基于CDIO模式的傳感器技術課程改革

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現場的實際情況及傳感器材料工藝學相關。而一個測試系統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，才能培養學生組織測試系統的能力。然而傳統的教學內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。課程內容有以下特點[2]：

(1)課程內容分散，各章節內容相對獨立，缺乏連續性和系統性。內容側重各類傳感器原理和后續測量電路的講解。

(2)教學課時有限，教學內容不可能面面俱到，新的傳感原理和新型傳感器沒有涉及。教學內容陳舊，沒有新意，未能反映最新的技術水平。

(3)實驗環節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的實際能力，與工程實踐脫節嚴重。

(4)教學方法一般采用強調知識點掌握的課堂講授的方法，缺乏課程的系統性和學科間的關聯性，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—運行”)以產品研發到產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。

為改變該課程的教學現狀，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容及實踐環節進行多方面的改革，以理論培養為基礎，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、運作完成完整的CDIO過程，實現課程的項目教學。利用情境教學激發學生的學習興趣，挖掘學生的學習潛能和創新能力，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。

將傳感器的內容講授與生活中的應用聯系起來從而培養學生的學習興趣，培養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，激發學生求知欲，鍛煉學生思維能力。并與課外創新活動相結合，教師采取策略性的引導，激發學生創造力，提高觀察和動手能力。同時，提供開放實驗條件，合理引導項目選題方向和難度，加強創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容多，與前期基礎課、后續專業課聯系非常緊密。我們從傳感器測量的數學基礎、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”、“模擬電路”、“數字電路”、“檢測技術”、“數字信號處理”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?，在完成理論基礎教學上，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，把教學內容巧妙地隱含在每個任務之中，讓學生自己提出問題，并經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，根據這些電信號的強弱可以獲得與待測氣體在環境中的存在的信息，從而進行檢測。簡單的傳感器制作的電路，激發學生對課程、對項目的興趣，也培養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，培養一定的成本核算意識和經濟頭腦，養成嚴謹的工作作風和良好的職業道德。

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觀念，把實驗內容以項目的形式進行規劃，并通過統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，讓學生根據需要瀏覽相關的國內外網站，直接接觸專業市場，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，培養學生的團隊協作精神，并對學生的每個制作細節進行嚴格把關，也培養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，培養學生整體思考能力和發現問題的能力。

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、改進設想等內容進行公開匯報。之后學生之間進行互評，找出優缺點，學習別人的優點，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、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，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，正確分析實驗數據并進行誤差處理。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能力，變被動接受為主動學習，使學生在教師引導下，通過“創設情境、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，同時也培養學生發現問題、解決問題的能力。使學生具備較強的專業素養，寬廣的視野和一定的工程經驗，有效地提高學生的綜合素質和創新能力。經過近年來的探索，自動化系測控專業學生很好地完成了課程的學習要求，并在課外創新實踐活動中呈現出良好的發展態勢。例如，測控07級學生中超過30%的學生參加了課外創新實踐活動，例如應用多種類型傳感器，設計無線傳感器網絡節點應用于不同情境，完成不同環境的監測，實現從課堂理論到課外實踐的提升，增強了學生的學習主動性，培養了學生的工程應用能力和創新意識。

參考文獻：

[1]劉曉旻,張曉芳,李蘇貴.現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.傳感器課程教學現狀分析與改革對策[J].中國現代教育裝備,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.