基于CDIO理念的传感器技术课程教学模式改革

程淑红 侯培国 屈晓阳 弓洪玮

[摘要]针对“传感器技术”课程教学模式改革问题，以CDIO教育理念为基础，分析了当前课程教学中存在的不足之处，提出了基于CDIO理念课程教学模式改革的指导思想，并设计教学、实验与实践方案，优化教学进程和评价方法，采用多种教学实践手段开展学生自主研究，加强学生能力培养，达到提高教学质量的目的。

[关键词] 传感器技术；CDIO；教学模式；实践教学；教学改革

[中图分类号]G642.0[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2012)01-0083-03

0引言

我国高等工科教育的迫切任务是尽快培养与国际接轨的中国工程师，然而我国工科的教育实践中还存在不少问题，如重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新的培养等[1-3]。Mc.Kinsey Global Institute 在 2005 年 10 月发表的一份报告中称，2005 年我国毕业的约 60 万工程技术人才中适合在国际化公司工作的不到 10%，其中的原因是：中国教育系统偏于理论，中国学生几乎没有受到项目和团队工作的实际训练，相比之下欧洲和北美学生擅长以团队方式解决实际问题。国内外的经验都表明CDIO的理念和方法是先进可行的，适合工科教育教学过程各个环节的改革。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它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、课程之间有机联系的方式学习工程。

1课程特点

传感器被称为工业时代的测量工具，承担着信息感知和获取的关键任务，是当今信息时代的信息源头，在国民经济和国防各领域中发挥着不可替代的作用[4]。“传感器技术”课程是电气学院检测及自动化专业的一门实践性很强的技术基础课，在教学上占有非常重要的地位，一般都是在大学三年级第一学期开设。这门课程的自身特点有：综合性交叉学科（涉及电磁学、光学、化学等）；各章教学内容相对独立，缺乏系统性和连续性；与工程实际联系较为紧密。

2現有教学模式存在的不足

为了提高“传感器技术”课程的教学质量，培养学生的自主创新和实际工程实践能力，找出本课程设置的不足之处，本课题组通过调查问卷的形式对燕山大学电气工程学院本科生、教师进行了调查研究，调查情况如表1、2所示。

从表1可以看出：49.7%的学生认为传感器技术课程设置不够合理，51.6%的一线教师也有同样的看法。这些数据说明传感器技术课程的教学模式改革刻不容缓。

由表2可以得出传感器技术课程存在的不足之处，大致可以概括为三个方面：学习目的；课堂教学；实验与实践环节。

2.1学习目的不明确

对于电类学生而言，“传感器技术”是本科生完成专业基础课程后开设的第一门专业课。大多数学生还不习惯各章课程的相对独立性，特别是如何针对实际测量系统的要求选择、设计合适的传感器。对于知识的掌握仅限于简单的背结论、原理推导。不了解理论的工程应用意义，不清楚分析问题的来龙去脉，不明确所学知识的用途。

2.2课堂教学不足

教学内容陈旧，只涉及到传感器工作原理的讲解，没有具体的传感器件实物供学生研究，知识面窄；没有结合其他课程一起设计综合性研讨课，无法和其他知识融会贯通。

2.3实验与实践环节薄弱

实验设备陈旧，功能单一，验证型实验较多，设计型实验较少，没有与实际工程联系的实验。这种情况很难锻炼学生的自主创新和实际工程应用能力，难以激发学生的学习热情，极大地阻碍学生的发展。

3CDIO理念下教学模式改革

3.1明确学习目的

信息技术已经成为当今全球的战略技术，作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器，已经成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的核心部件。现在，传感器技术与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱[5]。作为“传感器技术”课程的授课教师，必须要在学生首次接触课程时，将一个异常开阔的视野展示在他们面前，引用鲜活生动的应用实例、具体的视频展示来冲击和震撼学生，进而刺激他们的求知、探索兴趣。因此，作为课程开端的绪论尤为重要，摒弃传统教学中发展历史的简单罗列，取而代之的是图文并茂的视频展示，既融入了大量的实际工程专业信息，又激发学生的兴趣，取得了事半功倍的效果。

3.2课堂教学改革

课堂教学改革完全体现了CDIO理念大纲中工程基础知识的层面。在课堂教学中，以现代教育理念为指导，体现以学生为主体、理论教学与讨论互动共存的主导思想，整合现有的传感器新技术、新概念及其在工程应用中所面临的实际问题和解决方法，将其融入到日常的教学过程中，增加学生实际应用的能力，激发学生学习的热情。例如，在讲授压电式传感器这一章节时，课堂教学中首先讲解压电效应原理及测量电路，在学生掌握工作原理之后，分组布置课后作业：如何运用压电式传感器进行加速度的测量并设计传感探头？下次课堂上让每组学生发表自己的设计思路、看法，教师根据学生的方法引导学生进一步分析，并在分析中融入前人的研究和现今主流的设计及今后发展的趋势。这种教学过程的开展既促进了学生智力的发展，也发挥了学生学习的自主性、独立性、团队协作精神，同时也有助于师生间的沟通，激发学生的创新意识和探索精神。

