基于CDIO 教育模式傳感器與檢測技術教學創新探索

閻紅娟，司麗娜，袁俊杰

（北方工業大學機械與材料工程學院，北京 100144）

0 引言

高等教育面臨新機遇，我國高校要加快建設和發展新工科。對于傳統專業，新工科是推動高校傳統工科專業升級改造的新型工程教育模式，使用更新的理念、更好的模式組織教學，培養創新實踐能力強的高素質新工科人才，獲得更高的教育質量[1-2]。因此將新知識、新技術、新理念及時擴充到課程教學中，有助于促進課程教學創新改革，滿足工程教育專業認證對教學持續改進的要求。“構思Conceive-設計 Design-實施 Implement-運行 Operate”（簡稱CDIO）工程教育模式以項目為載體，將構思、設計、實施以及運行貫穿到項目完成的整個過程中，其教育理念是讓學生以主動、實踐的方式學習課程知識[2-3]。

本門課程結合專業發展特色，以專業認證和CDIO工程教育模式為指導思想，針對目前以教師主講為模式的教學方法、不能及時掌握學生的學習狀況等問題，調整現有課程教學內容、開設線上線下混合式教學模式、改革實踐教學環節、增加課程思政內容[4-5]，將新知識、新技術、新方法、課程思政元素融入課題教學和實踐教學過程，激發學生學習積極性，通過完整的知識體系和案例分析，提高學生對課程學習的興趣，提升學生的實踐動手能力，實現知識傳授、能力培養、價值引領的有機統一。

1 課程面臨問題

傳感器與檢測技術作為專業必修課程，多年教學中在學生課堂表現、對課程知識掌握程度、實驗效果等，存在以下幾個問題：

（1）課程要求學生具有數學、力學、物理等基礎學科知識，部分學生先修課程知識點存在薄弱環節，致使信號描述、信號分析處理等章節學習效果較差。

（2）傳感器工作原理、測量電路、應用案例等涉及電學、電磁學、光學、聲學、力學等多學科知識，各個章節所屬學科存在差異，知識點缺乏連貫性。

（3）實踐環節內容相對保守，學生實驗報告相似度較高，沒有達到預期效果。

2 教學創新理念與思路

以專業認證和CDIO工程教育模式為指導思想，根據學生對課程知識的需求，調整現有課程教學內容、開設線上線下混合式教學模式、因材施教分層實驗教學、增加課程思政環節，將新知識、新技術、新方法和課程思政融入課題教學和實踐教學過程，激發學生學習積極性，提高學生對課程學習的興趣和知識點掌握程度，提升學生的工程實踐動手能力。

2.1 課程內容調整

刪減了課程中學生感覺枯燥、掌握程度較弱的信號描述和信號的分析與處理兩章內容，將其融入傳感器工作原理、測量電路和應用案例中，對各章節知識點整合，通過典型應用案例，搭建了典型機械量的完整測試系統。并將實驗課時從8學時增加到10學時，增加課程實踐教學課時，提出因材施教實驗教學方法。課程內容調整如圖 1（P97）所示。

圖1 課程內容調整

在課堂內容講授過程中，基于CDIO工程教育模式設計教學內容，下面以電阻式傳感器為例說明章節內容調整。例如在電阻式傳感器章節中，由電子秤稱重原理作為引入點，講授電阻應變式傳感器和半導體應變式傳感器工作原理、電橋電路特性，復習力學中拉伸、彎曲、扭矩等典型載荷的受力分析，學習電阻應變片布片知識，講解常見彈性元件布片和組橋知識，以車削力為例講解三維力測試系統，最后回答電子秤測量原理，如圖2所示。通過課程內容調整，每種傳感器內容形成了“工作原理―測量電路―應用案例”完整的知識鏈，每章內容形成一個完整的知識體系，增加了學生對課程知識的熟悉和掌握程度，提高了課堂教學效果。

圖2 電阻式傳感器課程內容安排

2.2 線上線下混合式教學模式

2021秋申請了中國大學MOOC國家級精品課程武漢大學的《傳感器技術》，采用線上線下混合式教學方式，如圖3所示。將難以講解和理解的內容如電感式傳感器中相敏檢波電路、電容式傳感器中脈寬調制電路等采用線上教學模式，學生通過觀看視頻，在線完成課程練習題，開拓了學生視野，加深學生對知識的理解和掌握。

圖3 線上線下混合教學模式

利用中國大學MOOC平臺，提高課堂互動效率，隨時掌握學生對知識點的理解和掌握程度；對重要知識點發布課堂練習，學生可多次練習，取最高成績記為平時成績，通過反復練習提高了學生學習興趣和對重點、難點知識點掌握程度。

課堂上鼓勵學生勇于嘗試，主動回答課堂問題可以增加平時成績，同時計算平時成績時去掉最低分，提高了學習的主動性，很大提升了作業完成度。

2.3 因材施教分層實驗教學

教學計劃調整后，將《傳感器與檢測技術》實驗課時從8學時增加到10學時，增加實踐教學環節，在原有實驗項目的基礎上，增加光電傳感器的測量原理與轉速測量方法。

2021年教育教學改革項目將課程實驗環節分為必做實驗和選做實驗（見圖4），將直流電橋特性與常用傳感器的靜態特性作為必做實驗，要求所有學生必須完成。將位移量測量、熱電偶溫度傳感器測試標定系統和光電傳感器與項目驅動式實驗課題作為選做實驗，鼓勵學生申請選做實驗，以項目驅動帶動實踐教學[6]。

