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      基于CDIO模式的傳感器技術課程改革

      2012-04-13 13:42:29徐小玲
      關鍵詞:考核傳感器實驗

      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:

      [1]劉曉旻,張曉芳,李蘇貴.現(xiàn)代工程教育理念下的傳感器課程教學改革[J].中國電力教育,2010,18(46):107~110.

      [2]鄭春嬌.“傳感器與檢測技術”教學與考試方法改革的幾點措施[J].遼寧工業(yè)大學學報:社會科學版,2011,13(3):128~130.

      [3]賈海瀛.基于CDIO模式的高職傳感器技術課程改革[J].計算機教育,2010,(11):118~119,136.

      [4]楊鵬,常鳴,黃亞忠.《傳感器原理及應用》研究性教學實踐與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2008,(10):85~87.

      [5]蘇禹,黃慧匯,安玉磊.傳感器綜合實驗項目群的研究與實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(6):157~159.

      [6]李洋,湯永新,邵繼紅.淺談“傳感器與檢測技術”課程的教學設計與實踐[J].科教文匯,2009,(12):38~39.

      [7]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,2011,38(1):17~20.

      [8]張紅.傳感器課程教學現(xiàn)狀分析與改革對策[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2010,(23):115~117.

      [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.

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