基于OBE的傳感器技術(shù)課程CDIO工程教育設(shè)計(jì)及實(shí)施

徐小玲 劉 美 黃劍鋒廣東石油化工學(xué)院 廣東茂名 525000

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基于OBE的傳感器技術(shù)課程CDIO工程教育設(shè)計(jì)及實(shí)施

徐小玲 劉 美 黃劍鋒
廣東石油化工學(xué)院 廣東茂名 525000

摘 要：分析當(dāng)前儀器儀表產(chǎn)業(yè)人才需求及學(xué)校特色，針對(duì)傳感器技術(shù)課程制定課程層面“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”，設(shè)計(jì)一體化課程，建立課程與培養(yǎng)目標(biāo)之間的匹配矩陣，配以適應(yīng)的基于CDIO的教學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”。最后，通過評(píng)估“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”，考查學(xué)生知識(shí)掌握、能力培養(yǎng)以及態(tài)度養(yǎng)成的情況，從而進(jìn)一步完善教學(xué)。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)；培養(yǎng)方案；學(xué)習(xí)產(chǎn)出；CDIO

當(dāng)前，工科院校在對(duì)大學(xué)生的培養(yǎng)中過分強(qiáng)調(diào)注重通識(shí)教育，放松學(xué)生工程知識(shí)的夯實(shí)和知識(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，導(dǎo)致學(xué)生工程專業(yè)知識(shí)精深程度不高，知識(shí)面偏窄，不論在工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開發(fā)，或是工程理論研究等方面體現(xiàn)出缺乏創(chuàng)新思維能力和工程實(shí)踐能力［1］。近年來，汕頭大學(xué)提出了基于“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”（Outcomes-based Education， 簡(jiǎn)稱OBE）的工程教育模式，以CDIO工程教育改革實(shí)踐為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和執(zhí)行能力［2］。其中，OBE工程教育改革主要包括以下幾方面。

（1）制定專業(yè)層面的預(yù)期“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”。

（2）通過一體化課程設(shè)計(jì)，建立課程與培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的匹配矩陣。

（3）確定課程層面的預(yù)期“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”，并設(shè)計(jì)相適應(yīng)的教學(xué)策略。

（4）做好專業(yè)層面與課程層面的實(shí)際“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”評(píng)估。為提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，我校提出了以成果導(dǎo)向教育理念為指導(dǎo)，深化教學(xué)方法改革，促進(jìn)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化，提高教育質(zhì)量的要求。

1　專業(yè)培養(yǎng)與課程目標(biāo)

2004年我校創(chuàng)辦測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，根據(jù)學(xué)校辦學(xué)目標(biāo)，人才培養(yǎng)旨在使學(xué)生在具有專業(yè)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，配以石化特色，使學(xué)生具有從事化工自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、先進(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制研究、開發(fā)、應(yīng)用和運(yùn)行管理等方面工作的能力。根據(jù)近三年測(cè)控專業(yè)學(xué)生就業(yè)情況調(diào)查，畢業(yè)生進(jìn)入通信設(shè)備計(jì)算機(jī)、儀器儀表及設(shè)備制造業(yè)占總?cè)藬?shù)的24.19%以上，進(jìn)入石化企業(yè)、石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)占27.42%以上，主要從事各種機(jī)械的專業(yè)檢測(cè)及儀器維護(hù)、自動(dòng)控制、自動(dòng)化檢，或是在研發(fā)單位從事儀器儀表的開發(fā)和設(shè)計(jì)等，這部分知識(shí)與能力的培養(yǎng)都與傳感器技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及測(cè)控技術(shù)等課程密不可分。因此，根據(jù)OBE的4個(gè)環(huán)節(jié)，在課程層面上，通過對(duì)傳感器技術(shù)課程設(shè)計(jì)，制定預(yù)期“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”，就知識(shí)體系而言，使學(xué)生建立針對(duì)傳感器的從原理到應(yīng)用的系統(tǒng)化認(rèn)識(shí)，掌握測(cè)量及誤差等理論知識(shí)，了解信號(hào)處理及抗干擾方面的基本知識(shí)。就能力培養(yǎng)而言，要求學(xué)生具有傳感器選擇、安裝、檢測(cè)與調(diào)試能力，具有傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)能力及對(duì)傳感器性能進(jìn)行測(cè)試分析的能力；就素質(zhì)培養(yǎng)而言，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生勤思考、能動(dòng)手、善于與人交流的能力，從而使學(xué)生自主建立不斷演進(jìn)的知識(shí)體系。

