CDIO模式下的傳感檢測技術教改實踐*

劉保軍 劉躍華

電子科技大學中山學院 廣東中山 528402

CDIO模式下的傳感檢測技術教改實踐*

劉保軍 劉躍華

電子科技大學中山學院 廣東中山 528402

加強高校工科大學生綜合素質的培養非常重要。介紹CDIO工程教育模式和傳感檢測技術課程的教改觀念，構建多層次教學體系，在教學過程中從教學內容、教學方法、考核形式等多個方面進行卓有成效的實踐。

CDIO；傳感檢測技術；教學改革

Abstract Enhancing the training of engineering application ability is very important in current higher engineering education. The CDIO engineering education initiative is briefly introduced, and the intention of teaching reform of the course Sensor and Detection Technique are described. Multilevel teaching system is constructed, and the practice is executed on syllabus, teaching means and course measures in teaching process. It is proved that students’ engineering application ability,innovative thinking and team co-operation spirit are effectively trained and improved through the teaching reform based on CDIO model.

Key words CDIO; sensor and detection technique; teaching reform

Author’s address Zhongshan College, University of Electronic Science and Technology of China,Zhongshan, Guangdong, China 528402

1 CDIO工程教育模式與課程教學改革

自20世紀上半葉開始，世界各國的工程教育的內容和形式越來越穩定，科學理論和研究日益倍受重視，造成“科學型”工程師與工業企業需求之間的裂隙逐步加大的局面。伴隨20世紀后期信息技術的飛速發展和對社會各方面的重大影響，工程技術人才的大量需求和全新要求對傳統的工程教育模式提出強烈的挑戰。2000年由麻省理工學院（MIT）等4所大學倡導的CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即“構思——設計——實現——運行”）工程教育理念成為信息化時代背景下應運而生的影響最廣、各國參與高校最多的一種系統的先進教育思想[1-2]。

CDIO工程教育理念認為，應為學生提供基于產品開發周期的重視工程基礎的工程教育環境。學生應該在學校、工業和社會環境下，按照一個產品或系統從基本構想、設計、研制實現直到實際運行的完整開發過程這種情境，學會解決問題，并完成特定的工程或項目[3]。CDIO大綱系統地描述了工程教育的主要要求，涵蓋情境、教學大綱、課程設置、訓練場地、學生能力、溝通能力、教師能力和計劃評估等12項標準。顯然，CDIO理念是一套全面的富于創新的工程教育思想[4-5]。

我國高校畢業生與社會和用人企業的需求目前仍存在較大的差距，主要的反映有：學生解決問題能力差，工程實踐應用能力欠缺，創新意識不強，缺乏團隊合作意識和能力。而這些問題恰好反映出傳統的工程教育模式的問題，即片面重視學生理論基礎的培養，輕視實驗和實踐環節，課程設計和畢業設計環節不斷被弱化，忽視學生的工程實踐等。

為改變傳感檢測技術課程的教學現狀，恰當地引入CDIO工程教育模式，以理論培養為基礎，以工程應用為目標，重點培養學生的工程應用能力，激發其創新思維，鍛煉其團隊合作精神，從教學觀念、體系、手段和方法、考核形式等多方面、多層次地進行教學改革實踐。

2 構思CDIO模式下的教學觀念

要保證教學改革得到順利實施，取得良好的效果，首先要樹立CDIO模式下的教學觀念。

CDIO教學大綱認為，應該注重從4個方面培養工科學生：注重工科學生的專業基礎理論和技術發展方向知識，培養其工程能力、問題解決能力和專業素養，提高其溝通交流水平和團隊協作能力，在具體的社會和商業的情境下按照Conceive-Design-Implement-Operate生命周期系統性地、逐個環節完成工程項目和產品開發[6-7]。CDIO培養能力大綱如圖1所示。

圖1 CDIO培養能力大綱

基于CDIO能力培養大綱，傳感檢測技術課程的教學改革觀念應該著眼于3個方面：1）修改教學大綱的內容，制定更合理的理論和實驗教學內容，明確基于CDIO理念的3級實驗項目、課程綜合設計和創新設計及其重要性，以做到教、學、做三結合；2）要求學生按產品生命周期（構思——設計——實現——運行）完成設計項目，以增強學生的問題解決能力、工程應用能力和團隊合作精神，即將CDIO的思想精髓傳遞給學生；3）完善課程考核和反饋機制，加強過程監控，以更好地貫徹CDIO工程教育理念。

顯然，CDIO的教學理念很好地滿足了教學改革的需求。實施過程中，教師應作為教學改革的主導者；學生應有獨立思考的時間，以團隊/小組的形式完成特定的設計項目或自我構思的作品，獲取接近真實企業情境和需求的工程教育經歷，訓練創新思維和團隊合作精神，成為符合現代企業和社會環境需求的工程師。

