CDIO模式下的傳感檢測技術(shù)教改實踐*

劉保軍 劉躍華

電子科技大學中山學院 廣東中山 528402

CDIO模式下的傳感檢測技術(shù)教改實踐*

劉保軍 劉躍華

電子科技大學中山學院 廣東中山 528402

加強高校工科大學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)非常重要。介紹CDIO工程教育模式和傳感檢測技術(shù)課程的教改觀念，構(gòu)建多層次教學體系，在教學過程中從教學內(nèi)容、教學方法、考核形式等多個方面進行卓有成效的實踐。

CDIO；傳感檢測技術(shù)；教學改革

Abstract Enhancing the training of engineering application ability is very important in current higher engineering education. The CDIO engineering education initiative is briefly introduced, and the intention of teaching reform of the course Sensor and Detection Technique are described. Multilevel teaching system is constructed, and the practice is executed on syllabus, teaching means and course measures in teaching process. It is proved that students’ engineering application ability,innovative thinking and team co-operation spirit are effectively trained and improved through the teaching reform based on CDIO model.

Key words CDIO; sensor and detection technique; teaching reform

Author’s address Zhongshan College, University of Electronic Science and Technology of China,Zhongshan, Guangdong, China 528402

1 CDIO工程教育模式與課程教學改革

自20世紀上半葉開始，世界各國的工程教育的內(nèi)容和形式越來越穩(wěn)定，科學理論和研究日益倍受重視，造成“科學型”工程師與工業(yè)企業(yè)需求之間的裂隙逐步加大的局面。伴隨20世紀后期信息技術(shù)的飛速發(fā)展和對社會各方面的重大影響，工程技術(shù)人才的大量需求和全新要求對傳統(tǒng)的工程教育模式提出強烈的挑戰(zhàn)。2000年由麻省理工學院（MIT）等4所大學倡導的CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即“構(gòu)思——設(shè)計——實現(xiàn)——運行”）工程教育理念成為信息化時代背景下應運而生的影響最廣、各國參與高校最多的一種系統(tǒng)的先進教育思想[1-2]。

CDIO工程教育理念認為，應為學生提供基于產(chǎn)品開發(fā)周期的重視工程基礎(chǔ)的工程教育環(huán)境。學生應該在學校、工業(yè)和社會環(huán)境下，按照一個產(chǎn)品或系統(tǒng)從基本構(gòu)想、設(shè)計、研制實現(xiàn)直到實際運行的完整開發(fā)過程這種情境，學會解決問題，并完成特定的工程或項目[3]。CDIO大綱系統(tǒng)地描述了工程教育的主要要求，涵蓋情境、教學大綱、課程設(shè)置、訓練場地、學生能力、溝通能力、教師能力和計劃評估等12項標準。顯然，CDIO理念是一套全面的富于創(chuàng)新的工程教育思想[4-5]。

我國高校畢業(yè)生與社會和用人企業(yè)的需求目前仍存在較大的差距，主要的反映有：學生解決問題能力差，工程實踐應用能力欠缺，創(chuàng)新意識不強，缺乏團隊合作意識和能力。而這些問題恰好反映出傳統(tǒng)的工程教育模式的問題，即片面重視學生理論基礎(chǔ)的培養(yǎng)，輕視實驗和實踐環(huán)節(jié)，課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)不斷被弱化，忽視學生的工程實踐等。

為改變傳感檢測技術(shù)課程的教學現(xiàn)狀，恰當?shù)匾隒DIO工程教育模式，以理論培養(yǎng)為基礎(chǔ)，以工程應用為目標，重點培養(yǎng)學生的工程應用能力，激發(fā)其創(chuàng)新思維，鍛煉其團隊合作精神，從教學觀念、體系、手段和方法、考核形式等多方面、多層次地進行教學改革實踐。

2 構(gòu)思CDIO模式下的教學觀念

要保證教學改革得到順利實施，取得良好的效果，首先要樹立CDIO模式下的教學觀念。

CDIO教學大綱認為，應該注重從4個方面培養(yǎng)工科學生：注重工科學生的專業(yè)基礎(chǔ)理論和技術(shù)發(fā)展方向知識，培養(yǎng)其工程能力、問題解決能力和專業(yè)素養(yǎng)，提高其溝通交流水平和團隊協(xié)作能力，在具體的社會和商業(yè)的情境下按照Conceive-Design-Implement-Operate生命周期系統(tǒng)性地、逐個環(huán)節(jié)完成工程項目和產(chǎn)品開發(fā)[6-7]。CDIO培養(yǎng)能力大綱如圖1所示。