2　課程與培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的匹配矩陣

針對(duì)傳感器課程預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出，測(cè)控專業(yè)傳感器課程采用由唐文彥主編的“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《傳感器》，教材主要敘述幾何量和機(jī)械量檢測(cè)所使用的傳感器。同時(shí)，系統(tǒng)介紹了一些其他物理量測(cè)量的傳感器。最后，對(duì)近年來發(fā)展起來的幾種新型傳感器做了補(bǔ)充。根據(jù)教材內(nèi)容，全書根據(jù)傳感器工作原理分類，主要講授第一章到第八章內(nèi)容，即從第一章傳感器的一般特性，到第八章熱電式傳感器，每一章都獨(dú)立展現(xiàn)不同傳感器原理、性能及應(yīng)用。內(nèi)容上主要為各種傳感器的工作原理、轉(zhuǎn)換電路及一些工程設(shè)計(jì)方法以及分析研究和選用等方面的知識(shí)。

針對(duì)特定崗位群，在課程內(nèi)上選擇上突出學(xué)生傳感器應(yīng)用能力的培養(yǎng)，根據(jù)這一特點(diǎn)，課程在教學(xué)內(nèi)容上，每一章節(jié)以項(xiàng)目為載體，分成若干個(gè)知識(shí)點(diǎn)，系統(tǒng)化設(shè)計(jì)教學(xué)情境，采用CDIO工程培養(yǎng)模式［3］，從典型檢測(cè)對(duì)象著手，每個(gè)學(xué)習(xí)情境都安排不同檢測(cè)任務(wù)，學(xué)生對(duì)傳感器從內(nèi)部到外部通過不同載體進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而完成整體電路設(shè)計(jì)和安裝，實(shí)現(xiàn)學(xué)生技能的拓展和遷移，為學(xué)生可持續(xù)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。如圖1所示傳感器課程與學(xué)生知識(shí)、能力、素養(yǎng)達(dá)成情況關(guān)系矩陣。

圖1　傳感器課程與學(xué)生知識(shí)、能力、素養(yǎng)達(dá)成情況關(guān)系矩陣

除此之外，在內(nèi)容上，將本專業(yè)新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料及時(shí)地納入教材內(nèi)容，使教材內(nèi)容更貼近本專業(yè)的實(shí)際要求。還需添加一些實(shí)際應(yīng)用中需要解決的問題。例如，石化化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)、儀器儀表配電接地方式，信號(hào)電纜的敷設(shè)和屏蔽等。在這些部分，利用我校地處中國(guó)華南地區(qū)最大的石化基地的優(yōu)勢(shì)，積極利用學(xué)校資源，邀請(qǐng)石化企業(yè)技術(shù)人員講授，與高校講師相比，企業(yè)技術(shù)人員可以憑借豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)具體問題有針對(duì)性的講解，將枯燥無味的理論通過視頻、圖片、甚至實(shí)物拆解進(jìn)行介紹，使理論更好地被學(xué)生理解和吸收。

在以往的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)部分往往較實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與理論部分獨(dú)立，采用傳感器綜合實(shí)驗(yàn)儀CSY2000，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，包括常用傳感器、性能、標(biāo)定及常用調(diào)理電路特性等，課程與工程實(shí)踐聯(lián)系不緊密。然而，針對(duì)創(chuàng)新能力的養(yǎng)成，通常都是從模仿、自行設(shè)計(jì)到創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程。因此，為引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究、有效開闊學(xué)生的專業(yè)知識(shí)面，實(shí)驗(yàn)部分由案例引導(dǎo)，從測(cè)量系統(tǒng)的角度，提出適合本科生研究學(xué)習(xí)的專題，包含傳感器相關(guān)調(diào)理環(huán)節(jié)及其他處理環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，將基礎(chǔ)理論、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐密切結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)資源、開展課堂討論、提交綜述報(bào)告或設(shè)計(jì)作業(yè)等開展研究性學(xué)習(xí)。

在整體的課程教學(xué)的設(shè)計(jì)中，以工作過程系統(tǒng)化理念為指導(dǎo)，以教學(xué)做一體化為典型特征，通過教師與行業(yè)、企業(yè)專家密切合作參與課程設(shè)計(jì)開發(fā)教學(xué)實(shí)施的全過程。將電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與傳感器課程相結(jié)合，內(nèi)容選取以工作需求為目標(biāo)，教學(xué)組織以工作過程為主線，以真實(shí)項(xiàng)目為載體，培養(yǎng)學(xué)生在數(shù)據(jù)采集上的專業(yè)知識(shí)、應(yīng)用能力以及工程素養(yǎng)。

