基于CDIO模式的传感器技术课程改革

徐小玲 刘 美

(广东石油化工学院 计算机与电子信息学院，广东 茂名 525000)

传感器[1]是一门内容分散但实践性却很强的课程，涉及物理、电子、机械工程、化学、生物学等众多学科领域知识且与工业现场的实际情况及传感器材料工艺学相关。而一个测试系统的设计需掌握传感器相关知识外，还需运用到自动控制原理、单片机、计算机控制等方面的知识。通过对课程的学习，要使学生不仅掌握各类传感器的工作原理、主要性能及特点，还要让学生能合理地选择和使用传感器，掌握常用传感器的工程设计方法和实验研究方法，才能培养学生组织测试系统的能力。然而传统的教学内容过于注重原理的分析，缺乏对传感器技术应用和分析具体问题的讲述，学生普遍存在对传感器的理论知识掌握较好，但运用传感器知识去分析和解决实际问题能力较差的问题。因此，对传感器技术课程进行教学改革是非常必要的。

1 传感器技术课程教学内容与特点

目前我校自动化系开设的传感器技术课程共44学时，其中理论教学36学时，实验教学8学时。实验采用CSY-2000系列传感器与检测技术实验平台。该课程理论教学主要讲解传感器基础知识并结合电阻式、电感式、电容式、光电式、磁电式、压电式等传感器，介绍相关传感器的工作原理、测量电路、检测仪表等知识。课程内容有以下特点[2]：

(1)课程内容分散，各章节内容相对独立，缺乏连续性和系统性。内容侧重各类传感器原理和后续测量电路的讲解。

(2)教学课时有限，教学内容不可能面面俱到，新的传感原理和新型传感器没有涉及。教学内容陈旧，没有新意，未能反映最新的技术水平。

(3)实验环节主要以演示性和验证性的实验居多，功能性、综合性的实验较少。不涉及或者较少涉及传感器实际应用中较常见的问题。造成了学生缺乏组建非电测量系统的实际能力，与工程实践脱节严重。

(4)教学方法一般采用强调知识点掌握的课堂讲授的方法，缺乏课程的系统性和学科间的关联性，而且由于课堂讲授的时间不够，教师采取的方式就是“满堂灌”，单一的教学方式忽视了学生的掌握程度。

2 CDIO工程教育模式与课程教学改革

CDIO(Conceive—Design—Implement—Operate，即“构思—设计—实现—运行”)以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的方式学习工程[3]。CDIO工程教育理念认为，应为学生提供基于产品开发周期的重视工程基础的工程教育环境。学生应该在学校、工业和社会环境下，按照一个产品或系统从基本构想、设计、研制实现直到实际运行的完整开发过程这种情境，学会解决问题，并完成特定的工程或项目。

为改变该课程的教学现状，引入CDIO教学模式，构造虚拟的工程背景，对原有的课程设置的内容及实践环节进行多方面的改革，以理论培养为基础，以工程应用和实践为目标，进行情境教学，进行教学做一体化和项目式教学的改革尝试。

2.1 课程教学改革

在传感器技术课程教学中，参照CDIO教学模式及实施过程，以学生为主体、教师为主导，通过项目的构思、设计、实现、运作完成完整的CDIO过程，实现课程的项目教学。利用情境教学激发学生的学习兴趣，挖掘学生的学习潜能和创新能力，最终达到使学生掌握知识和技能，提高综合素质的目的。

2.1.1 项目构思阶段

著名教育家孔子将学习分为“知之、好之和乐之”三个依次递进的层次，为引导学生进入“乐之”学习阶段，在课堂上通过运用具有实际工程应用背景的案例和项目激发学生的学习兴趣[4]。在介绍传感器的原理时，不只是单单阐述原理，而是结合该传感器的应用背景、发展过程及应用等方面进行介绍。同时注意比较不同传感器的原理异同，讲授重点是测量方案的根本思路和方法。

将传感器的内容讲授与生活中的应用联系起来从而培养学生的学习兴趣，培养学生解决实际问题的能力。例如介绍光电传感器时，向学生介绍家居楼道中的声光控延时灯；在介绍半导体传感器时，向学生介绍交警所用的酒精测试仪；在介绍红外传感器时，向学生介绍家用电器的红外遥控器。让学生认识到，传感器在我们生活和科研中的重要性，提高了其学习的积极性。