圖2 基于CDIO的教學體系層次模型圖

3 設計CDIO模式下的教學體系

傳感檢測技術課程以理論為基礎，側重工程應用和實踐，因此需要設計一套貫徹CDIO工程教育理念的比較合理的教學體系[8]。圖2為新教學體系的層次模型圖。

3.1 理論教學注重按CDIO模式剖析項目案例

扎實而新穎的理論知識是對新世紀大學生的基本要求。為此，對理論教學內容進行去粗取精，刪減過時而冗余的知識，新增智能傳感器及虛擬儀器技術等內容，加強講解傳感器典型應用方法，分析具體的工程項目設計案例，從方案構思、系統設計、傳感器選型、系統調試和測試運行等逐個環節認真剖析，使學生首先正向理解CDIO的開發過程。

3.2 實驗教學增強符合CDIO的設計性內容

對傳統的實驗項目合理加以改進，加強設計性內容，并增加實驗內容的綜合性，在實驗室環境下按CDIO理念進行實驗性訓練，既強化學生對理論知識的理解，提高實驗自身的工程實用性和訓練目標，又有利于提高學生的興趣與問題解決能力。

3.3 課外創新活動強化CDIO訓練

要求學生組成課外興趣實踐小組（一般為3～5人）進行課外創新活動，旨在提高學生在社會化環境中的問題發現能力和問題解決能力，進一步按CDIO理念進行項目開發訓練，增強工程能力。

3.4 綜合性的CDIO二級設計項目

二級設計項目綜合一組相關聯的課程群，以培養相關聯知識的綜合應用能力為目的。二級項目選題可設計為由傳感檢測技術引領的一組電類相關課程群的知識綜合運用題目，如光電報警系統設計、電子秤設計、自動尋跡小車設計等，難度應介于傳統的課程設計與畢業設計之間，通常由3～5人組成項目小組來完成。這類題目需綜合應用模擬電路、數字邏輯電路和傳感檢測技術等知識，可以很好地激發其開發和制作熱情，鍛煉學生的知識融合能力，挖掘和培養其工程潛力。

這樣的教學體系設計符合學生的學習習慣，具有如下優點：先理論后實踐，有利于得到較好的設計實驗效果，并強化“實踐離不開理論指導”的思想；復雜程度逐步增加，有利于實踐成功，信心得以建立和增強，從中享受自我實現的樂趣，而CDIO理念也得以逐步訓練和樹立；隨著知識綜合能力要求的提高，學生的工程能力得以充分地挖掘和提升，同時通過不同規模的小組形式，學生的交流溝通技巧和團隊合作能力都會有較好的鍛煉；興趣實踐活動有意安排為課外形式，不僅有利于學生有效利用課余時間進行科技活動和人際交流，更利于培養學生的主動性、社會責任感和專業態度，而這也是CDIO工程教育大綱所指出的內容；采用統一的綜合設計題目，要求學生嚴格按照“構思——設計——實現——運行”這一產品開發生命周期完成項目，能力得到全面的提升。在整個過程中，CDIO理念可以得到循序地良好培養和認同，工程應用能力將得到逐步提高和增強。

4 實現和運行CDIO模式下的教學改革

遵照新教學體系的層次模型，課程教學實踐中認真實施，使各教學環節與CDIO大綱的能力培養目標互相呼應，其對應關系如圖2所示。

4.1 理論教學突出重點和案例CDIO剖析

按照CDIO大綱，理論教學針對某類或某種原理的傳感器，突出其理論主線，使學生能夠“知其所以然”；注重傳感器的結構特性、檢測電路的設計與實踐應用，做到“知其然”和“明其用”；安排具體的工程項目案例，依照CDIO產品周期進行剖析性講解，達到示范合理選用和運用傳感器的目的。例如，在磁性傳感器理論、特性和應用知識講解后，以“霍爾傳感器在車輛測速中的應用”項目開發為例進行分析。雖然這樣的案例教學是以講解分析和課堂研討的形式進行，但其環節完整而且密切相連，完全符合CDIO過程教育理念。

同時，理論課程教學增加啟發性問題，對學生的回答及時給予合理的評價和引導；引入適當的小組討論，增強學生的知識交流和溝通能力，培養其表述問題和見解的能力，提高學生的學習主動性。

4.2 三級實驗項目強調CDIO過程練習

為了使三級實驗項目有別于傳統的驗證性實驗，將實驗內容改進成為富有具體測量對象和目的設計性的實驗項目。為獲得有意義的測量結果，學生都會提前預習和準備方案，精心做實驗。例如將“金屬應變片電橋性能實驗”改進為“測重電子秤的設計”實驗，要求學生先構思（Conceive）自己的設計方案，設計（Design）檢測電路，并利用面包板實現（Implement）電路并完成標定，最后將系統投入運行（Operate），在不同的條件下完成稱重目的（如手機、MP3等的重量）。這樣的實驗不同于傳統電橋實驗之處在于，必須自己搭建電路和進行標定工作，因而設計性因素大大增加。由于要考慮方案的合理性、電橋測量電路設計、調零電路和放大電路設計、器件參數計算與選擇、系統標定等一系列問題，學生通常會有各種方案和設計，教師應適時指導，加以引導，增強學生的信心，提高其問題分析和解決能力。