同时，教学手段采用板书与PPT课件相结合的方法，费时费力的绘图、文字书写、结果对比可以采用课件形式以提高效率，而工作原理推导、分析过程则采用板书形式，以加深印象，突出重要性。此外，计算机辅助教学工具MATLAB、LABVIEW的运用也必不可少，它们可以更直观、简洁、生动的反映出各种物理量的测量、标定结果。

3.3实验与实践教学改革

这一环节的改革包括了CDIO理念中的三个层面：个人能力、 人际团队能力和工程系统能力。在实验与实践内容上，设计了三类实验：一是验证基本理论的实验，该类实验紧跟理论教学进程，以单元实验为基础，主要使学生掌握常用传感器的使用和标定方法以及接口电路的设计；通过实验，对传感器有全面的认识，能独立进行实验数据读取和实验结果分析，着重培养个人能力。二是从课堂教学任务项目中，挑选了一些设计比较成熟、典型的项目让学生去实践开发，课堂不能完成的知识积累通过动手实验、交流讨论交替进行，使学生能主动地使用原本枯燥乏味的理论去解决实际问题，将“知识”迅速转化为“能力”，由此获得极大的成就感，激发学生的好奇心以及学习本课程的主动性，达到理论与实践的相互协调。同时此类实验需要几个人一起完成，培养了同学之间的团队精神。三是综合应用开发的实验，它是一个简单的综合性较强的研发课题，可以引发学生思考，激发学生的求知欲和创新精神，使学生产生强烈的学习愿望，培养学生解决实际工程问题的一般思维能力和创新思维能力。另外，考虑到该课程与其他学科的关系，如与单片机应用、EDA等课程联合，还可设计相关的综合实践实验，培养学生实际工程系统能力。

4学习效果评价

在传统教学过程中，对学生学习效果的评价主要通过课程考试来实现，存在评价目标单一、评价内容片面、评价方法简单化等缺陷，课程学习所导致的学生综合素质提升情况难以得到充分体现[6]。对于“传感器技术”课程来说，学生的学习是一个知识积累－实验与实践－创新的过程，因此，记录和评价学习过程十分重要。本课程对学习效果的最终评价，理论学习部分采用闭卷考试占总成绩的70%，平时出勤、协作表现、主动意识等占15%，实验与实践占15%。同时，考试试卷的难度相比以前有一定程度的提高，并设有较高要求的选做题，为学有余力的学生留下发挥空间。这种评价方式可以从CDIO理念的角度中较充分地反映学生在学习过程中取得的进展，促进学生学习主动性的形成，起到激励作用。

5改革成效

燕山大学“传感器技术”课程教学模式改革于2010年开始启动，至今经历了近两年的时间，每轮课程结束之后都要听取学生、一线教师、学院领导的意见和建议，并据此进行修改。改革后学生对该课程的评价见表3。表3是对电院07检测与自动化装置专业的学生调查的结果，由此可以看出，课程教改后，学生对课程设置的满意度很高，尤其是创新性实验和实际工程两项比教改前有显著提高。通过课程对学生的CDIO式教学模式的培养，使其具备了独立学习、自主创新、动手实践和团队协作精神，在毕业设计中得到了很好的体现 （包括课题的深度、实验结果、毕设实物、答辩情况等方面）。

“传感器技术”课程也是本专业考研的复试科目，学生的考研率接近35%。同时，对于就业也有一定的帮助，07级学生的就业率明显提高。

燕山大学教务处组织了对任课教师教学效果的网上评价（学生评价权重70%）和院系评价（权重30%），近两年评优5人次。

6结论

本文以CDIO教育理念为基础，分析了当前课程教学中存在的不足之处，提出了基于CDIO理念课程教学模式改革和评价方法，从工程基礎知识、 个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个方面全面的培养学生，激发学生的学习兴趣，培养学生系统工程技术能力以及较强的自学能力、组织沟通能力和协调能力，达到提高教学质量的目的。在多年的教学实践中，通过不断的摸索和改进，上述方法已得到实施，并取得了良好的教学成果。

参考文献

[1]顾佩华,沈民奋,李升平等.从CDIO到EIP-CDIO:汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究,2008,(1):12-20.

[2]Svensson T,Gunnarsson S.Using a project for assessment of CDIO skills[C].1st annual CDIO conference.Queen's university,Canada,2005.

[3]查建中.工程教育改革战略“CDIO”与产学合作和国际化[J].中国大学教学,2008,(5):16-19.

[4]刘晓雯,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):107-110.

[5]林亚南,林鹭,杜妮等.发挥精品课程示范作用提升教学质量[J].中国大学教学,2009,(10):22-23.

[6]钟秉林,周海涛.国际高等教育质量评估发展的新特点、影响及启示[J].高等教育研究,2009,30(1):1-5.