工程教育理念在“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”實(shí)踐教學(xué)中的探索與研究

黃璞 黎會(huì)鵬

摘要：文章在分析“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以理論聯(lián)系實(shí)際為目的，將實(shí)踐教學(xué)與國(guó)際工程教育改革的最新成果CDIO相結(jié)合，從學(xué)生能力培養(yǎng)、課堂教學(xué)內(nèi)容、導(dǎo)師教學(xué)方式、學(xué)業(yè)考核方式進(jìn)行了系統(tǒng)性的驗(yàn)證和嘗試。結(jié)果表明，能促進(jìn)學(xué)生開展自主性學(xué)習(xí)，有效提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和技術(shù)應(yīng)用能力，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)；CDIO；工程教育；工程素養(yǎng)

在近年高等教育規(guī)模不斷擴(kuò)大、教育資源建設(shè)和投入逐年增加的情況下，專業(yè)教育質(zhì)量和行業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)卻出現(xiàn)下滑趨勢(shì)，全世界范圍內(nèi)工程技術(shù)人員匱乏的現(xiàn)象日益突出，主要是各大專院校培養(yǎng)的人才與社會(huì)或?qū)I(yè)領(lǐng)域的工作需求銜接脫軌，成為制約我國(guó)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)智能化進(jìn)步的重要因素，同時(shí)，畢業(yè)的本科學(xué)生普遍缺乏工程項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，難以融入就業(yè)企業(yè)的文化。如何培養(yǎng)既能全面運(yùn)用所學(xué)的技術(shù)理論和技術(shù)手段，又具備工程意識(shí)和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)合作精神的全面型技術(shù)人員，是全國(guó)高等院校，特別是工程相關(guān)的工科專業(yè)面臨的重要難題，工程概念中，CDIO代表構(gòu)思（C）、設(shè)計(jì)（D）、實(shí)現(xiàn)（I）和運(yùn)作（O），它以產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、產(chǎn)品定型、產(chǎn)品運(yùn)行的整個(gè)生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)方式與課程之間有機(jī)聯(lián)系的學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)規(guī)劃將畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用、個(gè)人能力培養(yǎng)、人際團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程系統(tǒng)執(zhí)行能力4個(gè)層面，引入先進(jìn)的工程教育理念，為廣大院校解決工程技術(shù)人才培養(yǎng)計(jì)劃指明了發(fā)展道路。

隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和信息工業(yè)化、智能化的迅猛發(fā)展，各種外在信息的檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的核心功能器件——傳感器，成為各個(gè)自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中必不可少的重要器件[1]。傳感器與檢測(cè)技術(shù)集成了電子技術(shù)、機(jī)械工程、光電轉(zhuǎn)換、電磁感應(yīng)等綜合知識(shí)，且與科研和生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系緊密。因此，需要在教學(xué)工作中，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行長(zhǎng)期的探索實(shí)踐，提高教學(xué)效率和學(xué)生綜合能力應(yīng)用水平。

1 “傳感器與檢測(cè)技術(shù)”教學(xué)模式現(xiàn)狀

通過考察和反饋資料，目前“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程教學(xué)中主要存在如下問題。

（1）課程不注重理論與工業(yè)實(shí)際的聯(lián)系，授課內(nèi)容很少涉及工程應(yīng)用概念和工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)，學(xué)習(xí)者通過課堂只學(xué)到專業(yè)基本理論知識(shí)，無法有效掌握工程概念和技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。

（2）只注重單元檢測(cè)電路講解，不注重系統(tǒng)框架的講解，致使學(xué)習(xí)者只是孤立地學(xué)習(xí)單元電路原理知識(shí)，不注重復(fù)雜系統(tǒng)到單元電路功能的劃分，而不清楚這些單元電路在檢測(cè)和控制系統(tǒng)中的地位和運(yùn)用方法，致使學(xué)習(xí)者見到復(fù)雜一點(diǎn)的電路就無從分析。

（3）授課內(nèi)容不能與時(shí)俱進(jìn)，檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展日新月異，各種新型傳感器和檢測(cè)手段不斷涌現(xiàn)，受教材和人才培養(yǎng)大綱的限制，致使知識(shí)能力的培養(yǎng)和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)需求不適應(yīng)。

（4）課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置覆蓋面小，各種驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多，綜合性、創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)偏少，學(xué)生綜合知識(shí)應(yīng)用能力和工程創(chuàng)新能力難以得到有效的提高。