4.3 課外創新活動注重增強學生主動性

課外創新活動是整個課程教學改革中實施難度最大的環節。教師需要采取策略性的引導，克服學生的畏難心理，加強學生對課外實踐與課程學習互動效應認識，并指出課外實踐活動以可行性和探索性為原則，目的在于激發創造力，提高觀察和動手能力。同時，提供開放實驗條件、合理引導選題方向和難度、加強創新制作過程中的定期輔導等，也是促進大學生課外實踐活動開展的重要保證。

經過近年來的探索，該課程的學生課外創新實踐制作活動呈現出良好的發展態勢。例如，07級160名學生中近60%的學生參加了課外創新實踐活動，應用紅外、光敏、氣敏、溫度等多種類型傳感器，選題包括“紅外家電遙控器”“路燈自動控制裝置”“尋光機器人”“防盜報警器”“數字溫度采集系統”等，實現從課堂理論到課外實踐的提升，增強學生的主動性、工程能力、創新意識和專業精神，培養了工程應用能力。

4.4 二級設計項目注意選題融合相關學科知識

考慮傳感器與電路各課程之間的關系，結合自動化專業的特點，二級設計項目環節選取“多路光電報警系統設計”作為設計題目。設計既要求選用性能和結構合適的典型紅外傳感器型號，又要進行濾波器設計和運算放大器設計知識，以及考慮數字邏輯電路的設計和芯片選用，并使用EDA軟件進行電路設計和仿真。項目開始后，教師首先引導學生進行系統級的構思，選取系統組成方案并評定其可行性；之后進入設計環節，細化各組成部分的電路設計、元件設計和參數選定，并進行仿真運行直至仿真結果正確合理；系統實現階段，主要進行元件選取、電路板制作和焊接等，實現所要求的基本功能；而在系統的運作階段，主要發現系統存在的問題并加以解決。經過完整的CDIO產品周期，學生能夠較好地掌握項目設計的各環節要求，為未來的工作實踐奠定良好的基礎。

4.5 改進考核方法，注重綜合能力

CDIO大綱包含教學的評價過程，不僅重視培養學生的工程應用能力，而且強調樹立其專業意識和團隊合作能力，因此在課程的教學過程中需要設計信息反饋表格，傾聽學生反饋的各種意見和建議，并關注學生的上述能力是否有較明顯的提高。課程考核比例相應調整，各考核項目及比例如表1所示。

學生在整個學習過程中可以保持良好的學習狀態，做到理論和實踐并重，工程應用能力、創新意識和團隊精神逐步得到加強，更有利于成為具備現代“工程師”素質的大學畢業生。

5 結語

按照CDIO模式進行的傳感檢測技術教改實踐表明，這樣的教學更利于學生各種能力的綜合培養，也更適應現代高等工程教育的發展趨勢和要求，更符合高等教育的規律。實施CDIO模式下的工程教育改革，受到學生的支持和歡迎，其工程應用能力得以有效培養和發掘，創新思維、人際交流溝通能力和團隊合作精神也相應得到訓練和提高，學生評教顯著提高至優秀行列。事實說明，CDIO模式下的傳感檢測技術課程的教學改革實踐取得良好成效。

表1 傳感檢測技術課程的各項目考核比例

[1]郝智秀,等.基于CDIO的低年級學生工程能力培養探索:機械基礎實踐教學案例[J].高等工程教育研究,2009(5):36-40

[2]張慧平,等.基于CDIO教育理念的自動化課程的改革與實踐[J].電氣電子教學學報,2009(S2):138-141

[3]顧學雍.聯結理論與實踐的CDIO:清華大學創新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究,2009(1):11-23

[4]Crawley E F, et al. Rethinking Engineering Education: The CDIO Approach[M].New York: Springer,2007:3,32,109

[5]Crawley E F. Creating the CDIO Syllabus, a Universal Template for Engineering Education[R].32nd ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference,2002

[6]Crawley E F,查建中,Malmqvist J, Brodeur D R.工程教育的環境[J].高等工程教育研究,2008(4):13-21

[7]胡雄心,姚遠,高紅俐.CDIO模式下模電授課模式的探討[J].電氣電子教學學報,2008,30(4):106-108

[8]顧佩華,沈民奮,李升平.從CDIO到EIP-CDIO:汕頭大學工程教育與人才培養模式探索[J].高等工程教育研究,2008(1):12-20

Practice of Teaching Reform of Course Sensor and Detection Technique based on CDIO Model

Liu Baojun, Liu Yuehua

G642.0

B

1671-489X(2011)06-0048-04

10.3969 /j.issn.1671-489X.2011.06.048

廣東省高等教育本科教學改革立項項目（BKJGYB2008107），電子科技大學中山學院質量工程建設（教學團隊）項目(ZLGC2009JXTD06)。

作者：劉保軍，碩士，工程師，電子科技大學中山學院機電工程系，研究方向為智能檢測與控制、機電一體化與機器人技術研究。