OBE 視角下“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”與“傳感器技術(shù)”課程的融合路徑研究＊

曹慧英，張政梅，張曉波

（山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250300）

1 “傳感器技術(shù)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀

“傳感器技術(shù)”是機(jī)電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，掌握和應(yīng)用傳感器原理及技術(shù)是電子及電氣控制技術(shù)領(lǐng)域從業(yè)人員必須具備的基本技能與素養(yǎng)[1]。傳統(tǒng)的“傳感器技術(shù)”課程教學(xué)往往只強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)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(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣較低，課堂的有效教學(xué)質(zhì)量不高。課堂教學(xué)中教師決定學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，容易忽略用人單位需求，從而產(chǎn)生畢業(yè)生知識(shí)技能與社會(huì)需求不符的尷尬情況。該課程傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在諸多問題，為提高教學(xué)質(zhì)量，滿足市場(chǎng)對(duì)人才的需求，該課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。

2 OBE 理念指導(dǎo)“傳感器技術(shù)”課程改革的實(shí)施方案

行業(yè)與用人單位的需求是構(gòu)建專業(yè)教育知識(shí)、能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)。OBE 教育理念倡導(dǎo)以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向來設(shè)計(jì)教學(xué)資源和安排教學(xué)時(shí)間，看重教育的結(jié)果及其“產(chǎn)出”價(jià)值[2]。它主張教師應(yīng)讓學(xué)生知道所學(xué)知識(shí)與市場(chǎng)崗位之間的目標(biāo)關(guān)系，并以該目標(biāo)為起點(diǎn)“逆向設(shè)計(jì)”課程體系，以此激發(fā)其主動(dòng)、積極學(xué)習(xí)的斗志。

OBE 理念指導(dǎo)下的“傳感器技術(shù)”課程的改革與實(shí)踐的實(shí)施方案為：基于OBE 理念，以學(xué)生畢業(yè)能力構(gòu)建為導(dǎo)向，對(duì)課程功能進(jìn)行定位分析，根據(jù)“反向設(shè)計(jì)”原則，預(yù)期學(xué)生學(xué)習(xí)完本課程后應(yīng)達(dá)到的實(shí)際成果，進(jìn)而制定課程教學(xué)目標(biāo)，并根據(jù)三級(jí)核心能力及能力指標(biāo)來分配課程能力指標(biāo)權(quán)重，以及實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源、教學(xué)模式的重構(gòu)[2]。用“線上+線下、課上+課下”課堂教學(xué)的形式開展理論課程學(xué)習(xí)，以實(shí)現(xiàn)課程知識(shí)目標(biāo)；用開發(fā)實(shí)訓(xùn)模塊的形式開展實(shí)踐教學(xué)，以實(shí)現(xiàn)課程技能目標(biāo)；用設(shè)計(jì)試驗(yàn)任務(wù)等案例教學(xué)的形式培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)與創(chuàng)新能力，以實(shí)現(xiàn)課程的素質(zhì)目標(biāo)。將課程的內(nèi)容進(jìn)行序化處理后，選擇合適的教學(xué)及學(xué)法，重構(gòu)課程的教學(xué)模式。根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)安排，選取適宜的評(píng)量方式。在整個(gè)教學(xué)實(shí)施過程中，細(xì)化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，合理設(shè)置考核觀測(cè)點(diǎn)，構(gòu)建動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)完成實(shí)際工作任務(wù)的能力以及完成工作過程中的態(tài)度，形成學(xué)習(xí)成效持續(xù)改進(jìn)機(jī)制[3]。OBE 理念指導(dǎo)下“傳感器技術(shù)”課程的改革與實(shí)踐的總體框架如圖1 所示。

圖1 基于OBE 理念的“傳感器技術(shù)”課程的改革與實(shí)踐的總體框架

3 融入“創(chuàng)新設(shè)計(jì)任務(wù)”的傳感器技術(shù)教學(xué)改革

為突出傳感器在工程實(shí)踐中的應(yīng)用而設(shè)置的試驗(yàn)性任務(wù)，往往對(duì)學(xué)生電子線路、單片機(jī)原理等基礎(chǔ)課程的要求很高，而高職院校的學(xué)生普遍存在理論基礎(chǔ)較差、學(xué)習(xí)電路分析和程序設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容的熱情較低的問題。同時(shí)很多學(xué)校缺少相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)室建設(shè)，致使“傳感器技術(shù)”課程的授課效果不甚理想。

3.1 Arduino 平臺(tái)和 KenBlock 簡(jiǎn)述

Arduino 是開源的微型控制器MCU，能幫我們做出一個(gè)感知和控制物理世界的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它包含硬件（各種型號(hào)的/Arduino 板）和軟件（Arduino IDE）。Arduino 開源平臺(tái)的介入可以很大程度地降低基礎(chǔ)綜合知識(shí)相對(duì)薄弱的學(xué)生的學(xué)習(xí)難度[4]，在兼顧學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)的過程中，也能融合硬件集成化、模塊化的設(shè)計(jì)要求。