圖1 CDIO培養(yǎng)能力大綱

基于CDIO能力培養(yǎng)大綱，傳感檢測技術(shù)課程的教學改革觀念應該著眼于3個方面：1）修改教學大綱的內(nèi)容，制定更合理的理論和實驗教學內(nèi)容，明確基于CDIO理念的3級實驗項目、課程綜合設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計及其重要性，以做到教、學、做三結(jié)合；2）要求學生按產(chǎn)品生命周期（構(gòu)思——設(shè)計——實現(xiàn)——運行）完成設(shè)計項目，以增強學生的問題解決能力、工程應用能力和團隊合作精神，即將CDIO的思想精髓傳遞給學生；3）完善課程考核和反饋機制，加強過程監(jiān)控，以更好地貫徹CDIO工程教育理念。

顯然，CDIO的教學理念很好地滿足了教學改革的需求。實施過程中，教師應作為教學改革的主導者；學生應有獨立思考的時間，以團隊/小組的形式完成特定的設(shè)計項目或自我構(gòu)思的作品，獲取接近真實企業(yè)情境和需求的工程教育經(jīng)歷，訓練創(chuàng)新思維和團隊合作精神，成為符合現(xiàn)代企業(yè)和社會環(huán)境需求的工程師。

圖2 基于CDIO的教學體系層次模型圖

3 設(shè)計CDIO模式下的教學體系

傳感檢測技術(shù)課程以理論為基礎(chǔ)，側(cè)重工程應用和實踐，因此需要設(shè)計一套貫徹CDIO工程教育理念的比較合理的教學體系[8]。圖2為新教學體系的層次模型圖。

3.1 理論教學注重按CDIO模式剖析項目案例

扎實而新穎的理論知識是對新世紀大學生的基本要求。為此，對理論教學內(nèi)容進行去粗取精，刪減過時而冗余的知識，新增智能傳感器及虛擬儀器技術(shù)等內(nèi)容，加強講解傳感器典型應用方法，分析具體的工程項目設(shè)計案例，從方案構(gòu)思、系統(tǒng)設(shè)計、傳感器選型、系統(tǒng)調(diào)試和測試運行等逐個環(huán)節(jié)認真剖析，使學生首先正向理解CDIO的開發(fā)過程。

3.2 實驗教學增強符合CDIO的設(shè)計性內(nèi)容

對傳統(tǒng)的實驗項目合理加以改進，加強設(shè)計性內(nèi)容，并增加實驗內(nèi)容的綜合性，在實驗室環(huán)境下按CDIO理念進行實驗性訓練，既強化學生對理論知識的理解，提高實驗自身的工程實用性和訓練目標，又有利于提高學生的興趣與問題解決能力。

3.3 課外創(chuàng)新活動強化CDIO訓練

要求學生組成課外興趣實踐小組（一般為3～5人）進行課外創(chuàng)新活動，旨在提高學生在社會化環(huán)境中的問題發(fā)現(xiàn)能力和問題解決能力，進一步按CDIO理念進行項目開發(fā)訓練，增強工程能力。

3.4 綜合性的CDIO二級設(shè)計項目

二級設(shè)計項目綜合一組相關(guān)聯(lián)的課程群，以培養(yǎng)相關(guān)聯(lián)知識的綜合應用能力為目的。二級項目選題可設(shè)計為由傳感檢測技術(shù)引領(lǐng)的一組電類相關(guān)課程群的知識綜合運用題目，如光電報警系統(tǒng)設(shè)計、電子秤設(shè)計、自動尋跡小車設(shè)計等，難度應介于傳統(tǒng)的課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計之間，通常由3～5人組成項目小組來完成。這類題目需綜合應用模擬電路、數(shù)字邏輯電路和傳感檢測技術(shù)等知識，可以很好地激發(fā)其開發(fā)和制作熱情，鍛煉學生的知識融合能力，挖掘和培養(yǎng)其工程潛力。

