基于OBE教育理念的傳感器課程教學改革

戴 蓉 韓 雪 陳國良

武漢理工大學 湖北武漢 430070

傳感器原理及應用是測控技術與儀器、機電工程、電子信息工程等專業的重要專業課程，對傳感器原理與技術的熟練掌握應用是測控及相關專業工程技術人員必須具備的專業能力與素養。長期以來，武漢理工大學“傳感器原理及應用”課程教學組教師積極開展課程建設和教學改革，特別是2014～2016年期間，課程組結合本專業開展的工程教育專業認證工作，深刻領會專業認證產出導向(Outcome Based Education，簡寫為OBE)的教育理念，在本專業率先開展了基于OBE理念的課程改革，取得了顯著教學成果。課程2015年被評為校級精品資源共享課程，1名教師獲評校級精品課程教學名師，出版了教材《傳感器原理與工程應用》(電子工業出版社)。課程組連續4年獲得武漢理工大學課程教學內容方法改革項目立項，主講課程教師連續三年獲得學?！皟炠|優酬”課程獎勵。

1 基于OBE理念的課程目標—產出評價體系設計

以學生為中心、以產出為導向的OBE教育理念是工程教育專業認證的核心理念。落實到人才培養，則是要求高校各專業科學制定人才培養目標以及能支撐培養目標達成的畢業要求(即學生畢業時應達到的知識、能力、素質要求)，建立能支持各項畢業要求達成的課程體系，明確每門課程、每個實踐環節所支持的畢業要求考查點以及支持的力度(貢獻大小)，進而導入到課程計劃之中，明確各門課程教學目標，規劃相應的教學活動，并實時對學習產出進行評價，不斷調整和改進教學[1,2]。基于OBE的課程教學過程如圖1所示。

課程組基于本專業的人才培養目標、畢業要求，結合課程在測控專業知識體系和能力培養中的作用，以“重基礎、強能力”為原則，克服原來只重知識傳授、忽視能力培養的弊病，強調培養學生對知識的綜合應用與設計能力，修訂課程教學目標如下：

目標1：理解傳感器的基本概念、基本構成及其主要性能要求；掌握傳感器的靜態、動態特性分析方法，并能應用于具體傳感器建模、分析、選用和標定中。

目標2：掌握電阻應變式、電容式、電感式、壓電式、光電式、熱電式傳感器的工作原理、結構及分類、基本性能參數、誤差補償、測量電路等知識，能合理選用或設計傳感器構成檢測系統。

目標3：能夠根據應用條件進行下列傳感器的分析計算：電阻應變傳感器、電容傳感器、自感式傳感器、壓電式傳感器、熱電偶。

目標4：基于講授的傳感器知識，掌握至少兩種力、力矩、位移、壓力、加速度、轉速等物理量的測量方法、傳感器以及系統構成，能夠綜合考慮各種因素，正確設計或合理選用傳感器組成測試系統，以解決復雜測控系統的工程問題。

圖1　基于OBE的課程教學過程

上述課程教學目標對知識、能力均提出了明確、具體、可衡量的要求，通過建立各個教學目標與課程教學內容的關系矩陣(見表1)，以及圍繞教學目標達成所開展的教學活動支撐力度系數矩陣(見表2)，對學生在相應教學環節的達成度進行評價，則課程各項目標達成情況由式(1)計算：

表1　教學內容—課程目標關系矩陣

表2　教學環節支撐教學目標的權重系數表

根據上述方法計算達成度數值，同時結合每學期任課教師對學生開展課程教學質量訪談、課程網絡問卷調查等多個渠道獲得教學反饋意見，對達成度低的指標分析原因，找出問題，指導教師在后續教學內容、方法等各方面持續改進。

以2016～2017學期測控1403班課程目標達成度評價為例。評價項目包括學生平時成績(含作業、網上自測、課堂和課程網絡平臺互動)、分組主題研究報告成績、實驗成績、期末考試成績四項內容，前三項以班級平均成績統計；試卷則根據表1分類統計。例如，本次期末試卷中與課程目標1相關的考核內容包括第一題單項選擇題第3小題，第二題判斷題第1，2小題，第三題簡答題第1，2小題，第四題計算題第2小題，滿分共計26分，學生平均得分19.6，同樣計算出與其他3項課程目標相關的成績。各項分類統計完成后，根據表2權重系數，運用公式(1)即可計算出各項教學目標達成度值依次為0.79，0.80，0.78，0.73，表明該班學生較好地達成了各項教學目標。通過與2012，2013級評價結果的縱向比較可知，在2013，2014級開展案例式、研究式教學活動，以及新增設計綜合型實驗項目后，第4項目標達成度得到了0.08點的提升，表明學生在知識的綜合應用和分析問題能力方面得到加強，但鑒于第4項目標低于其他3項，因此仍需在教學、實踐內容和方法等方面采取針對性改進措施。