圖4 因材施教實驗教學方法

鼓勵學生從實際角度出發選擇項目驅動式自主實驗項目，在學期初與老師討論確定實驗項目。以實際案例為實驗項目，基于CDIO工程教育模式，將傳感器、測量電路、信號處理等知識點融入案例中，通過實際案例將散亂的知識點串聯起來搭建完整測試系統，激發學生積極性和主動性，引導學生團隊協作，針對實驗目的查閱文獻，構思設計測試系統，依據傳感器工作原理、調理電路選擇傳感器和信號調理電路，使用（Arduino、STM32或樹莓派等）控制模塊實現與計算機的通訊，基于虛擬儀器的信號分析系統分析實驗數據，與實驗目的進行對比，驗證實驗效果并改進測試系統設計方案，如圖5（P98）所示。

圖5 項目驅動式實驗實施過程

2021秋季學期有三組同學選做項目驅動式自主實驗課題，分別為：激光與超聲波傳感器測距實驗、基于MPU6050傳感器的智能小車姿態與路徑控制應用實驗。通過選擇傳感器、控制器、編寫程序代碼等，提高了學生自主學習的興趣，主動思考實驗中存在的問題，尋找解決方法，提高了學生課程學習興趣、實踐動手能力和團隊協作精神。

2.4 將課程思政融入教學內容中

在專業課程教學內容中融合思政教育，結合教學內容挖掘德育元素，通過與教學內容相關的時事案例，將其中蘊含的社會主義核心價值觀具體化、生動化，實現“潤物細無聲”的滲透式教育。有意識地在教學環節中增加思政元素，于學習和做事中育人，將愛國情懷、創新精神、工匠精神、團隊協作等要素與教學內容相互融合，實現知識傳授和價值引領的統一。

2.4.1 激發同學愛國熱情

本課程的緒論講解傳感器與檢測技術的相關概念、應用領域和發展現狀。我國中高檔傳感器產品大多從國外進口，部分傳感器關鍵技術和產品被國外壟斷和禁運，如2021年的汽車芯片短缺引發各大汽車廠商訂貨期延長。

緒論以最常用的移動電話發展歷程為例說明傳感器與檢測技術的進步是很多科學技術領域發展進步的基礎，介紹了傳感器技術的進步對智能手機領域技術進步的重要影響。現在的智能機集成了姿態、高度、氣壓、GPS、高性能CMOS攝像頭等各類傳感器（如圖6所示），更是依賴于各種MEMS傳感器的迅速發展。從手機的發展歷程可以看出，智能手機的發展進步過程也是手機里各種傳感器微型化、集成化、性能不斷提升的歷程。

圖6 手機部分傳感器

通過案例分析，使學生能夠生動的體會傳感器與檢測技術進步帶來科技的革新，結合課程思政教育的目標，引導學生深入思考：手機發展歷程中不同階段引領創新的公司以及其成功與失敗的原因，認清國內外在核心技術上的差距，中國應該更加注重核心科技領域的創新，不斷奮斗和追趕；同時也應關注到國產手機的創新精神，如折疊屏、北斗導航、快速充電等新技術在國產手機上應用，增加同學們的民族自豪感和自信心，作為未來的高級科技人才，要樹立遠大的理想，在學習和工作中要勇于創新，敢為天下先，勇于肩負中國制造發展進步的重任，為制造領域能夠快速追趕、反超，達到國際先進水平貢獻自己的力量。

2.4.2 培養同學們“工匠”精神

通過對不同種類光電效應的學習，掌握對應的元器件結構和工作原理。從日常生活中太陽能路燈、太陽能熱水器的工作原理引入光生伏特效應，帶領學生學習太陽能電池結構和工作原理，以空間站太陽能板為典型案例，引入節能環保理念和清潔能源作用，引導學生了解中國航天事業的發展現狀，如嫦娥五號任務圓滿完成、火星探測器成功著陸、空間站機械臂、航天員太空行走等，鼓勵同學們樹立遠大理想，以默默無聞為中國航天事業奉獻的航天人的“大國工匠”精神為榜樣，培養同學們腳踏實地的工匠精神、家國意識和大愛格局，提升同學們為實現中華民族偉大復興中國夢而繼續奮斗的使命感和責任感。

3 總結

（1）通過課程內容調整，刪減信號描述和處理等知識點，增加傳感器測量電路、典型案例，每章知識形成“工作原理―測量電路―應用案例”完整知識鏈，提高了學生對知識點掌握程度；

（2）引入國家級精品課程，采用線上線下教學模式，將難以講解和掌握的知識點采用線上教學模式，學生通過觀看視頻和多次課堂在線練習，拓展知識面，加深知識的理解和掌握，提高學生課程學習興趣；

（3）提出因材施教分層實驗教學方法，將實驗分為必做實驗和選做實驗。選做實驗采用項目驅動式方式設計實驗項目，學生從系統設計、傳感器、控制器選型等入手開發設計測試系統，提高學生團隊協作能力和工程實踐能力；

（4）將教學環節與課程思政相結合，將課程思政元素有機融入教學內容中，將愛國情懷、創新精神、工匠精神、團隊協作與教學內容相互融合，同步提升思政修養與專業知識，實現價值引領、能力培養、知識傳授的有機融合。