這樣的教學體系設(shè)計符合學生的學習習慣，具有如下優(yōu)點：先理論后實踐，有利于得到較好的設(shè)計實驗效果，并強化“實踐離不開理論指導”的思想；復雜程度逐步增加，有利于實踐成功，信心得以建立和增強，從中享受自我實現(xiàn)的樂趣，而CDIO理念也得以逐步訓練和樹立；隨著知識綜合能力要求的提高，學生的工程能力得以充分地挖掘和提升，同時通過不同規(guī)模的小組形式，學生的交流溝通技巧和團隊合作能力都會有較好的鍛煉；興趣實踐活動有意安排為課外形式，不僅有利于學生有效利用課余時間進行科技活動和人際交流，更利于培養(yǎng)學生的主動性、社會責任感和專業(yè)態(tài)度，而這也是CDIO工程教育大綱所指出的內(nèi)容；采用統(tǒng)一的綜合設(shè)計題目，要求學生嚴格按照“構(gòu)思——設(shè)計——實現(xiàn)——運行”這一產(chǎn)品開發(fā)生命周期完成項目，能力得到全面的提升。在整個過程中，CDIO理念可以得到循序地良好培養(yǎng)和認同，工程應用能力將得到逐步提高和增強。

4 實現(xiàn)和運行CDIO模式下的教學改革

遵照新教學體系的層次模型，課程教學實踐中認真實施，使各教學環(huán)節(jié)與CDIO大綱的能力培養(yǎng)目標互相呼應，其對應關(guān)系如圖2所示。

4.1 理論教學突出重點和案例CDIO剖析

按照CDIO大綱，理論教學針對某類或某種原理的傳感器，突出其理論主線，使學生能夠“知其所以然”；注重傳感器的結(jié)構(gòu)特性、檢測電路的設(shè)計與實踐應用，做到“知其然”和“明其用”；安排具體的工程項目案例，依照CDIO產(chǎn)品周期進行剖析性講解，達到示范合理選用和運用傳感器的目的。例如，在磁性傳感器理論、特性和應用知識講解后，以“霍爾傳感器在車輛測速中的應用”項目開發(fā)為例進行分析。雖然這樣的案例教學是以講解分析和課堂研討的形式進行，但其環(huán)節(jié)完整而且密切相連，完全符合CDIO過程教育理念。

同時，理論課程教學增加啟發(fā)性問題，對學生的回答及時給予合理的評價和引導；引入適當?shù)男〗M討論，增強學生的知識交流和溝通能力，培養(yǎng)其表述問題和見解的能力，提高學生的學習主動性。

4.2 三級實驗項目強調(diào)CDIO過程練習

為了使三級實驗項目有別于傳統(tǒng)的驗證性實驗，將實驗內(nèi)容改進成為富有具體測量對象和目的設(shè)計性的實驗項目。為獲得有意義的測量結(jié)果，學生都會提前預習和準備方案，精心做實驗。例如將“金屬應變片電橋性能實驗”改進為“測重電子秤的設(shè)計”實驗，要求學生先構(gòu)思（Conceive）自己的設(shè)計方案，設(shè)計（Design）檢測電路，并利用面包板實現(xiàn)（Implement）電路并完成標定，最后將系統(tǒng)投入運行（Operate），在不同的條件下完成稱重目的（如手機、MP3等的重量）。這樣的實驗不同于傳統(tǒng)電橋?qū)嶒炛幵谟?，必須自己搭建電路和進行標定工作，因而設(shè)計性因素大大增加。由于要考慮方案的合理性、電橋測量電路設(shè)計、調(diào)零電路和放大電路設(shè)計、器件參數(shù)計算與選擇、系統(tǒng)標定等一系列問題，學生通常會有各種方案和設(shè)計，教師應適時指導，加以引導，增強學生的信心，提高其問題分析和解決能力。

4.3 課外創(chuàng)新活動注重增強學生主動性

課外創(chuàng)新活動是整個課程教學改革中實施難度最大的環(huán)節(jié)。教師需要采取策略性的引導，克服學生的畏難心理，加強學生對課外實踐與課程學習互動效應認識，并指出課外實踐活動以可行性和探索性為原則，目的在于激發(fā)創(chuàng)造力，提高觀察和動手能力。同時，提供開放實驗條件、合理引導選題方向和難度、加強創(chuàng)新制作過程中的定期輔導等，也是促進大學生課外實踐活動開展的重要保證。