KenBlock 機(jī)器人創(chuàng)新套件是由深圳樂智機(jī)器人有限公司聯(lián)合北京大學(xué)智能控制實(shí)驗(yàn)室共同研制、開發(fā)的一款多用途教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)以傳感器、控制單元為主，能夠同時(shí)滿足高校學(xué)生學(xué)習(xí)、實(shí)踐的需求，同時(shí)也適合學(xué)生進(jìn)行課后拓展和創(chuàng)新競(jìng)賽。

3.2 構(gòu)建基于Arduino 平臺(tái)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)任務(wù)

“傳感器技術(shù)”課程教學(xué)以模塊化教學(xué)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(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方式，在進(jìn)行每種傳感器模塊原理的講解后，相應(yīng)傳感器模塊和Arduino 平臺(tái)結(jié)合起來，由老師發(fā)布創(chuàng)新設(shè)計(jì)任務(wù)，再由學(xué)生構(gòu)建軟硬件平臺(tái)，完成相應(yīng)任務(wù)。通過設(shè)計(jì)豐富的實(shí)驗(yàn)案例，例如智能聲光感應(yīng)燈、智能感溫風(fēng)扇、煙霧報(bào)警器、智能循跡小車、智能環(huán)境監(jiān)測(cè)儀等有趣的項(xiàng)目，幫助學(xué)生掌握傳感器的特性，促進(jìn)學(xué)生了解這些傳感器在工程中的應(yīng)用，在動(dòng)手操作中獲得成就感，增強(qiáng)開發(fā)體驗(yàn)。

以山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行“傳感器技術(shù)”課程教學(xué)的實(shí)施過程為例。下面以室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的制作為例說明Arduino 平臺(tái)和傳感器教學(xué)的融合路徑。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生掌握溫濕度傳感器、壓力傳感器的工作特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)的內(nèi)容為：在KenBlock 控制板的基礎(chǔ)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(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，即監(jiān)測(cè)室內(nèi)當(dāng)前PM2.5值、溫濕度值、氣壓值及海拔高度，將室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)顯示在串口液晶顯示屏。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，可以使學(xué)生在較少動(dòng)用其他課程儲(chǔ)備知識(shí)的前提下，學(xué)會(huì)溫濕度傳感器、氣壓傳感器、PM2.5傳感器等傳感器的具體應(yīng)用方法，并掌握識(shí)讀技術(shù)手冊(cè)、調(diào)試設(shè)備等進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

對(duì)于一些綜合素質(zhì)較高、其他學(xué)科知識(shí)掌握得較為扎實(shí)的學(xué)生而言，則可以課程設(shè)計(jì)的形式開展一些綜合實(shí)驗(yàn)。下面以分揀傳送裝置為例來詳述傳感器與課程設(shè)計(jì)的融合路徑。該實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生初步了解步進(jìn)電機(jī)工作原理，掌握步進(jìn)電機(jī)的使用方法；了解步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的工作原理，學(xué)會(huì)如何使用驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；熟悉舵機(jī)的使用方法，熟練使用舵機(jī)相關(guān)函數(shù)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大?。皇煜ぜt外避障傳感器的使用方法，通過其檢測(cè)分揀物體，返回狀態(tài)值控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。分揀傳送裝置由節(jié)流上貨裝置、傳送帶、自動(dòng)分揀裝置、2 個(gè)節(jié)流輸出裝置等部分組成。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容為：通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳送帶，當(dāng)節(jié)流上貨裝置上被紅外避障傳感器檢測(cè)到有物品時(shí)，發(fā)送命令至KenBlock 控制板上，節(jié)流裝置上的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，打開節(jié)流口，物品進(jìn)入傳送帶，通過紅外避障傳感器識(shí)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(jī)帶動(dòng)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(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)案例發(fā)現(xiàn)：功能實(shí)現(xiàn)的難易程度、實(shí)驗(yàn)的目的及要求均呈現(xiàn)逐步增加的狀態(tài)，這種遞進(jìn)式的任務(wù)設(shè)置方式，兼顧了不同基礎(chǔ)的學(xué)生參與項(xiàng)目的需求。部分學(xué)生對(duì)“PLC 應(yīng)用技術(shù)”“電氣控制技術(shù)”等課程掌握得不扎實(shí)，完成復(fù)雜的創(chuàng)新設(shè)計(jì)任務(wù)存在較大難度。而Arduino 平臺(tái)和KenBlock 套件的引入則弱化了這部分學(xué)生在“傳感器技術(shù)”課程中進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的限制。

4 結(jié)語

通過分析“傳感器技術(shù)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合行業(yè)企業(yè)需求分析和專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出在OBE 理念指導(dǎo)下“傳感器技術(shù)”課程改革的實(shí)施方案，使得教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、課堂內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)需求緊密結(jié)合。通過對(duì)Arduino 項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和實(shí)操，采用這種遞進(jìn)式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)，可吸引不同基礎(chǔ)的學(xué)生廣泛參與到課程的授課過程中來，讓學(xué)生在掌握傳感器基本原理和技術(shù)的同時(shí)，更鍛煉了專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)了工程能力和創(chuàng)新能力。