基于CDIO 教育模式传感器与检测技术教学创新探索

2022-11-21阎红娟司丽娜袁俊杰

科教导刊·电子版 2022年29期

阎红娟，司丽娜，袁俊杰

（北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144）

0 引言

高等教育面临新机遇，我国高校要加快建设和发展新工科。对于传统专业，新工科是推动高校传统工科专业升级改造的新型工程教育模式，使用更新的理念、更好的模式组织教学，培养创新实践能力强的高素质新工科人才，获得更高的教育质量[1-2]。因此将新知识、新技术、新理念及时扩充到课程教学中，有助于促进课程教学创新改革，满足工程教育专业认证对教学持续改进的要求。“构思Conceive-设计 Design-实施 Implement-运行 Operate”（简称CDIO）工程教育模式以项目为载体，将构思、设计、实施以及运行贯穿到项目完成的整个过程中，其教育理念是让学生以主动、实践的方式学习课程知识[2-3]。

本门课程结合专业发展特色，以专业认证和CDIO工程教育模式为指导思想，针对目前以教师主讲为模式的教学方法、不能及时掌握学生的学习状况等问题，调整现有课程教学内容、开设线上线下混合式教学模式、改革实践教学环节、增加课程思政内容[4-5]，将新知识、新技术、新方法、课程思政元素融入课题教学和实践教学过程，激发学生学习积极性，通过完整的知识体系和案例分析，提高学生对课程学习的兴趣，提升学生的实践动手能力，实现知识传授、能力培养、价值引领的有机统一。

1 课程面临问题

传感器与检测技术作为专业必修课程，多年教学中在学生课堂表现、对课程知识掌握程度、实验效果等，存在以下几个问题：

（1）课程要求学生具有数学、力学、物理等基础学科知识，部分学生先修课程知识点存在薄弱环节，致使信号描述、信号分析处理等章节学习效果较差。

（2）传感器工作原理、测量电路、应用案例等涉及电学、电磁学、光学、声学、力学等多学科知识，各个章节所属学科存在差异，知识点缺乏连贯性。

（3）实践环节内容相对保守，学生实验报告相似度较高，没有达到预期效果。

2 教学创新理念与思路

以专业认证和CDIO工程教育模式为指导思想，根据学生对课程知识的需求，调整现有课程教学内容、开设线上线下混合式教学模式、因材施教分层实验教学、增加课程思政环节，将新知识、新技术、新方法和课程思政融入课题教学和实践教学过程，激发学生学习积极性，提高学生对课程学习的兴趣和知识点掌握程度，提升学生的工程实践动手能力。

2.1 课程内容调整

删减了课程中学生感觉枯燥、掌握程度较弱的信号描述和信号的分析与处理两章内容，将其融入传感器工作原理、测量电路和应用案例中，对各章节知识点整合，通过典型应用案例，搭建了典型机械量的完整测试系统。并将实验课时从8学时增加到10学时，增加课程实践教学课时，提出因材施教实验教学方法。课程内容调整如图 1（P97）所示。

图1 课程内容调整

在课堂内容讲授过程中，基于CDIO工程教育模式设计教学内容，下面以电阻式传感器为例说明章节内容调整。例如在电阻式传感器章节中，由电子秤称重原理作为引入点，讲授电阻应变式传感器和半导体应变式传感器工作原理、电桥电路特性，复习力学中拉伸、弯曲、扭矩等典型载荷的受力分析，学习电阻应变片布片知识，讲解常见弹性元件布片和组桥知识，以车削力为例讲解三维力测试系统，最后回答电子秤测量原理，如图2所示。通过课程内容调整，每种传感器内容形成了“工作原理―测量电路―应用案例”完整的知识链，每章内容形成一个完整的知识体系，增加了学生对课程知识的熟悉和掌握程度，提高了课堂教学效果。

图2 电阻式传感器课程内容安排

2.2 线上线下混合式教学模式

2021秋申请了中国大学MOOC国家级精品课程武汉大学的《传感器技术》，采用线上线下混合式教学方式，如图3所示。将难以讲解和理解的内容如电感式传感器中相敏检波电路、电容式传感器中脉宽调制电路等采用线上教学模式，学生通过观看视频，在线完成课程练习题，开拓了学生视野，加深学生对知识的理解和掌握。

图3 线上线下混合教学模式

利用中国大学MOOC平台，提高课堂互动效率，随时掌握学生对知识点的理解和掌握程度；对重要知识点发布课堂练习，学生可多次练习，取最高成绩记为平时成绩，通过反复练习提高了学生学习兴趣和对重点、难点知识点掌握程度。