2 重構和更新教學內容　強化知識的融合和應用

課程組通過調查發現，國內對傳感器課程教學普遍存在重基礎、輕實踐的弊病，在教學內容組織上，傳感器基礎知識講得多，應用講得少，阻礙了課程目標的達成。

根據傳感器課程在測控專業基礎性的地位和工程實踐性強的特點，課程組遵循由淺入深、循序漸進的認知規律，打破國內外同類課程的講授套路，創造性地將課程每章內容分為A、B兩部分。A部分為傳感器基本內容，包括工作原理、分類、基本結構、特性參數、轉換電路等，涵蓋了電阻應變式、電感式、電容式、壓電、光電、溫度傳感器等常用傳感器；B部分以力、力矩、壓力、位移、尺寸、加速度、轉速等常見工程量測量為目標，探討運用不同種類的傳感器實現該工程量測量的原理、方法、系統、特點等。B部分的內容既是對A部分內容在應用層面上的加深，也是在應用方法上的擴展。例如，在電感式傳感器這章，A部分的內容是各種基本形式電感傳感器的結構、原理、特性、測量電路的詳細講解，B部分則針對線位移/尺寸的測量，介紹實現線位移/尺寸測量的常用方法、常用傳感器及測量系統。授課中主要針對本章A部分介紹的電感式位移/尺寸測量傳感器進行重點講解分析，其他種類的位移/尺寸傳感器內容則通過課程網絡教學平臺，布置學生課外學習、網上考核。

重構后的教學內容既保證了知識的系統性和完整性，方便學生對傳感器基礎知識的理解掌握，同時加強了知識的融合和應用，使知識的傳授、學生工程應用能力提高并舉、并重。

四屆學生的教學反饋意見表明：課程內容改革效果良好，編寫出版的教材《傳感器原理與工程應用》(電子工業出版社，2015年)也獲得國內四十幾所高校的好評并用作課程教材或參考教材。

3 圍繞學生能力培養　優化課程實踐教學體系和內容

圍繞學生基礎實踐能力、工程設計能力、創新能力的培養，建設了由基礎實驗、系統級實驗、產學研實驗、課程設計、創新實踐5個層次構成的具系統性、開放性特征的實踐教學體系，增加綜合設計型實驗項目，為課程目標的達成提供有力保障。

基礎實驗由傳感器課內驗證性和簡單綜合性實驗組成，以鞏固學生課程知識、培養基本技能為主要目的。系統級實驗提供課程講授的常見物理量的自動檢測與控制系統實驗，涉及本課程及相關多門專業課程知識的綜合應用，幫助學生建立測控系統概念，培養學生對測控系統的集成和應用能力。產學研實驗是將教師的科研成果轉化為實驗，提供特色化、工程化實踐訓練，培養學生的工程思維能力。課程設計是指與傳感器課程配套的傳感器原理及應用課程設計，以項目的方式，組織學生完成傳感器的設計、仿真、制作任務，培養其設計動手能力和專業素養，啟迪創新意識。創新實踐主要基于本專業每年一屆舉辦的院級賽事“測控技術與儀器創意設計大賽”、畢業設計以及其他各類科技創新、學科競賽活動，激發學生的創新精神和創新能力，培養其解決復雜工程問題的能力[3]。

隨著實踐教學體系改革和實驗條件的改善，學生專業實踐興趣和能力顯著提高。近三年，本專業學生在“虛擬儀器大賽”“傳感器創新設計大賽”“節能減排大賽”等大學生科技競賽活動中獲得各類獎項二十幾項，學生科技創新實踐能力顯著增強。

4 加強課程資源數字化建設　改革教學方法和手段

課程組一直非常重視教學方法改革和課程網絡教學資源建設，充分利用課程網絡教學平臺豐富的教學資源，開展線上、線下混合式教學，拓展教學的時間和空間。在課堂教學中運用啟發式、案例式、專題研討式等多種教學方法，將典型工程應用案例穿插于知識分析講解中，提高學生對知識的綜合應用能力，使學生掌握創新思維方法，培養學生的工程師素養。

持續不斷的課程教學方法、考核方式的改進，使本課程主講教師連續四年獲得武漢理工大學課程教學內容方法改革項目立項，連續三年獲得?！皟炠|優酬”獎勵。本課程網站自2015年運行以來，歷經兩屆學生370人使用，訪問量超過2萬，獲得了良好的使用效果。

5 結語

基于工程教育專業認證OBE理念建立了課程教學目標達成度閉環評價體系，開展了傳感器課程教學目標達成度的評價?；谠u價數據、課程教學質量問卷調查、座談的結果有針對性地對課程教學內容進行了更新和重組，建設和強化了實踐教學體系，改善了實驗條件；通過多種教學方法和手段的恰當運用，使教學效果得到持續提高。通過對測控2012，2013，2014級學生的教學目標達成度評價結果對比分析，表明課程改革后，學生在知識的綜合應用能力、分析解決問題能力、動手實踐和設計能力方面均得到提高。