經(jīng)過近年來的探索，該課程的學生課外創(chuàng)新實踐制作活動呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。例如，07級160名學生中近60%的學生參加了課外創(chuàng)新實踐活動，應用紅外、光敏、氣敏、溫度等多種類型傳感器，選題包括“紅外家電遙控器”“路燈自動控制裝置”“尋光機器人”“防盜報警器”“數(shù)字溫度采集系統(tǒng)”等，實現(xiàn)從課堂理論到課外實踐的提升，增強學生的主動性、工程能力、創(chuàng)新意識和專業(yè)精神，培養(yǎng)了工程應用能力。

4.4 二級設(shè)計項目注意選題融合相關(guān)學科知識

考慮傳感器與電路各課程之間的關(guān)系，結(jié)合自動化專業(yè)的特點，二級設(shè)計項目環(huán)節(jié)選取“多路光電報警系統(tǒng)設(shè)計”作為設(shè)計題目。設(shè)計既要求選用性能和結(jié)構(gòu)合適的典型紅外傳感器型號，又要進行濾波器設(shè)計和運算放大器設(shè)計知識，以及考慮數(shù)字邏輯電路的設(shè)計和芯片選用，并使用EDA軟件進行電路設(shè)計和仿真。項目開始后，教師首先引導學生進行系統(tǒng)級的構(gòu)思，選取系統(tǒng)組成方案并評定其可行性；之后進入設(shè)計環(huán)節(jié)，細化各組成部分的電路設(shè)計、元件設(shè)計和參數(shù)選定，并進行仿真運行直至仿真結(jié)果正確合理；系統(tǒng)實現(xiàn)階段，主要進行元件選取、電路板制作和焊接等，實現(xiàn)所要求的基本功能；而在系統(tǒng)的運作階段，主要發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題并加以解決。經(jīng)過完整的CDIO產(chǎn)品周期，學生能夠較好地掌握項目設(shè)計的各環(huán)節(jié)要求，為未來的工作實踐奠定良好的基礎(chǔ)。

4.5 改進考核方法，注重綜合能力

CDIO大綱包含教學的評價過程，不僅重視培養(yǎng)學生的工程應用能力，而且強調(diào)樹立其專業(yè)意識和團隊合作能力，因此在課程的教學過程中需要設(shè)計信息反饋表格，傾聽學生反饋的各種意見和建議，并關(guān)注學生的上述能力是否有較明顯的提高。課程考核比例相應調(diào)整，各考核項目及比例如表1所示。

學生在整個學習過程中可以保持良好的學習狀態(tài)，做到理論和實踐并重，工程應用能力、創(chuàng)新意識和團隊精神逐步得到加強，更有利于成為具備現(xiàn)代“工程師”素質(zhì)的大學畢業(yè)生。

5 結(jié)語

按照CDIO模式進行的傳感檢測技術(shù)教改實踐表明，這樣的教學更利于學生各種能力的綜合培養(yǎng)，也更適應現(xiàn)代高等工程教育的發(fā)展趨勢和要求，更符合高等教育的規(guī)律。實施CDIO模式下的工程教育改革，受到學生的支持和歡迎，其工程應用能力得以有效培養(yǎng)和發(fā)掘，創(chuàng)新思維、人際交流溝通能力和團隊合作精神也相應得到訓練和提高，學生評教顯著提高至優(yōu)秀行列。事實說明，CDIO模式下的傳感檢測技術(shù)課程的教學改革實踐取得良好成效。

表1 傳感檢測技術(shù)課程的各項目考核比例

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Practice of Teaching Reform of Course Sensor and Detection Technique based on CDIO Model

Liu Baojun, Liu Yuehua

G642.0

B

1671-489X(2011)06-0048-04

10.3969 /j.issn.1671-489X.2011.06.048

廣東省高等教育本科教學改革立項項目（BKJGYB2008107），電子科技大學中山學院質(zhì)量工程建設(shè)（教學團隊）項目(ZLGC2009JXTD06)。

作者：劉保軍，碩士，工程師，電子科技大學中山學院機電工程系，研究方向為智能檢測與控制、機電一體化與機器人技術(shù)研究。