2 基于CDIO的綜合課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)實(shí)踐

“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”是自動(dòng)化技術(shù)、電氣工程、機(jī)電一體化技術(shù)、測(cè)控技術(shù)與儀器、儀器儀表類專業(yè)的必修的專業(yè)課程，以傳感檢測(cè)器件為對(duì)象，重點(diǎn)講述靈活運(yùn)用傳感器、將獲得測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用于工程實(shí)際。通過綜合課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解各種傳感器的工作原理，掌握其特性，學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)用要求選用傳感器，掌握建立基本檢測(cè)系統(tǒng)框架的原則與方法，并初步具有設(shè)計(jì)檢測(cè)電路、控制系統(tǒng)的能力[2]?，F(xiàn)以本課程為例，對(duì)基于CDIO課程設(shè)計(jì)的教學(xué)措施進(jìn)行展開。

2.1教學(xué)方法的改革

（1）建立系統(tǒng)的概念，采取至上而下的方式進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的組織，選取典型的超聲波應(yīng)用電路為例，介紹系統(tǒng)框圖，讓學(xué)習(xí)者對(duì)超聲波探頭結(jié)構(gòu)、超聲波發(fā)射電路、信號(hào)振蕩電路、功率放大電路及電源電路建立起初步的認(rèn)識(shí)，要實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，必須清楚系統(tǒng)各單元的相關(guān)知識(shí)，內(nèi)容會(huì)在后續(xù)教學(xué)中逐步介紹，激發(fā)起學(xué)習(xí)者的熱情。

（2）增強(qiáng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)理念，形成初步的概念，不僅要著重進(jìn)行理論知識(shí)的講解，還要突出工程實(shí)踐概念，將科研或產(chǎn)品設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的工程問題，如信號(hào)干擾問題納入講課內(nèi)容，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中接受工程概念的熏陶，尋找實(shí)踐操作中的問題解決方案。

（3）為了加深學(xué)生對(duì)工程技術(shù)的理解，提高學(xué)生的工程技術(shù)應(yīng)用能力，教學(xué)實(shí)踐以日常生活中所見的傳感器和各種控制功能為對(duì)象，結(jié)合工程項(xiàng)目考核的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了與課程知識(shí)相配套的實(shí)踐項(xiàng)目。設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目如下所示。

項(xiàng)目1：水箱水位控制器的制作（設(shè)計(jì)背景：高樓水箱供水方法。知識(shí)點(diǎn)：壓力、超聲波、阻抗）。

項(xiàng)目2：簡(jiǎn)易金屬探測(cè)儀的制作（設(shè)計(jì)背景：安全檢查。知識(shí)點(diǎn)：渦流、磁場(chǎng)）。

項(xiàng)目3：簡(jiǎn)單路燈控制器的制作（設(shè)計(jì)背景：路燈自動(dòng)控制。知識(shí)點(diǎn)：光敏）。

項(xiàng)目4：商場(chǎng)自動(dòng)門控設(shè)備的制作（設(shè)計(jì)背景：公共場(chǎng)所自動(dòng)感應(yīng)門的控制設(shè)計(jì)。知識(shí)點(diǎn)：壓電、熱釋電、超聲波）。

項(xiàng)目5：自動(dòng)烘干機(jī)的制作（設(shè)計(jì)背景：洗手間的烘手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。知識(shí)點(diǎn)：光電檢測(cè)）。

設(shè)計(jì)的綜合教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目涉及傳感器檢測(cè)技術(shù)、電子器件技術(shù)、電子工藝技術(shù)、機(jī)械基礎(chǔ)等知識(shí)。通過實(shí)施教學(xué)項(xiàng)目鞏固學(xué)過的知識(shí)和技能。

（4）改革傳統(tǒng)的課堂講授為主的教學(xué)模式，對(duì)于器件基本原理、基本設(shè)計(jì)電路的分析采用板書教學(xué)，有利于學(xué)生的理解和掌握，對(duì)于微弱信號(hào)傳導(dǎo)、信號(hào)波形變換、信號(hào)圖形圖像、各種復(fù)雜理論的講解，采取多媒體教學(xué)，充分發(fā)揮多媒體生動(dòng)直觀的特點(diǎn)，既降低黑板繪制的難度，節(jié)省教學(xué)板書時(shí)間，又達(dá)到了良好的教學(xué)目的[3]。

