基于CDIO模式的傳感器技術課程改革

徐小玲 劉 美

(廣東石油化工學院 計算機與電子信息學院，廣東 茂名 525000)

傳感器[1]是一門內(nèi)容分散但實踐性卻很強的課程，涉及物理、電子、機械工程、化學、生物學等眾多學科領域知識且與工業(yè)現(xiàn)場的實際情況及傳感器材料工藝學相關。而一個測試系統(tǒng)的設計需掌握傳感器相關知識外，還需運用到自動控制原理、單片機、計算機控制等方面的知識。通過對課程的學習，要使學生不僅掌握各類傳感器的工作原理、主要性能及特點，還要讓學生能合理地選擇和使用傳感器，掌握常用傳感器的工程設計方法和實驗研究方法，才能培養(yǎng)學生組織測試系統(tǒng)的能力。然而傳統(tǒng)的教學內(nèi)容過于注重原理的分析，缺乏對傳感器技術應用和分析具體問題的講述，學生普遍存在對傳感器的理論知識掌握較好，但運用傳感器知識去分析和解決實際問題能力較差的問題。因此，對傳感器技術課程進行教學改革是非常必要的。

1 傳感器技術課程教學內(nèi)容與特點

目前我校自動化系開設的傳感器技術課程共44學時，其中理論教學36學時，實驗教學8學時。實驗采用CSY-2000系列傳感器與檢測技術實驗平臺。該課程理論教學主要講解傳感器基礎知識并結合電阻式、電感式、電容式、光電式、磁電式、壓電式等傳感器，介紹相關傳感器的工作原理、測量電路、檢測儀表等知識。課程內(nèi)容有以下特點[2]：

(1)課程內(nèi)容分散，各章節(jié)內(nèi)容相對獨立，缺乏連續(xù)性和系統(tǒng)性。內(nèi)容側重各類傳感器原理和后續(xù)測量電路的講解。

(2)教學課時有限，教學內(nèi)容不可能面面俱到，新的傳感原理和新型傳感器沒有涉及。教學內(nèi)容陳舊，沒有新意，未能反映最新的技術水平。

(3)實驗環(huán)節(jié)主要以演示性和驗證性的實驗居多，功能性、綜合性的實驗較少。不涉及或者較少涉及傳感器實際應用中較常見的問題。造成了學生缺乏組建非電測量系統(tǒng)的實際能力，與工程實踐脫節(jié)嚴重。

(4)教學方法一般采用強調知識點掌握的課堂講授的方法，缺乏課程的系統(tǒng)性和學科間的關聯(lián)性，而且由于課堂講授的時間不夠，教師采取的方式就是“滿堂灌”，單一的教學方式忽視了學生的掌握程度。

2 CDIO工程教育模式與課程教學改革

CDIO(Conceive—Design—Implement—Operate，即“構思—設計—實現(xiàn)—運行”)以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的方式學習工程[3]。CDIO工程教育理念認為，應為學生提供基于產(chǎn)品開發(fā)周期的重視工程基礎的工程教育環(huán)境。學生應該在學校、工業(yè)和社會環(huán)境下，按照一個產(chǎn)品或系統(tǒng)從基本構想、設計、研制實現(xiàn)直到實際運行的完整開發(fā)過程這種情境，學會解決問題，并完成特定的工程或項目。

為改變該課程的教學現(xiàn)狀，引入CDIO教學模式，構造虛擬的工程背景，對原有的課程設置的內(nèi)容及實踐環(huán)節(jié)進行多方面的改革，以理論培養(yǎng)為基礎，以工程應用和實踐為目標，進行情境教學，進行教學做一體化和項目式教學的改革嘗試。

2.1 課程教學改革

在傳感器技術課程教學中，參照CDIO教學模式及實施過程，以學生為主體、教師為主導，通過項目的構思、設計、實現(xiàn)、運作完成完整的CDIO過程，實現(xiàn)課程的項目教學。利用情境教學激發(fā)學生的學習興趣，挖掘學生的學習潛能和創(chuàng)新能力，最終達到使學生掌握知識和技能，提高綜合素質的目的。

