)容比較分散，但實踐性非常強的重要專業(yè)課程。它涉及物理、電子、機械、生物、化學(xué)等眾多學(xué)科知識，主要內(nèi)容包括傳感器技術(shù)基礎(chǔ)、力傳感器、溫度傳感器、位移/物位傳感器、光電傳感器、新型傳感器等，非常注重工程應(yīng)用實際情況，與傳感器材料工藝密切相關(guān)。另外，檢測系統(tǒng)除涉及傳感器相關(guān)知識外，還涉及自動控制原理、計算機的相關(guān)知識[1]。通過對傳感器與檢測技術(shù)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅需要理解、掌握各類傳感器的基本工作原理，還要能合理選擇和使用傳感器，這樣才能培養(yǎng)學(xué)生搭建檢測系統(tǒng)的綜合能力。然而，目前該課程教學(xué)內(nèi)容過于注重講解基礎(chǔ)理論，對傳感器在具體工程中的應(yīng)用講解較少，導(dǎo)致學(xué)生基礎(chǔ)理論知識掌握得較好，但解決實際工程問題的能力較差。因此，對傳感器與檢測技術(shù)進(jìn)行實踐教學(xué)改革非常有必要[2]。

隨著我國科技的飛速發(fā)展，社會對大學(xué)生的實踐能力要求逐步提高。高校在教授學(xué)生理論知識的同時，也應(yīng)加強對學(xué)生動手能力、工程實踐能力的培養(yǎng)，以適應(yīng)社會的發(fā)展。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）。CDIO貫穿產(chǎn)品從構(gòu)思到運行的整個生命周期，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間相互聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)，重點培養(yǎng)學(xué)生掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識和工程理論，將教學(xué)過程嵌入工程實踐領(lǐng)域的具體情境中[3]。

一、教學(xué)現(xiàn)狀與教改方向

目前防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院開設(shè)的傳感器與檢測技術(shù)課程共48學(xué)時，其中理論教學(xué)32學(xué)時，實驗教學(xué)16學(xué)時。理論教學(xué)主要講解傳感器基礎(chǔ)知識，并結(jié)合電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式、光電式等傳感器介紹其工作原理、測量電路等相關(guān)專業(yè)知識。

傳感器與檢測技術(shù)實驗采用ZGL-XS-01 型傳感器實驗儀，按照“傳授基礎(chǔ)知識—培養(yǎng)綜合能力—培養(yǎng)創(chuàng)新能力”的思路，由易到難，依次實施驗證性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗。但在目前的具體實踐教學(xué)中，還是以教師的教為主導(dǎo)，即先由教師講解實驗原理、實驗步驟、注意事項等內(nèi)容，由教師從頭至尾將實驗演示一遍后再讓學(xué)生完全照做一遍。設(shè)計性實驗的情況稍好一些，實驗演示取消，但教師往往會有明顯的實驗提示，這就導(dǎo)致設(shè)計方案全班基本一致，結(jié)果是大部分學(xué)生只知道實驗怎么做，但不明白為什么要這樣做，只知其然不知其所以然，最終使得提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、解決工程問題能力和提高團(tuán)隊合作精神的目標(biāo)遙不可及[4]。

目前傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)存在如下不足之處。

1.教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，章節(jié)內(nèi)容相對獨立，工程實例較少

課程內(nèi)容比較分散，各章節(jié)內(nèi)容是獨立的，章節(jié)之間缺乏連續(xù)性;教學(xué)內(nèi)容側(cè)重各類傳感器原理及其測控電路的講解，應(yīng)用實例較少涉及。另外，教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，新型傳感器較少涉及，教材不能反映最新的科技發(fā)展水平，這嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性[5]。

2.教學(xué)方法太單一， 難以實現(xiàn)知識、能力和素質(zhì)的全方位培養(yǎng)

課堂教學(xué)采取“滿堂灌”的方式，以教師為中心，忽視了教師的個性化指導(dǎo)，學(xué)生被動地接受知識，學(xué)習(xí)的自主性和積極性比較低，這導(dǎo)致學(xué)生解決實際工程問題的能力和團(tuán)隊協(xié)作能力難以提高。同時，由于學(xué)生的知識基礎(chǔ)與學(xué)習(xí)能力之間存在差異，教師要采用多樣的教學(xué)方法和教學(xué)手段才能真正實現(xiàn)學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的全方位培養(yǎng)。

3.實驗裝置集成化、模塊化，制約學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

實驗課使用的實驗裝置都是由專業(yè)的教學(xué)儀器公司研制的，由于實驗裝置高度集成化和模塊化，導(dǎo)致實驗資源相對固化，學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性與積極性降低，只能按照實驗指導(dǎo)書按部就班地去完成具體實驗，這嚴(yán)重制約了學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的提升。

