基于OBE的傳感器與檢測技術(shù)課程教改探索*

胡 毅，楊 國，鄒國柱，彭 靳

(滁州學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

“傳感器與檢測技術(shù)”是一門講解利用傳感器對規(guī)定的被測量進行感知、轉(zhuǎn)換、傳輸和應(yīng)用等知識的重要課程[1].當(dāng)前，由于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，在許多院校的“傳感器與檢測技術(shù)”課程教學(xué)中，對教學(xué)課時進行了較大規(guī)模的壓縮，導(dǎo)致課程教學(xué)內(nèi)容難以有效實施.同時，在實驗教學(xué)中驗證性實驗比重過大，缺乏綜合設(shè)計性實驗的有效開展，以及在學(xué)生成績評價上缺乏多元化評價內(nèi)容等[2]，也都是課程教學(xué)中亟需改革的問題.

另一方面，以O(shè)BE(Outcom-based Education，OBE)為導(dǎo)向的教學(xué)改革目前已成為各高校提升傳感器課程教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ).與傳統(tǒng)的教學(xué)不同，以O(shè)BE為導(dǎo)向的教學(xué)強調(diào)以學(xué)生為中心、以學(xué)生的“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”為根本、以持續(xù)改進為重點，通過反向設(shè)計課程內(nèi)容和教學(xué)方法等來完成教學(xué)任務(wù)[3].在OBE教學(xué)實現(xiàn)上，通常需完成3方面的工作[4，5]：1)制定符合“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”的課程培養(yǎng)目標(biāo)；2)設(shè)計與培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的教學(xué)方法策略；3)對學(xué)生的實際“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”進行評價，并將評價結(jié)果反饋到下一輪課程教學(xué)中以持續(xù)改進教學(xué)質(zhì)量.如鄭春嬌[6]對基于OBE的傳感器課程體系、教學(xué)實施、思政元素、課程考核等進行了教學(xué)改革設(shè)計；李新成等[7]以O(shè)BE導(dǎo)向，探索了項目驅(qū)動的傳感器課程線上線下混合式教學(xué)模式；李小敏等[8]則將學(xué)生的畢業(yè)要求指標(biāo)與課程教學(xué)目標(biāo)相銜接，并將其貫穿到教學(xué)過程中，同時融合項目案例式教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建了以O(shè)BE為導(dǎo)向的傳感器課程閉環(huán)反饋教學(xué)系統(tǒng).

上述文獻多只針對某一或某幾個方面的教學(xué)內(nèi)容改革.而為了更全面地符合教學(xué)實際的需要，基于前文所列舉“傳感器與檢測技術(shù)”教學(xué)中存在的問題，有必要將教學(xué)改革內(nèi)容涵蓋至課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗實踐教學(xué)、成績評價與反饋等多個方面.結(jié)合教研團隊的教學(xué)實踐，對以O(shè)BE為導(dǎo)向的課程教學(xué)改革進行了一定的探索研究.具體來說，首先以O(shè)BE為導(dǎo)向改革了課程培養(yǎng)目標(biāo)，然后在此基礎(chǔ)上，對課程理論教學(xué)、實驗實踐教學(xué)、以及成績評價體系等進行了改革探索，并給出了相應(yīng)的改革方法.多輪教學(xué)實踐表明，在開展以O(shè)BE為導(dǎo)向的課程教學(xué)改革后，學(xué)生的知識、能力和素質(zhì)等“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”均得到了明顯提高，體現(xiàn)了改革的有效性.

1 課程培養(yǎng)目標(biāo)的確定

為有效實施教學(xué)改革，首先需確定與OBE要求相匹配的課程培養(yǎng)目標(biāo).考慮到學(xué)生的“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”主要通過知識、能力和素質(zhì)等來體現(xiàn)[9，10]，對此將改革后的培養(yǎng)目標(biāo)確定為：

在知識產(chǎn)出上，學(xué)生熟練掌握各種常見傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)特征、性能參數(shù)、非線性誤差補償、應(yīng)用測量電路等基礎(chǔ)知識；能夠在綜合考慮各種因素的情況下，選取合適的傳感器構(gòu)建出所需的檢測控制系統(tǒng).

在能力產(chǎn)出上，學(xué)生具備較強的實驗實踐動手能力，能分析解決一些與課程專業(yè)相關(guān)的實際問題；具有較強的傳感器系統(tǒng)安裝、調(diào)試和故障排除能力；在畢業(yè)達成上，具備與崗位相匹配的專業(yè)知識和一定的崗位競爭力.