2.1.1 項目構思階段

著名教育家孔子將學習分為“知之、好之和樂之”三個依次遞進的層次，為引導學生進入“樂之”學習階段，在課堂上通過運用具有實際工程應用背景的案例和項目激發(fā)學生的學習興趣[4]。在介紹傳感器的原理時，不只是單單闡述原理，而是結合該傳感器的應用背景、發(fā)展過程及應用等方面進行介紹。同時注意比較不同傳感器的原理異同，講授重點是測量方案的根本思路和方法。

將傳感器的內(nèi)容講授與生活中的應用聯(lián)系起來從而培養(yǎng)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。例如介紹光電傳感器時，向學生介紹家居樓道中的聲光控延時燈；在介紹半導體傳感器時，向學生介紹交警所用的酒精測試儀；在介紹紅外傳感器時，向學生介紹家用電器的紅外遙控器。讓學生認識到，傳感器在我們生活和科研中的重要性，提高了其學習的積極性。

對于測量同一物理量的傳感器，設置不同的測量環(huán)境，鍛煉學生選擇合適的傳感器進行應用。通過這樣的練習，學生經(jīng)過自我反思，消化吸收老師的講解，鍛煉解決實際問題的能力，完成將新學到的知識遷移到日常生活中去的過程。其次，引導學生對特殊情境進行討論。運用項目來說明、展示傳感器的應用，如在講授“磁電式傳感器”的教學過程中，以飛機振動模式分析為案例[6]，提出飛機振動檢測這一問題，并以解決問題為教學的導入點，引起學生的興趣，再如在介紹電容式傳感器時，引入指紋檢測，以分析指紋檢測的工作原理并逐步深入，切入主題來了解電容式傳感器，形成解決問題的方案，將教與學置于課題情境中，激發(fā)學生求知欲，鍛煉學生思維能力。并與課外創(chuàng)新活動相結合，教師采取策略性的引導，激發(fā)學生創(chuàng)造力，提高觀察和動手能力。同時，提供開放實驗條件，合理引導項目選題方向和難度，加強創(chuàng)新制作過程中的定期輔導等，促進大學生課外實踐活動開展。

2.1.2 項目設計階段

傳感器課程的知識涉及內(nèi)容多，與前期基礎課、后續(xù)專業(yè)課聯(lián)系非常緊密。我們從傳感器測量的數(shù)學基礎、測量原理到實際操作等知識進行打包教授，讓學生對“信號與系統(tǒng)”、“模擬電路”、“數(shù)字電路”、“檢測技術”、“數(shù)字信號處理”等課程的知識融會貫通。

西方有一句名言：“聽過的我會忘記，看過的我能記得，做過的我才理解?！币虼耍谕瓿衫碚摶A教學上，讓學生帶著課設的任務去自主學習，以完成一個具體的任務為線索，把教學內(nèi)容巧妙地隱含在每個任務之中，讓學生自己提出問題，并經(jīng)過思考和教師的點撥，完成整個項目的設計。如光電傳感器[7]，利用光敏電阻(或光敏二極管、光敏三極管)以及壓電陶瓷元件，加上其他外圍電路制作一個聲光控電路；或者通過制作一個酒精測試儀電路，使學生了解氣敏傳感器的性能，將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在的信息，從而進行檢測。簡單的傳感器制作的電路，激發(fā)學生對課程、對項目的興趣，也培養(yǎng)學生選用各種傳感器和元器件的綜合運用能力，掌握各種常用儀器和傳感器的操作和調試技能，具備一定的傳感器與檢測裝置的設計能力，培養(yǎng)一定的成本核算意識和經(jīng)濟頭腦，養(yǎng)成嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和良好的職業(yè)道德。

2.1.3 項目實施階段

項目的實施過程是學生自己鉆研和探索的過程，是培養(yǎng)學生學會應用知識的有效途徑。在項目的整體設計中，教師可通過分組的形式完成項目實施[8]。以綜合實驗方式提出的實施模式，突破過去做實驗的傳統(tǒng)觀念，把實驗內(nèi)容以項目的形式進行規(guī)劃，并通過統(tǒng)籌安排把相關學科的實驗硬件和軟件資源進行更新和整合，整個過程中，讓學生根據(jù)需要瀏覽相關的國內(nèi)外網(wǎng)站，直接接觸專業(yè)市場，完成市場調研，并在小組上進行交流。由各組提出并仔細討論項目實施方案并制定步驟，準備好需用的實驗設備和相關材料。

