劉保軍 劉躍華

電子科技大學(xué)中山學(xué)院 廣東中山 528402

CDIO模式下的傳感檢測技術(shù)教改實(shí)踐*

劉保軍 劉躍華

電子科技大學(xué)中山學(xué)院 廣東中山 528402

加強(qiáng)高校工科大學(xué)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(xué)體系，在教學(xué)過程中從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核形式等多個(gè)方面進(jìn)行卓有成效的實(shí)踐。

CDIO；傳感檢測技術(shù)；教學(xué)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(xué)改革

自20世紀(jì)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(xué)理論和研究日益倍受重視，造成“科學(xué)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(jì)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(qiáng)烈的挑戰(zhàn)。2000年由麻省理工學(xué)院（MIT）等4所大學(xué)倡導(dǎo)的CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即“構(gòu)思——設(shè)計(jì)——實(shí)現(xiàn)——運(yùn)行”）工程教育理念成為信息化時(shí)代背景下應(yīng)運(yùn)而生的影響最廣、各國參與高校最多的一種系統(tǒng)的先進(jìn)教育思想[1-2]。

CDIO工程教育理念認(rèn)為，應(yīng)為學(xué)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(xué)生應(yīng)該在學(xué)校、工業(yè)和社會環(huán)境下，按照一個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)從基本構(gòu)想、設(shè)計(jì)、研制實(shí)現(xiàn)直到實(shí)際運(yùn)行的完整開發(fā)過程這種情境，學(xué)會解決問題，并完成特定的工程或項(xiàng)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(xué)大綱、課程設(shè)置、訓(xùn)練場地、學(xué)生能力、溝通能力、教師能力和計(jì)劃評估等12項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。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(xué)生解決問題能力差，工程實(shí)踐應(yīng)用能力欠缺，創(chuàng)新意識不強(qiáng)，缺乏團(tuán)隊(duì)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(xué)生理論基礎(chǔ)的培養(yǎng)，輕視實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不斷被弱化，忽視學(xué)生的工程實(shí)踐等。

為改變傳感檢測技術(shù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，恰當(dāng)?shù)匾隒DIO工程教育模式，以理論培養(yǎng)為基礎(chǔ)，以工程應(yīng)用為目標(biāo)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力，激發(fā)其創(chuàng)新思維，鍛煉其團(tuán)隊(duì)合作精神，從教學(xué)觀念、體系、手段和方法、考核形式等多方面、多層次地進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐。

2 構(gòu)思CDIO模式下的教學(xué)觀念

要保證教學(xué)改革得到順利實(shí)施，取得良好的效果，首先要樹立CDIO模式下的教學(xué)觀念。

CDIO教學(xué)大綱認(rèn)為，應(yīng)該注重從4個(gè)方面培養(yǎng)工科學(xué)生：注重工科學(xué)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(tuán)隊(duì)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(gè)環(huán)節(jié)完成工程項(xiàng)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(xué)改革觀念應(yīng)該著眼于3個(gè)方面：1）修改教學(xué)大綱的內(nèi)容，制定更合理的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，明確基于CDIO理念的3級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、課程綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其重要性，以做到教、學(xué)、做三結(jié)合；2）要求學(xué)生按產(chǎn)品生命周期（構(gòu)思——設(shè)計(jì)——實(shí)現(xiàn)——運(yùn)行）完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目，以增強(qiáng)學(xué)生的問題解決能力、工程應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，即將CDIO的思想精髓傳遞給學(xué)生；3）完善課程考核和反饋機(jī)制，加強(qiáng)過程監(jiān)控，以更好地貫徹CDIO工程教育理念。

顯然，CDIO的教學(xué)理念很好地滿足了教學(xué)改革的需求。實(shí)施過程中，教師應(yīng)作為教學(xué)改革的主導(dǎo)者；學(xué)生應(yīng)有獨(dú)立思考的時(shí)間，以團(tuán)隊(duì)/小組的形式完成特定的設(shè)計(jì)項(xiàng)目或自我構(gòu)思的作品，獲取接近真實(shí)企業(yè)情境和需求的工程教育經(jīng)歷，訓(xùn)練創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)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(xué)體系層次模型圖