3　教學(xué)方式改革

傳感器課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要性，而學(xué)生能力培養(yǎng)需遵循由淺入深、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從知識(shí)掌握到能力培養(yǎng)的順序漸進(jìn)的過程。然而，在目前的教學(xué)中，理論環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)完全分開，理論課程局限于課本知識(shí)的講授，不斷重復(fù)于不同傳感器結(jié)構(gòu)、性能等方面的敘述，而實(shí)踐環(huán)節(jié)則不斷重復(fù)地去驗(yàn)證理論環(huán)節(jié)的知識(shí)，只實(shí)現(xiàn)幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)書本知識(shí)的理解，模塊化結(jié)構(gòu)方便學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)，但不利于學(xué)生對(duì)于各類物理信號(hào)獲取、轉(zhuǎn)換、分析的掌握，無法實(shí)現(xiàn)學(xué)生操作技能和動(dòng)手能力的提升。在基于OBE的傳感器課程教學(xué)中，以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來指導(dǎo)教學(xué)，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出，教學(xué)計(jì)劃和內(nèi)容都是回溯式設(shè)計(jì)。而要達(dá)到預(yù)期產(chǎn)出，使學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力、素質(zhì)的提升，就需要在教學(xué)方式上做出改變。

在知識(shí)培養(yǎng)上，我們?nèi)匀粡?qiáng)調(diào)課堂知識(shí)學(xué)習(xí)的重要性，針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象，涉及眾多的測(cè)量方法，課程教學(xué)利用文字、圖片、聲音、視頻及動(dòng)畫將傳感器原理和方法講清楚講透，在這一過程中，互動(dòng)式、開放式、提問式的教學(xué)方法可以培養(yǎng)學(xué)生的參與意識(shí)和思維能力，并引導(dǎo)學(xué)生去思考問題、理解問題，也符合素質(zhì)教育所提倡的“教為主導(dǎo)，學(xué)為主體”的教學(xué)思想。在能力培養(yǎng)上在情境教學(xué)中，采用基于CDIO的工程培養(yǎng)模式，選用傳感器技術(shù)應(yīng)用的真實(shí)案例，把知識(shí)與技能有機(jī)結(jié)合，圍繞相關(guān)問題和能力開展訓(xùn)練，通過采用分組研討，案例分析，啟發(fā)引導(dǎo)等方式，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生根據(jù)已有的基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)一步掌握傳感器特性、結(jié)構(gòu)和電路，并可以對(duì)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)歸納。再根據(jù)實(shí)際給出的案例，通過對(duì)傳感器和相應(yīng)測(cè)量電路選用，讓學(xué)生獲得本質(zhì)的用典型地選用規(guī)律，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，最后由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)施，模擬完成測(cè)量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，仿真。在整個(gè)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)中，要求學(xué)生獨(dú)立完成的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，又設(shè)定相關(guān)自主實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考的能力又加強(qiáng)學(xué)生的協(xié)作學(xué)習(xí)的能力。同時(shí)在本課程結(jié)束后，設(shè)置專業(yè)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通過實(shí)踐設(shè)計(jì)、修改設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步加強(qiáng)了探究性學(xué)習(xí)、培養(yǎng)了學(xué)生的合作意識(shí)，團(tuán)隊(duì)精神，實(shí)現(xiàn)學(xué)生素質(zhì)提升。同時(shí)，建立動(dòng)態(tài)更新的課程網(wǎng)站，搭建學(xué)生與教師之間交流平臺(tái)，提供豐富工程應(yīng)用和科研資源，開闊學(xué)生的專業(yè)知識(shí)面。

4　評(píng)價(jià)方式

目前，在課程目標(biāo)達(dá)成度主要采用考核方式進(jìn)行，評(píng)價(jià)多由平時(shí)成績(jī)、作業(yè)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、期中考試、期末考試成績(jī)多項(xiàng)合成的優(yōu)化方案。其中，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占比30%。這種考核方式具有較強(qiáng)的操作性，但不能客觀反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對(duì)課程教學(xué)大綱目標(biāo)達(dá)成情況考查不夠，不利于教學(xué)質(zhì)量的提高。為了進(jìn)一步完善課程達(dá)成度評(píng)價(jià)體系，主要從三方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）達(dá)成度評(píng)價(jià)主要依據(jù)課程“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”，而學(xué)習(xí)產(chǎn)出評(píng)價(jià)直接反應(yīng)課程教學(xué)大綱的目標(biāo)要求是否達(dá)到。因此，首先在課程考核上加強(qiáng)題庫(kù)建設(shè)，確保試卷考核能夠針對(duì)教學(xué)大綱具有足夠的覆蓋度和區(qū)分度，實(shí)現(xiàn)試題與教學(xué)大綱的高度匹配［4］，根據(jù)試卷分析得出每一知識(shí)點(diǎn)的“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”是否達(dá)標(biāo)，并給出實(shí)際達(dá)到程度如應(yīng)用、理解、達(dá)成、未達(dá)成等。其次，增加關(guān)于能力及素質(zhì)達(dá)成度評(píng)價(jià)內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)，制定考核卡，根據(jù)具體考核內(nèi)容給出評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。體現(xiàn)學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)，反映集體合作結(jié)果，論據(jù)充分、邏輯清晰。