在素質(zhì)產(chǎn)出上，學(xué)生通過多元化的成績評價體系不斷認識自我和激勵自我，學(xué)習(xí)能動性得到不斷提高，自信力得到顯著增強，并養(yǎng)成良好的團隊合作精神.

2 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與教學(xué)方法革新

2.1 教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)優(yōu)化

針對課時壓縮導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容難以有效實施的問題，以O(shè)BE為導(dǎo)向，結(jié)合課程培養(yǎng)目標(biāo)，對教學(xué)內(nèi)容進行了重構(gòu)與優(yōu)化處理.具體改革方法如下.

2.1.1 對知識體系按特征進行劃分

根據(jù)對學(xué)生知識產(chǎn)出的要求，將教學(xué)內(nèi)容劃分為傳感器共性知識和不同類傳感器個性知識兩大塊.其中，在共性知識方面，主要選取了傳感器的定義與組成，傳感器的靜態(tài)和動態(tài)特性分析方法及描述參數(shù)，傳感器的選用原則及發(fā)展趨勢等內(nèi)容進行教學(xué).而在不同類傳感器個性知識方面，基于課時壓縮的實際情況(32理論學(xué)時+16實驗學(xué)時)，重點選取了7種常見傳感器，即電阻應(yīng)變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、以及熱電式傳感器的知識內(nèi)容進行教學(xué).這些內(nèi)容具體包括各類傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)特征、性能參數(shù)、非線性誤差產(chǎn)生機理及補償、應(yīng)用測量電路等基礎(chǔ)知識.對于其他一些與應(yīng)用相關(guān)的內(nèi)容如檢測方法等，受課時限制，則放到后續(xù)的實踐教學(xué)中開展.這種教學(xué)內(nèi)容的安排既解決了課時緊張與學(xué)生“知識產(chǎn)出”需要之間的矛盾問題，使整個教學(xué)活動成為一個有機整體，同時也便于學(xué)生更好地理解掌握所講授的知識.

2.2.2 對教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化重組

在教學(xué)內(nèi)容安排上，不再按照教材編排順序進行教學(xué)，而是采用以某一物理量的測量為主線，將工作原理或結(jié)構(gòu)特征相類似的傳感器集中到一起進行對比教學(xué).這一方面既能加深學(xué)生對傳感器知識的理解，同時也能使他們對不同傳感器的差異性進行比較和思考，從而提高“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”能力.例如，在教學(xué)過程中，以位移測量為主線，將可測量微小位移的電感式傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器以及光電式傳感器集中到一起進行對比教學(xué)，并輔以實驗給出這些傳感器的測位移特性結(jié)果，最后讓學(xué)生總結(jié)給出這些傳感器的異同點，包括它們的非線性特征比較等.通過對上述教學(xué)內(nèi)容的重組和優(yōu)化，學(xué)生能更好地掌握上述4種傳感器的特性.此外，教研團隊還從測力的角度，將電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器集中到一起進行了比較教學(xué)，并對無法集中的熱電式傳感器進行了單獨設(shè)節(jié)教學(xué)，同樣獲得了較好的教學(xué)效果.

2.2 教學(xué)方法的豐富革新

與教學(xué)內(nèi)容改革相配合，以O(shè)BE為導(dǎo)向，對教學(xué)方法也進行了豐富革新，具體如下.

2.2.1 改變教學(xué)內(nèi)容導(dǎo)入方式

在教學(xué)過程中從學(xué)生熟悉的電子設(shè)備導(dǎo)入教學(xué)內(nèi)容.這一方面可加強學(xué)生對所講授傳感器的直觀印象，另一方面也能提高他們對所講知識的興趣和熱情.例如，在講授電容式傳感器時，以學(xué)生熟知的手機觸摸屏為例，先導(dǎo)入早前使用的電阻屏特征，然后從靈敏度、器件響應(yīng)特性等方面，指出這種電阻屏的不足，在此基礎(chǔ)上引入現(xiàn)有電容屏特征及所要教學(xué)的電容式傳感器內(nèi)容.教學(xué)結(jié)果表明，學(xué)生對于這種導(dǎo)入式教學(xué)內(nèi)容通常印象深刻，記憶猶新.