（5） CDIO工程教學(xué)模式的第一個(gè)環(huán)節(jié)（關(guān)鍵環(huán)節(jié)）就是先構(gòu)思，提出問題讓學(xué)生思考，自己查找資料，通過自我學(xué)習(xí)解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

（6）為了培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)、掌握解決工程實(shí)際問題的能力，除了平時(shí)課后習(xí)題、課堂作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的鞏固，更增加了工程技術(shù)相關(guān)的分析、設(shè)計(jì)題。通過結(jié)合工程背景，完成實(shí)際工程技術(shù)相關(guān)的分析、設(shè)計(jì)，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，注重知識(shí)的連貫性，提高學(xué)生分析問題和解決工程實(shí)踐問題的能力陽(yáng)。

2.2課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革

（1）改革實(shí)踐教學(xué)方式，提高工程實(shí)踐能力。受傳統(tǒng)教學(xué)方式影響，傳感器實(shí)驗(yàn)大多采取實(shí)驗(yàn)箱完成，學(xué)生只需要按照面板接線端口指示，用導(dǎo)線連接端口，測(cè)試電路的輸入和輸出來驗(yàn)證所學(xué)的知識(shí)。這種實(shí)驗(yàn)無助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和提高動(dòng)手能力，也不利于工程能力培養(yǎng)。所以，增加綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實(shí)例，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試電路，遵循工程實(shí)踐準(zhǔn)則，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。

（2）借助電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronics DesignAutomation，EDA）技術(shù)，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)手段改革。電路設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮EDA工具軟件的作用，前期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，結(jié)果正確后再進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)。培養(yǎng)了學(xué)生的對(duì)各種EDA工具的使用能力，幫助學(xué)生前期驗(yàn)證電路，高效完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

（3）實(shí)踐教學(xué)的方法改革，提供工程技術(shù)綜合能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。采用項(xiàng)目教學(xué)法，通過實(shí)施與課程教學(xué)相關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目來更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力和解決實(shí)際問題的綜合能力，其目的是通過項(xiàng)目實(shí)施來實(shí)現(xiàn)知識(shí)到能力的橋梁。開展開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引入適當(dāng)?shù)膱F(tuán)隊(duì)項(xiàng)目小組討論，不僅可以全面提高工程技術(shù)應(yīng)用能力，又提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)[5]。

3 實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核模式

選取適當(dāng)好的實(shí)踐項(xiàng)目能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)思維，加強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手技能的培養(yǎng)，教學(xué)項(xiàng)目的選取和設(shè)計(jì)是項(xiàng)目式教學(xué)法開展的基礎(chǔ)，也是難點(diǎn)。工作開展也應(yīng)當(dāng)按照工程人才培養(yǎng)模式進(jìn)行，項(xiàng)目在開展時(shí)，每一步的過程是未來工作崗位中實(shí)施工作任務(wù)的縮影。設(shè)計(jì)的成果應(yīng)該有很強(qiáng)的感官特性，避免演示性的成果[6-7]。

3.1設(shè)計(jì)報(bào)告要求

基于應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，構(gòu)思系統(tǒng)的整體方案（C）；設(shè)計(jì)項(xiàng)目的硬件電路，分析電路的特點(diǎn)并用Multisim軟件進(jìn)行仿真（D）：硬件電路PCB制作、元器件焊接和功能模塊組裝（I）；應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試和功能測(cè)試報(bào)告（O）[8-9]。

（1）應(yīng)用系統(tǒng)的電路原理圖。

（2）設(shè)計(jì)系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

（3）測(cè)試指標(biāo)及報(bào)告。

3.2考核方式

根據(jù)設(shè)計(jì)和調(diào)試過程寫出報(bào)告，有詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)與仿真、焊接調(diào)試過程、數(shù)據(jù)記錄、結(jié)果分析和體會(huì)，考核分值如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”是理論知識(shí)與實(shí)踐緊密聯(lián)系的一門課程，課程最重要的任務(wù)是要將其應(yīng)用到實(shí)踐中去，為后續(xù)的課程坐好鋪墊。通過引入CDIO教育模式，實(shí)踐教學(xué)采取半開放性形式進(jìn)行。在實(shí)際教學(xué)過程中，能較好調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和職業(yè)技能都得到了較大的提高。

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