圖2　單元任務(wù)考核卡

（2）改變過去一味以教科書與書本知識(shí)問答、套用公式計(jì)算等為主的書面作業(yè)形式，對(duì)課程知識(shí)進(jìn)行延展，布置一些學(xué)科最新發(fā)展方面的題目，通過向?qū)W生公布與課程相關(guān)的技術(shù)期刊，與課程相關(guān)的國(guó)內(nèi)外網(wǎng)站的網(wǎng)址，通過學(xué)習(xí)報(bào)告的方式判斷學(xué)生自我學(xué)習(xí)的情況，即增加過程性評(píng)價(jià)。通過具體表現(xiàn)和作品呈現(xiàn)制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，最終形成學(xué)習(xí)過程的形成性評(píng)估［5］，圖3所示為對(duì)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)。

圖3　知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

除此之外，通過間接評(píng)價(jià)方式，包括意見調(diào)查，訪談獲取達(dá)成度結(jié)果，作為輔助參考方式得到課程達(dá)成度。最終明確是否“達(dá)成”。

（3）增加目標(biāo)趨近度標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建。在學(xué)生個(gè)體課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)估體系構(gòu)建之后，重視另一種評(píng)價(jià)方式，目標(biāo)趨近度標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，針對(duì)學(xué)生個(gè)體現(xiàn)狀與過去進(jìn)行比較，考慮學(xué)生的能力和基礎(chǔ)，重視其努力和態(tài)度，這在基于CDIO的工程培養(yǎng)模式中，體現(xiàn)在學(xué)生以團(tuán)體方式參與課程的積極性，體現(xiàn)在學(xué)生的自我評(píng)價(jià)中，讓學(xué)生從評(píng)價(jià)中得到鼓勵(lì)和鞭策，形成新的目標(biāo)期望，這部分評(píng)價(jià)對(duì)學(xué)生自我素質(zhì)提升尤其重要。課程評(píng)估表如圖4所示。

圖4　課程評(píng)估表

5　結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)工程培養(yǎng)的問題，通過采用OBE工程教育模式，采用CDIO工程培養(yǎng)模式，系統(tǒng)化設(shè)計(jì)教學(xué)情境，從知識(shí)-能力-素質(zhì)3個(gè)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和工程素質(zhì)，改革評(píng)價(jià)模式，讓學(xué)生不再只為“分?jǐn)?shù)”學(xué)習(xí)，全身心投入到傳感器項(xiàng)目開發(fā)中去，從學(xué)習(xí)過程到學(xué)習(xí)產(chǎn)出全方位考核學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果，讓學(xué)生從自我評(píng)價(jià)、團(tuán)隊(duì)評(píng)價(jià)及教師評(píng)價(jià)中了解自己，提升自己，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王章豹，吳娟.工科大學(xué)生工程素質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查及分析［J］.高等工程教育研究.2014（6）:105-111.

［2］ 顧佩華，胡文龍，林鵬.基于“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”（OBE）的工程教育模式:汕頭大學(xué)的實(shí)踐與探索［J］ 高等工程教育研究.2014（1）:27-37.

［3］ E.Marasco， L.Behjat， Integrating creativity into elementary electrical engineering education using CDIO and project-based learning， Microelectronic Systems Education （MSE）， 2013 IEEE International Conference on:44-47.

［4］ 薛斌，周冬香，熊振海.采用課程目標(biāo)達(dá)成度開展基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)評(píng)價(jià)的嘗試［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào).2011.（11）:113-114.

［5］ 包斌，吳文惠，張朝燕，王春曉 課程教學(xué)基礎(chǔ)目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)體系的建立［J］.大學(xué)教育.2014（10）:53-55.

Exploration of Measurement and Control Technology and Instrumentation Training Program Based on OBE-CDIO

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Xu Xiaoling， Liu Mei， Huang Jianfeng
Guangdong University of Petrochemical Technology， Maoming， 525000， China

Abstract:The analysis on the talents demand of instrument industry and the characteristics of our university are doing， the desired "learning output " of sensor technology is achieved in course level， when the matching matrix between training objectives and curriculum was established through the integration of curriculum design， and the teaching strategy based on CDIO is used. The knowledge， ability and attitude of student are examined to improve the teaching by evaluating "learning outcomes".

Keywords:sensor technology； training program； outcomes-based education； CDIO

收稿日期：2015-11-08

作者簡(jiǎn)介：徐小玲，碩士，講師，主任。劉美，博士，教授，教務(wù)處副處長(zhǎng)。

基金項(xiàng)目：2 0 1 4廣東省高等教育教改項(xiàng)目（編號(hào)：GDJG20142405）；廣東省高等教育教學(xué)研究和改革項(xiàng)目（編號(hào)：GDJG20141218）。