对于测量同一物理量的传感器，设置不同的测量环境，锻炼学生选择合适的传感器进行应用。通过这样的练习，学生经过自我反思，消化吸收老师的讲解，锻炼解决实际问题的能力，完成将新学到的知识迁移到日常生活中去的过程。其次，引导学生对特殊情境进行讨论。运用项目来说明、展示传感器的应用，如在讲授“磁电式传感器”的教学过程中，以飞机振动模式分析为案例[6]，提出飞机振动检测这一问题，并以解决问题为教学的导入点，引起学生的兴趣，再如在介绍电容式传感器时，引入指纹检测，以分析指纹检测的工作原理并逐步深入，切入主题来了解电容式传感器，形成解决问题的方案，将教与学置于课题情境中，激发学生求知欲，锻炼学生思维能力。并与课外创新活动相结合，教师采取策略性的引导，激发学生创造力，提高观察和动手能力。同时，提供开放实验条件，合理引导项目选题方向和难度，加强创新制作过程中的定期辅导等，促进大学生课外实践活动开展。

2.1.2 项目设计阶段

传感器课程的知识涉及内容多，与前期基础课、后续专业课联系非常紧密。我们从传感器测量的数学基础、测量原理到实际操作等知识进行打包教授，让学生对“信号与系统”、“模拟电路”、“数字电路”、“检测技术”、“数字信号处理”等课程的知识融会贯通。

西方有一句名言：“听过的我会忘记，看过的我能记得，做过的我才理解。”因此，在完成理论基础教学上，让学生带着课设的任务去自主学习，以完成一个具体的任务为线索，把教学内容巧妙地隐含在每个任务之中，让学生自己提出问题，并经过思考和教师的点拨，完成整个项目的设计。如光电传感器[7]，利用光敏电阻(或光敏二极管、光敏三极管)以及压电陶瓷元件，加上其他外围电路制作一个声光控电路；或者通过制作一个酒精测试仪电路，使学生了解气敏传感器的性能，将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱可以获得与待测气体在环境中的存在的信息，从而进行检测。简单的传感器制作的电路，激发学生对课程、对项目的兴趣，也培养学生选用各种传感器和元器件的综合运用能力，掌握各种常用仪器和传感器的操作和调试技能，具备一定的传感器与检测装置的设计能力，培养一定的成本核算意识和经济头脑，养成严谨的工作作风和良好的职业道德。

2.1.3 项目实施阶段

项目的实施过程是学生自己钻研和探索的过程，是培养学生学会应用知识的有效途径。在项目的整体设计中，教师可通过分组的形式完成项目实施[8]。以综合实验方式提出的实施模式，突破过去做实验的传统观念，把实验内容以项目的形式进行规划，并通过统筹安排把相关学科的实验硬件和软件资源进行更新和整合，整个过程中，让学生根据需要浏览相关的国内外网站，直接接触专业市场，完成市场调研，并在小组上进行交流。由各组提出并仔细讨论项目实施方案并制定步骤，准备好需用的实验设备和相关材料。

完成合理的传感器选择和安装，特别需要注意的是传感元件的处理，比如在安装温度传感器的时候，在电路板上焊上排母，直接插上即可；如测水温或油温等，则需要在传感器引脚焊上引线，套上热缩管并封口。最后根据设计方案，共同搭建硬件电路，进而通过实验进行验证。

这一阶段，学生会遇到各种问题，从抽象到具体，直观地考核了学生的基本知识是否扎实，动手操作是否熟练。应鼓励学生，培养学生的团队协作精神，并对学生的每个制作细节进行严格把关，也培养学生在对问题的探讨中寻求项目的解决方案和最终的解决办法，使学生做到自主学习，真正在“做中学”。若实施过程中受挫，则启发学生寻找、分析失败原因，总结操作过程中存在的不足之处，培养学生整体思考能力和发现问题的能力。

