OBE 视角下“创新设计”与“传感器技术”课程的融合路径研究＊

曹慧英，张政梅，张晓波

（山东劳动职业技术学院，山东 济南 250300）

1 “传感器技术”课程的教学现状

“传感器技术”是机电类专业的基础课程，掌握和应用传感器原理及技术是电子及电气控制技术领域从业人员必须具备的基本技能与素养[1]。传统的“传感器技术”课程教学往往只强调基础理论的重要性，课程的开展方式主要是以电子课件讲授为主，辅助以少量的验证性实验。这种传统的教学模式导致学生的学习兴趣较低，课堂的有效教学质量不高。课堂教学中教师决定学生的学习内容，容易忽略用人单位需求，从而产生毕业生知识技能与社会需求不符的尴尬情况。该课程传统教学模式中存在诸多问题，为提高教学质量，满足市场对人才的需求，该课程教学改革势在必行。

2 OBE 理念指导“传感器技术”课程改革的实施方案

行业与用人单位的需求是构建专业教育知识、能力和素质结构的重要依据。OBE 教育理念倡导以学习产出为导向来设计教学资源和安排教学时间，看重教育的结果及其“产出”价值[2]。它主张教师应让学生知道所学知识与市场岗位之间的目标关系，并以该目标为起点“逆向设计”课程体系，以此激发其主动、积极学习的斗志。

OBE 理念指导下的“传感器技术”课程的改革与实践的实施方案为：基于OBE 理念，以学生毕业能力构建为导向，对课程功能进行定位分析，根据“反向设计”原则，预期学生学习完本课程后应达到的实际成果，进而制定课程教学目标，并根据三级核心能力及能力指标来分配课程能力指标权重，以及实现课程教学内容和教学资源、教学模式的重构[2]。用“线上+线下、课上+课下”课堂教学的形式开展理论课程学习，以实现课程知识目标；用开发实训模块的形式开展实践教学，以实现课程技能目标；用设计试验任务等案例教学的形式培养学生的团队意识与创新能力，以实现课程的素质目标。将课程的内容进行序化处理后，选择合适的教学及学法，重构课程的教学模式。根据具体的教学内容及教学安排，选取适宜的评量方式。在整个教学实施过程中，细化评分标准，合理设置考核观测点，构建动态评价体系，综合评价学生运用所学知识完成实际工作任务的能力以及完成工作过程中的态度，形成学习成效持续改进机制[3]。OBE 理念指导下“传感器技术”课程的改革与实践的总体框架如图1 所示。

图1 基于OBE 理念的“传感器技术”课程的改革与实践的总体框架

3 融入“创新设计任务”的传感器技术教学改革

为突出传感器在工程实践中的应用而设置的试验性任务，往往对学生电子线路、单片机原理等基础课程的要求很高，而高职院校的学生普遍存在理论基础较差、学习电路分析和程序设计等相关内容的热情较低的问题。同时很多学校缺少相应的实训室建设，致使“传感器技术”课程的授课效果不甚理想。

3.1 Arduino 平台和 KenBlock 简述

Arduino 是开源的微型控制器MCU，能帮我们做出一个感知和控制物理世界的专用计算机系统，它包含硬件（各种型号的/Arduino 板）和软件（Arduino IDE）。Arduino 开源平台的介入可以很大程度地降低基础综合知识相对薄弱的学生的学习难度[4]，在兼顾学生动手能力和创新思维培养的过程中，也能融合硬件集成化、模块化的设计要求。

KenBlock 机器人创新套件是由深圳乐智机器人有限公司联合北京大学智能控制实验室共同研制、开发的一款多用途教学平台，该平台以传感器、控制单元为主，能够同时满足高校学生学习、实践的需求，同时也适合学生进行课后拓展和创新竞赛。

3.2 构建基于Arduino 平台的创新设计任务

“传感器技术”课程教学以模块化教学居多，一般由光电、气体、声音、温度、湿度、红外、磁敏、超声波等传感器模组成块，采用任务驱动式的教学方式，在进行每种传感器模块原理的讲解后，相应传感器模块和Arduino 平台结合起来，由老师发布创新设计任务，再由学生构建软硬件平台，完成相应任务。通过设计丰富的实验案例，例如智能声光感应灯、智能感温风扇、烟雾报警器、智能循迹小车、智能环境监测仪等有趣的项目，帮助学生掌握传感器的特性，促进学生了解这些传感器在工程中的应用，在动手操作中获得成就感，增强开发体验。

以山东劳动职业技术学院机械设计与制造专业的学生进行“传感器技术”课程教学的实施过程为例。下面以室内环境监测仪的制作为例说明Arduino 平台和传感器教学的融合路径。该实验目的是使学生掌握温湿度传感器、压力传感器的工作特点及使用方法，了解控制单元与连接各种传感器模块的硬件连线。实验的内容为：在KenBlock 控制板的基础下，添加温湿度传感器模块、气压传感器模块、PM2.5传感器模块、串口液晶显示屏等模块，制作室内环境监测仪，即监测室内当前PM2.5值、温湿度值、气压值及海拔高度，将室内环境指标显示在串口液晶显示屏。通过本项目的实施，可以使学生在较少动用其他课程储备知识的前提下，学会温湿度传感器、气压传感器、PM2.5传感器等传感器的具体应用方法，并掌握识读技术手册、调试设备等进行创新设计的能力。

对于一些综合素质较高、其他学科知识掌握得较为扎实的学生而言，则可以课程设计的形式开展一些综合实验。下面以分拣传送装置为例来详述传感器与课程设计的融合路径。该实验的目的是使学生初步了解步进电机工作原理，掌握步进电机的使用方法；了解步进电机驱动模块的工作原理，学会如何使用驱动模块驱动步进电机；熟悉舵机的使用方法，熟练使用舵机相关函数控制舵机转动角度的大小；熟悉红外避障传感器的使用方法，通过其检测分拣物体，返回状态值控制舵机的转动。分拣传送装置由节流上货装置、传送带、自动分拣装置、2 个节流输出装置等部分组成。实验的内容为：通过步进电机的转动带动传送带，当节流上货装置上被红外避障传感器检测到有物品时，发送命令至KenBlock 控制板上，节流装置上的舵机转动90°，打开节流口，物品进入传送带，通过红外避障传感器识别货物大小，判断是否为合格物品。如果为合格物品，通过金属大力矩舵机带动的推送杆，将货物推送至合格物品出口；不合格品留在传输带上，传送至不合格品出口。

对比两个实验案例发现：功能实现的难易程度、实验的目的及要求均呈现逐步增加的状态，这种递进式的任务设置方式，兼顾了不同基础的学生参与项目的需求。部分学生对“PLC 应用技术”“电气控制技术”等课程掌握得不扎实，完成复杂的创新设计任务存在较大难度。而Arduino 平台和KenBlock 套件的引入则弱化了这部分学生在“传感器技术”课程中进行创新设计的限制。

4 结语

通过分析“传感器技术”课程的教学现状，结合行业企业需求分析和专业人才培养目标，提出在OBE 理念指导下“传感器技术”课程改革的实施方案，使得教学内容与实验内容、课堂内容与产业需求紧密结合。通过对Arduino 项目的学习和实操，采用这种递进式的创新设计任务驱动，可吸引不同基础的学生广泛参与到课程的授课过程中来，让学生在掌握传感器基本原理和技术的同时，更锻炼了专业素养，培养了工程能力和创新能力。