2.2.2 加強對多媒體的靈活運用

在教學(xué)中，盡可能地利用事先制作或從網(wǎng)上搜集到的圖片、視頻、動畫等向?qū)W生展示傳感器的結(jié)構(gòu)特征、工作特性和應(yīng)用測量電路等內(nèi)容，以增強教學(xué)內(nèi)容的直觀性和生動性，從而有效調(diào)動學(xué)生聽課的情緒，使他們能更好地理解所講授的知識.

2.2.3 增強網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的作用

切實增強網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的輔助作用，并深入開展線上線下混合式教學(xué).課前通過學(xué)校引進的學(xué)習(xí)通平臺將教學(xué)任務(wù)布置給學(xué)生，并提供相關(guān)學(xué)習(xí)材料供學(xué)生進行課前學(xué)習(xí)；課中基于平臺機動開展搶答和課堂討論等活動；課后利用平臺布置和批改作業(yè)，并結(jié)合QQ或微信等對一些疑難問題開展實時答疑解惑.此外，在學(xué)完某一章節(jié)的知識后，還利用平臺進行章節(jié)內(nèi)容測試，以了解學(xué)生對所學(xué)知識的掌握情況.利用這種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的輔助，可顯著增強學(xué)生學(xué)習(xí)的靈活性及教學(xué)效果.

2.2.4 提高項目案例教學(xué)的比重

利用一些生活中容易獲取的常用傳感器，通過“剝洋蔥”式的拆解和對其中的功能與測量電路等知識的講解，實現(xiàn)案例式教學(xué).例如，在講解電阻應(yīng)變式傳感器時，可通過拆解電子秤，完成了從原理、結(jié)構(gòu)、傳感器到測量電路等幾乎全部知識的案例教學(xué).再如，進行光電式傳感器教學(xué)時，通過拆解監(jiān)控攝像頭，同樣也實現(xiàn)了案例式教學(xué).針對案例式教學(xué)要求學(xué)生具備一定的先期知識問題，在案例實施前，可通過補充知識、專門輔導(dǎo)等方式得到較好解決.

3 實驗實踐教學(xué)的突出加強

在實驗教學(xué)中，驗證性和綜合設(shè)計性實驗比例設(shè)置是相互矛盾的.驗證性實驗設(shè)置過多時，學(xué)生雖然能較輕松地完成實驗，但收獲通常較少；相反，綜合設(shè)計性實驗設(shè)置過多時，除少數(shù)能力強的學(xué)生外，大部分學(xué)生都難以按時完成實驗，同樣會使實驗效果大打折扣.因此，需對兩者之間的比例設(shè)置進行統(tǒng)籌考慮.此外，對于實踐教學(xué)，以往的做法是結(jié)合生產(chǎn)實訓(xùn)或?qū)嵙?xí)來開展，但結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果并不理想.針對上述問題，教研團隊同樣以O(shè)BE為導(dǎo)向進行了改革探索.具體改革舉措如下.

3.1 優(yōu)化實驗類型，改變實驗教學(xué)方式

針對驗證性和綜合設(shè)計性實驗之間的矛盾問題，在實際教學(xué)中，采取了兩種改革方法來解決：1)優(yōu)化驗證性實驗和綜合設(shè)計性實驗的數(shù)目比例，做到讓學(xué)生既不會感到太累，也不會感覺全部實驗做完后，沒有什么大的收獲.教研團隊根據(jù)大綱及教學(xué)實踐安排了6個驗證性實驗，2個綜合設(shè)計性實驗(表1)，取得了較好的實驗效果；2)在實驗開展上，采取實驗?zāi)芰姷耐瑢W(xué)與實驗?zāi)芰θ醯耐瑢W(xué)自愿結(jié)對幫扶進行[11]，這樣既順利開展了實驗教學(xué)，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作精神.

3.2 以專題設(shè)計為基礎(chǔ)的實踐教學(xué)改革

對于實踐教學(xué)問題，以培養(yǎng)學(xué)生實際應(yīng)用能力為目標(biāo)，采取了專題設(shè)計的方式來開展實施.例如：基于壓電傳感器在超聲波測距中的設(shè)計性實驗，進一步開展了超聲波測距智能小車專題實踐設(shè)計.在具體的實踐實施上，首先讓學(xué)生設(shè)計電路并指導(dǎo)購買相關(guān)器材，如超聲波傳感器和單片機控制模塊等.然后在實驗室進行具體的焊接組裝、編程和調(diào)試等，最終形成一個成品智能小車.通過這一套流程，將實踐教學(xué)的目的和所要達到的效果完全落到了實處，并有效鍛煉了學(xué)生的動手能力和解決實際問題的能力，相應(yīng)地也提高了學(xué)生“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”的潛能，為后續(xù)參加省或國家級的電子設(shè)計大賽等打下基礎(chǔ).