二、基于CDIO理念的傳感器與檢測技術(shù)實踐教學(xué)新模式

CDIO理念是由瑞典皇家工學(xué)院、麻省理工學(xué)院等國際著名高校聯(lián)合創(chuàng)立的，它代表了目前國際教育的最新成果[6]。CDIO理念貫穿產(chǎn)品從構(gòu)思到運行的整個生命周期，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間相互聯(lián)系的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，重點培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識，讓學(xué)生具備較強的專業(yè)技能和素養(yǎng)[7]。基于此，項目組構(gòu)建了基于CDIO理念的傳感器與檢測技術(shù)實驗教學(xué)新模式，如圖1所示。

基于CDIO理念的傳感器與檢測技術(shù)課程實踐教學(xué)新模式以具體工程實踐項目為牽引，以工程案例教學(xué)為手段，以學(xué)生能力提升為最終目標(biāo)，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)融入工程實踐教學(xué)，通過小組討論、翻轉(zhuǎn)課堂和自主實驗等方式，實現(xiàn)知識、能力與素質(zhì)教育的一體化培養(yǎng)。

基于CDIO理念要求，項目組對課程的知識、能力與素質(zhì)一體化培養(yǎng)的教學(xué)體系進(jìn)行了重新設(shè)計。教學(xué)新模式包括知識模塊、能力模塊與素質(zhì)模塊三部分，具體內(nèi)容如下。1.知識模塊將課程的授課內(nèi)容分為基礎(chǔ)知識、核心知識和高級知識三部分。2.能力模塊重點培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力與團(tuán)隊協(xié)作能力等;通過典型案例，讓學(xué)生學(xué)會分析、掌握具體工程問題，建立工程問題理論模型，并提出解決問題的具體方案;讓學(xué)生通過查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，提出假設(shè)并進(jìn)行實驗探索與驗證。此過程可以培養(yǎng)學(xué)生大工程觀系統(tǒng)思維能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力。3.素質(zhì)模塊是通過傳感器從構(gòu)思到運行的整個過程來培養(yǎng)學(xué)生的大工程視野和職業(yè)道德，進(jìn)而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

此外，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及拓寬了學(xué)生的眼界和快速獲取信息的渠道，但信息的娛樂化、碎片化導(dǎo)致學(xué)生缺乏深度學(xué)習(xí)與思考。基于CDIO理念，項目組以促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)與思考來開展課程改革，主要包括主動學(xué)習(xí)和一體化學(xué)習(xí)兩種教學(xué)方式。其中，主動學(xué)習(xí)采用融合 “自下而上”和“自上而下”的教學(xué)方式，通過工程項目、實際案例等方式開展“自下而上”的教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生在“做中學(xué)”，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。同時，結(jié)合“自上而下”的教師剖析和知識串聯(lián)，學(xué)生能更加深刻地理解、掌握專業(yè)知識。一體化學(xué)習(xí)是以具體產(chǎn)品為實驗對象，將工程實踐問題與教學(xué)實踐相結(jié)合，采用小組討論的方式引導(dǎo)學(xué)生分析具體工程問題，提出解決實踐問題的具體方案，同時要求學(xué)生利用各種輔助方法和工程技術(shù)主動解決遇到的實際問題，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生工程問題的解決能力。

三、CDIO項目教學(xué)法在傳感器與檢測技術(shù)課程中的應(yīng)用

（一）CDIO理念在傳感器與檢測技術(shù)中的實施步驟

1.設(shè)計項目構(gòu)思

基于CDIO理念要開展的項目應(yīng)滿足以下條件：選用傳感器應(yīng)具有典型性;項目難度應(yīng)適中;項目應(yīng)適合于以小組形式開展;設(shè)計過程中能夠使用相關(guān)課程群的知識和技能，同時實踐項目應(yīng)遵循實用性、教育性和科學(xué)性等原則。高質(zhì)量的工程實踐項目是CDIO理念實踐教學(xué)成功實施的先決條件。項目設(shè)計應(yīng)以教學(xué)大綱為依據(jù)，體現(xiàn)課程內(nèi)容的核心知識點，因此要合理地選擇實踐項目內(nèi)容，準(zhǔn)確把握項目難易程度，使學(xué)生能夠通過項目訓(xùn)練，系統(tǒng)全面地掌握與傳感器相關(guān)的專業(yè)知識。項目設(shè)計要圍繞一個總目標(biāo)，根據(jù)教學(xué)計劃分層次、分階段依次進(jìn)行，同時要結(jié)合工程實際，盡可能地貼近日常生活，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。項目組以教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)，圍繞一些常用非電量（包括壓力、溫度、位移或厚度、速度或加速度等）的測量來設(shè)計實踐教學(xué)項目。另外，項目組結(jié)合已取得的科研成果，將科研反哺教學(xué)，進(jìn)行高鐵軌道微裂紋漏磁檢測系統(tǒng)的設(shè)計;同時將目前發(fā)展最為迅速、應(yīng)用前景非常廣闊且可應(yīng)用到地震監(jiān)測領(lǐng)域的光纖傳感器知識增加到實踐教學(xué)內(nèi)容中。表1為CDIO理念下傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)項目。