2.1.4 项目运行阶段

在项目实施的同时，做好项目的展示准备工作[9]。项目团队推选主讲人，团队共同参与项目演示，对项目的意义、原理设计、安装调试、结果分析、特点与不足、改进设想等内容进行公开汇报。之后学生之间进行互评，找出优缺点，学习别人的优点，改正自己的缺点，这样不但使学生掌握了知识，而且从“听明白”到“想明白”再到“讲明白”，培养学生分析问题与解决问题的能力。

2.2 课程考核

在课程考核中[10]主要衡量的是学生学习过程表现、综合应用能力，除此之外，再加上期末考核。这样就降低试卷成绩在总体成绩中所占的比例。综合应用能力考核主要是项目的考核，具有一定的灵活性，不仅要考核结果，更重要的是通过考核项目的实施，引导学生在CDIO项目教学的每一个阶段都注重知识学习，积极参与技能练习，考察学生的综合能力。由于学生是分组完成项目，因此为保证项目的实施效果，在项目考核中，做到逐组逐人考核，杜绝抄袭别人项目成果。由于项目的结果可检验和演示，有相对客观的评价标准，极大地调动了学生参与的积极性、主动性和考核的公正性，这部分成绩占学生总成绩的40%。其次还包括：

(1)学习过程的考核：这一部分重在考核学生平时到课率和上课表现，评价学生是否循序渐进地了解传感器性能，对所应用的测量检测电路的熟知，正确分析实验数据并进行误差处理。这部分成绩占学生总成绩的20%。

(2)期末考核：期末考核以闭卷形式完成，主要是在课堂理论教学和平时项目实践教学的基础上，侧重分析设计性题型。考核学生的基础知识和综合运用知识的能力。这部分成绩占总成绩的40%。

3 结语

参照CDIO教学模式，整合后的教学实践转变教与学分离，理论与实践授课分离的教学模式，通过巧设工程项目，以工程项目为教学主线，变单纯传授知识为培养能力，变被动接受为主动学习，使学生在教师引导下，通过“创设情境、感性认识、设置项目、实践分析、观察归纳”的教学过程中获得新知识，极大地提高学生学习的积极性，同时也培养学生发现问题、解决问题的能力。使学生具备较强的专业素养，宽广的视野和一定的工程经验，有效地提高学生的综合素质和创新能力。经过近年来的探索，自动化系测控专业学生很好地完成了课程的学习要求，并在课外创新实践活动中呈现出良好的发展态势。例如，测控07级学生中超过30%的学生参加了课外创新实践活动，例如应用多种类型传感器，设计无线传感器网络节点应用于不同情境，完成不同环境的监测，实现从课堂理论到课外实践的提升，增强了学生的学习主动性，培养了学生的工程应用能力和创新意识。

参考文献：

[1]刘晓旻,张晓芳,李苏贵.现代工程教育理念下的传感器课程教学改革[J].中国电力教育,2010,18(46):107～110.

[2]郑春娇.“传感器与检测技术”教学与考试方法改革的几点措施[J].辽宁工业大学学报:社会科学版,2011,13(3):128～130.

[3]贾海瀛.基于CDIO模式的高职传感器技术课程改革[J].计算机教育,2010,(11):118～119,136.

[4]杨鹏,常鸣,黄亚忠.《传感器原理及应用》研究性教学实践与思考[J].中国现代教育装备,2008,(10):85～87.

[5]苏禹,黄慧汇,安玉磊.传感器综合实验项目群的研究与实践[J].实验技术与管理,2011,28(6):157～159.

[6]李洋,汤永新,邵继红.浅谈“传感器与检测技术”课程的教学设计与实践[J].科教文汇,2009,(12):38～39.

[7]王根平,易灵芝,吴志敏,等.基于CDIO的《检测与传感器原理》课程设计研究与实践[J].计量与测试技术,2011,38(1):17～20.

[8]张红.传感器课程教学现状分析与改革对策[J].中国现代教育装备,2010,(23):115～117.

[9]张明月.项目式教学法在《传感器与检测技术》课程中的应用[J].电大理工,2009,(1):49～50.

[10]贾海瀛.基于项目导向模式的“传感器应用”与“计算机测控技术”课程整合的研究与实践[J].教育与教学研究,2008,(22):89～91.