完成合理的傳感器選擇和安裝，特別需要注意的是傳感元件的處理，比如在安裝溫度傳感器的時候，在電路板上焊上排母，直接插上即可；如測水溫或油溫等，則需要在傳感器引腳焊上引線，套上熱縮管并封口。最后根據(jù)設計方案，共同搭建硬件電路，進而通過實驗進行驗證。

這一階段，學生會遇到各種問題，從抽象到具體，直觀地考核了學生的基本知識是否扎實，動手操作是否熟練。應鼓勵學生，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神，并對學生的每個制作細節(jié)進行嚴格把關，也培養(yǎng)學生在對問題的探討中尋求項目的解決方案和最終的解決辦法，使學生做到自主學習，真正在“做中學”。若實施過程中受挫，則啟發(fā)學生尋找、分析失敗原因，總結操作過程中存在的不足之處，培養(yǎng)學生整體思考能力和發(fā)現(xiàn)問題的能力。

2.1.4 項目運行階段

在項目實施的同時，做好項目的展示準備工作[9]。項目團隊推選主講人，團隊共同參與項目演示，對項目的意義、原理設計、安裝調試、結果分析、特點與不足、改進設想等內(nèi)容進行公開匯報。之后學生之間進行互評，找出優(yōu)缺點，學習別人的優(yōu)點，改正自己的缺點，這樣不但使學生掌握了知識，而且從“聽明白”到“想明白”再到“講明白”，培養(yǎng)學生分析問題與解決問題的能力。

2.2 課程考核

在課程考核中[10]主要衡量的是學生學習過程表現(xiàn)、綜合應用能力，除此之外，再加上期末考核。這樣就降低試卷成績在總體成績中所占的比例。綜合應用能力考核主要是項目的考核，具有一定的靈活性，不僅要考核結果，更重要的是通過考核項目的實施，引導學生在CDIO項目教學的每一個階段都注重知識學習，積極參與技能練習，考察學生的綜合能力。由于學生是分組完成項目，因此為保證項目的實施效果，在項目考核中，做到逐組逐人考核，杜絕抄襲別人項目成果。由于項目的結果可檢驗和演示，有相對客觀的評價標準，極大地調動了學生參與的積極性、主動性和考核的公正性，這部分成績占學生總成績的40%。其次還包括：

(1)學習過程的考核：這一部分重在考核學生平時到課率和上課表現(xiàn)，評價學生是否循序漸進地了解傳感器性能，對所應用的測量檢測電路的熟知，正確分析實驗數(shù)據(jù)并進行誤差處理。這部分成績占學生總成績的20%。

(2)期末考核：期末考核以閉卷形式完成，主要是在課堂理論教學和平時項目實踐教學的基礎上，側重分析設計性題型?？己藢W生的基礎知識和綜合運用知識的能力。這部分成績占總成績的40%。

3 結語

參照CDIO教學模式，整合后的教學實踐轉變教與學分離，理論與實踐授課分離的教學模式，通過巧設工程項目，以工程項目為教學主線，變單純傳授知識為培養(yǎng)能力，變被動接受為主動學習，使學生在教師引導下，通過“創(chuàng)設情境、感性認識、設置項目、實踐分析、觀察歸納”的教學過程中獲得新知識，極大地提高學生學習的積極性，同時也培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。使學生具備較強的專業(yè)素養(yǎng)，寬廣的視野和一定的工程經(jīng)驗，有效地提高學生的綜合素質和創(chuàng)新能力。經(jīng)過近年來的探索，自動化系測控專業(yè)學生很好地完成了課程的學習要求，并在課外創(chuàng)新實踐活動中呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。例如，測控07級學生中超過30%的學生參加了課外創(chuàng)新實踐活動，例如應用多種類型傳感器，設計無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點應用于不同情境，完成不同環(huán)境的監(jiān)測，實現(xiàn)從課堂理論到課外實踐的提升，增強了學生的學習主動性，培養(yǎng)了學生的工程應用能力和創(chuàng)新意識。

參考文獻：

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[9]張明月.項目式教學法在《傳感器與檢測技術》課程中的應用[J].電大理工,2009,(1):49～50.

[10]賈海瀛.基于項目導向模式的“傳感器應用”與“計算機測控技術”課程整合的研究與實踐[J].教育與教學研究,2008,(22):89～91.