课堂上鼓励学生勇于尝试，主动回答课堂问题可以增加平时成绩，同时计算平时成绩时去掉最低分，提高了学习的主动性，很大提升了作业完成度。

2.3 因材施教分层实验教学

教学计划调整后，将《传感器与检测技术》实验课时从8学时增加到10学时，增加实践教学环节，在原有实验项目的基础上，增加光电传感器的测量原理与转速测量方法。

2021年教育教学改革项目将课程实验环节分为必做实验和选做实验（见图4），将直流电桥特性与常用传感器的静态特性作为必做实验，要求所有学生必须完成。将位移量测量、热电偶温度传感器测试标定系统和光电传感器与项目驱动式实验课题作为选做实验，鼓励学生申请选做实验，以项目驱动带动实践教学[6]。

图4 因材施教实验教学方法

鼓励学生从实际角度出发选择项目驱动式自主实验项目，在学期初与老师讨论确定实验项目。以实际案例为实验项目，基于CDIO工程教育模式，将传感器、测量电路、信号处理等知识点融入案例中，通过实际案例将散乱的知识点串联起来搭建完整测试系统，激发学生积极性和主动性，引导学生团队协作，针对实验目的查阅文献，构思设计测试系统，依据传感器工作原理、调理电路选择传感器和信号调理电路，使用（Arduino、STM32或树莓派等）控制模块实现与计算机的通讯，基于虚拟仪器的信号分析系统分析实验数据，与实验目的进行对比，验证实验效果并改进测试系统设计方案，如图5（P98）所示。

图5 项目驱动式实验实施过程

2021秋季学期有三组同学选做项目驱动式自主实验课题，分别为：激光与超声波传感器测距实验、基于MPU6050传感器的智能小车姿态与路径控制应用实验。通过选择传感器、控制器、编写程序代码等，提高了学生自主学习的兴趣，主动思考实验中存在的问题，寻找解决方法，提高了学生课程学习兴趣、实践动手能力和团队协作精神。

2.4 将课程思政融入教学内容中

在专业课程教学内容中融合思政教育，结合教学内容挖掘德育元素，通过与教学内容相关的时事案例，将其中蕴含的社会主义核心价值观具体化、生动化，实现“润物细无声”的渗透式教育。有意识地在教学环节中增加思政元素，于学习和做事中育人，将爱国情怀、创新精神、工匠精神、团队协作等要素与教学内容相互融合，实现知识传授和价值引领的统一。

2.4.1 激发同学爱国热情

本课程的绪论讲解传感器与检测技术的相关概念、应用领域和发展现状。我国中高档传感器产品大多从国外进口，部分传感器关键技术和产品被国外垄断和禁运，如2021年的汽车芯片短缺引发各大汽车厂商订货期延长。

绪论以最常用的移动电话发展历程为例说明传感器与检测技术的进步是很多科学技术领域发展进步的基础，介绍了传感器技术的进步对智能手机领域技术进步的重要影响。现在的智能机集成了姿态、高度、气压、GPS、高性能CMOS摄像头等各类传感器（如图6所示），更是依赖于各种MEMS传感器的迅速发展。从手机的发展历程可以看出，智能手机的发展进步过程也是手机里各种传感器微型化、集成化、性能不断提升的历程。

图6 手机部分传感器

通过案例分析，使学生能够生动的体会传感器与检测技术进步带来科技的革新，结合课程思政教育的目标，引导学生深入思考：手机发展历程中不同阶段引领创新的公司以及其成功与失败的原因，认清国内外在核心技术上的差距，中国应该更加注重核心科技领域的创新，不断奋斗和追赶；同时也应关注到国产手机的创新精神，如折叠屏、北斗导航、快速充电等新技术在国产手机上应用，增加同学们的民族自豪感和自信心，作为未来的高级科技人才，要树立远大的理想，在学习和工作中要勇于创新，敢为天下先，勇于肩负中国制造发展进步的重任，为制造领域能够快速追赶、反超，达到国际先进水平贡献自己的力量。

2.4.2 培养同学们“工匠”精神

通过对不同种类光电效应的学习，掌握对应的元器件结构和工作原理。从日常生活中太阳能路灯、太阳能热水器的工作原理引入光生伏特效应，带领学生学习太阳能电池结构和工作原理，以空间站太阳能板为典型案例，引入节能环保理念和清洁能源作用，引导学生了解中国航天事业的发展现状，如嫦娥五号任务圆满完成、火星探测器成功着陆、空间站机械臂、航天员太空行走等，鼓励同学们树立远大理想，以默默无闻为中国航天事业奉献的航天人的“大国工匠”精神为榜样，培养同学们脚踏实地的工匠精神、家国意识和大爱格局，提升同学们为实现中华民族伟大复兴中国梦而继续奋斗的使命感和责任感。