4 多元化成績評價體系的構(gòu)建

在“傳感器與檢測技術(shù)”課程評價上，改革前主要采用以平時成績、實驗成績和卷面考試成績?yōu)橹黧w，并對各部分分配一定權(quán)重，最終得到課程成績的評價方式.這種評價方式有時并不科學(xué)合理，不能真正反映出學(xué)生的“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”情況.如體現(xiàn)學(xué)生能力的電子設(shè)計競賽成績，以及體現(xiàn)學(xué)生的素質(zhì)和團隊合作成績等也都應(yīng)包含到評價體系中去[5].基于這一考慮，教研團隊以O(shè)BE為導(dǎo)向，改革構(gòu)建了多元化成績評價標(biāo)準體系.總體思路是以原來的平時成績、實驗成績和卷面考試成績?yōu)榛A(chǔ)，擴充了與知識、能力和素質(zhì)等密切相關(guān)的競賽成績和團隊合作成績等.具體的構(gòu)建結(jié)果如表2所.

5 改革效果評價及反饋

為評估以O(shè)BE為導(dǎo)向的課程教學(xué)改革的有效性，教研團隊持續(xù)跟進了2019—2021年自動化專業(yè)3屆授課學(xué)生的課程綜合測評成績，如圖1所示.其中，課程成績的綜合評定是嚴格按照表2的條目給出的.另外，2019年開始第1次OBE教學(xué)試點改革，此后上一屆的教學(xué)反饋結(jié)果將被用來調(diào)整下一屆的教學(xué)實施.從圖1中見，從2019年到2021年，隨著OBE教學(xué)改革的不斷深入和完善，學(xué)生的平均課程成績每年大概有5分的增幅，并且在2021年消除了不及格的情況.這些結(jié)果表明，在開展以O(shè)BE為導(dǎo)向的課程教學(xué)改革后，學(xué)生的“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”確實得到了明顯提高.

為進一步考察課程改革對學(xué)生“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”的促進作用，在2021年課程結(jié)束后，教研團隊還通過所在學(xué)院督導(dǎo)組對教學(xué)班級開展了匿名問卷調(diào)查活動.其中問卷中設(shè)計的問題為：1)你在學(xué)完該門課程后收獲情況如何？2)課程教學(xué)內(nèi)容的安排對你學(xué)習(xí)本課程及后續(xù)課程的幫助性如何？3)你對教師的教學(xué)方法認可度如何(包括對多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺等的使用情況)？4)課程實驗實踐教學(xué)對你應(yīng)用動手能力的提高幫助程度如何？5)你對采用的多元化成績評價體系在提高學(xué)習(xí)主動性和興趣等方面的認可度如何？在上面5個問題中，每個問題設(shè)計分值為1～5分，其中1分表示最差，5分表示最好.

由調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果(圖2)可見，基于OBE的課程改革確實顯著提高了學(xué)生的“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”能力.但同時調(diào)查結(jié)果也表明，改革中仍存在一些問題，如實驗實踐教學(xué)滿意度就不是很好.后由督導(dǎo)組反饋的信息獲知，這主要是由于儀器設(shè)備陳舊，導(dǎo)致學(xué)生對實驗教學(xué)不太滿意造成的.對此，在2022年教學(xué)中通過向?qū)W校教務(wù)部門等申請，對相關(guān)儀器設(shè)備進行了更換，目前該問題已得到較好解決.

圖2 教學(xué)問卷調(diào)查反饋結(jié)果

6 結(jié)語

結(jié)合“傳感器與檢測技術(shù)”課程的教學(xué)實踐，對以O(shè)BE為導(dǎo)向的課程理論教學(xué)、實驗實踐教學(xué)、以及成績評價等進行了改革探索，并給出了一些具體的改革方法.教學(xué)實踐表明，在開展教學(xué)改革后，學(xué)生的知識、能力和素質(zhì)等“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”得到了明顯提高.后續(xù)準備進一步擴充完善所給的改革內(nèi)容和方法，以便為更高層次的工程教育專業(yè)認證開展打下基礎(chǔ).