針對表1中的6個CDIO教學(xué)項目，讓學(xué)生按每組3～4人進(jìn)行自由組合，小組對教學(xué)項目進(jìn)行設(shè)計和構(gòu)思，提出解決問題的可行性方案和具體的實施步驟，最后小組內(nèi)討論并修改完善。

2.方案設(shè)計和具體化

根據(jù)項目的構(gòu)思方案對電路圖進(jìn)行設(shè)計，包括選擇傳感器類型與具體型號、確定電路以及電路板和元器件的布局、尺寸等。其中，在電路設(shè)計前需進(jìn)行可行性仿真分析，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計原理問題，進(jìn)而提高開發(fā)效率。各小組成員之間要互相檢查項目設(shè)計的具體步驟，發(fā)現(xiàn)錯誤要及時更改，以保證設(shè)計合理的項目方案。

3.產(chǎn)品的實現(xiàn)和制作

根據(jù)項目設(shè)計方案進(jìn)行電路板制作及元器件焊接與組裝，直至最終完成項目產(chǎn)品。本階段的實踐性非常強，可以讓學(xué)生掌握元器件的購置、鍛煉動手的能力，也有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.項目產(chǎn)品的運行和完善

在完成的項目產(chǎn)品中，各單元電路測試、查找電路故障并維修、樣機調(diào)試與產(chǎn)品性能完善是產(chǎn)品運行前非常重要的環(huán)節(jié)。教師指導(dǎo)各小組對項目產(chǎn)品進(jìn)行比較，讓學(xué)生分析產(chǎn)品之間的性能差異并提出修改建議。

（二）項目評價與考核

在項目產(chǎn)品運行結(jié)束后，學(xué)生總結(jié)項目各階段的工作并撰寫項目報告。教師對項目成果和綜合表現(xiàn)進(jìn)行指導(dǎo)與點評，表揚項目實施過程中表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生，給出實踐教學(xué)成績。教師通過考核方案的實施，引導(dǎo)學(xué)生在實踐項目教學(xué)的各階段都要注重學(xué)習(xí)專業(yè)知識、積極參與實踐技能訓(xùn)練。考核方案應(yīng)從職業(yè)素質(zhì)、學(xué)習(xí)過程、綜合應(yīng)用能力和職業(yè)理論素養(yǎng)四方面進(jìn)行考核。

基于CDIO理念的傳感器與檢測技術(shù)實踐教學(xué)評價及考核方式以過程性考核為標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)學(xué)生更加重視實踐過程。過程考核成績包括項目成果成績、平時成績和考勤成績?nèi)糠郑鐖D2所示。

四、結(jié)束語

基于CDIO理念對傳感器與檢測技術(shù)課程實踐教學(xué)改革的實踐表明，這樣更有利于學(xué)生各種能力的綜合培養(yǎng)，也更符合高等工程教育的發(fā)展趨勢和要求，更適應(yīng)高等教育的規(guī)律。CDIO理念下的實踐教學(xué)改革受到學(xué)生的歡迎，學(xué)生的工程實踐能力得到培養(yǎng)，創(chuàng)新思維、團(tuán)隊合作能力得到提高，學(xué)生評教顯著提高至優(yōu)秀等級。實踐證明，CDIO理念下的傳感器與檢測技術(shù)課程實踐教學(xué)改革取得了良好成效。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[2] 趙娜.基于工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的《傳感器與檢測技術(shù)》教學(xué)改革探索[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2020（11）：57-58，76.

[3] 王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究，2009（5）：86-87.

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[5] 敖邦乾，熊飛嶠.探索高校傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)改革[J].大學(xué)教育，2016（8）：177-178.

[6] 梅美，張萬峰，陳文靜.CDIO理念下《傳感器與檢測技術(shù)》教學(xué)現(xiàn)狀及改進(jìn)策略[J].決策探索（下），2019（12）：75-76.

[7] 程淑紅，侯培國，屈曉陽，等.基于CDIO理念的傳感器技術(shù)課程教學(xué)模式改革[J].教學(xué)研究，2012（1）：83-85.

[收稿時間]2020-08-20

[基金項目]河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目（2019GJJG471、2019GJJG473）;防災(zāi)科技學(xué)院“金課”建設(shè)項目（JK201905、JK202018）。

[作者簡介]邱忠超（1987—），男，山東人，博士，副教授，研究方向：災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)與儀器、電磁無損檢測。

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