3 設(shè)計(jì)CDIO模式下的教學(xué)體系

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

3.1 理論教學(xué)注重按CDIO模式剖析項(xiàng)目案例

扎實(shí)而新穎的理論知識是對新世紀(jì)大學(xué)生的基本要求。為此，對理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行去粗取精，刪減過時(shí)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(qiáng)講解傳感器典型應(yīng)用方法，分析具體的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)案例，從方案構(gòu)思、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器選型、系統(tǒng)調(diào)試和測試運(yùn)行等逐個(gè)環(huán)節(jié)認(rèn)真剖析，使學(xué)生首先正向理解CDIO的開發(fā)過程。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)增強(qiáng)符合CDIO的設(shè)計(jì)性內(nèi)容

對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目合理加以改進(jìn)，加強(qiáng)設(shè)計(jì)性內(nèi)容，并增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下按CDIO理念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性訓(xùn)練，既強(qiáng)化學(xué)生對理論知識的理解，提高實(shí)驗(yàn)自身的工程實(shí)用性和訓(xùn)練目標(biāo)，又有利于提高學(xué)生的興趣與問題解決能力。

3.3 課外創(chuàng)新活動(dòng)強(qiáng)化CDIO訓(xùn)練

要求學(xué)生組成課外興趣實(shí)踐小組（一般為3～5人）進(jìn)行課外創(chuàng)新活動(dòng)，旨在提高學(xué)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(jìn)一步按CDIO理念進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)訓(xùn)練，增強(qiáng)工程能力。

3.4 綜合性的CDIO二級設(shè)計(jì)項(xiàng)目

二級設(shè)計(jì)項(xiàng)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(yīng)用能力為目的。二級項(xiàng)目選題可設(shè)計(jì)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(yùn)用題目，如光電報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電子秤設(shè)計(jì)、自動(dòng)尋跡小車設(shè)計(jì)等，難度應(yīng)介于傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)之間，通常由3～5人組成項(xiàng)目小組來完成。這類題目需綜合應(yīng)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(xué)生的知識融合能力，挖掘和培養(yǎng)其工程潛力。

這樣的教學(xué)體系設(shè)計(jì)符合學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，具有如下優(yōu)點(diǎn)：先理論后實(shí)踐，有利于得到較好的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)效果，并強(qiáng)化“實(shí)踐離不開理論指導(dǎo)”的思想；復(fù)雜程度逐步增加，有利于實(shí)踐成功，信心得以建立和增強(qiáng)，從中享受自我實(shí)現(xiàn)的樂趣，而CDIO理念也得以逐步訓(xùn)練和樹立；隨著知識綜合能力要求的提高，學(xué)生的工程能力得以充分地挖掘和提升，同時(shí)通過不同規(guī)模的小組形式，學(xué)生的交流溝通技巧和團(tuán)隊(duì)合作能力都會有較好的鍛煉；興趣實(shí)踐活動(dòng)有意安排為課外形式，不僅有利于學(xué)生有效利用課余時(shí)間進(jìn)行科技活動(dòng)和人際交流，更利于培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)性、社會責(zé)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(jì)題目，要求學(xué)生嚴(yán)格按照“構(gòu)思——設(shè)計(jì)——實(shí)現(xiàn)——運(yùn)行”這一產(chǎn)品開發(fā)生命周期完成項(xiàng)目，能力得到全面的提升。在整個(gè)過程中，CDIO理念可以得到循序地良好培養(yǎng)和認(rèn)同，工程應(yīng)用能力將得到逐步提高和增強(qiáng)。

4 實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行CDIO模式下的教學(xué)改革

遵照新教學(xué)體系的層次模型，課程教學(xué)實(shí)踐中認(rèn)真實(shí)施，使各教學(xué)環(huán)節(jié)與CDIO大綱的能力培養(yǎng)目標(biāo)互相呼應(yīng)，其對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

4.1 理論教學(xué)突出重點(diǎn)和案例CDIO剖析

按照CDIO大綱，理論教學(xué)針對某類或某種原理的傳感器，突出其理論主線，使學(xué)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(jì)與實(shí)踐應(yīng)用，做到“知其然”和“明其用”；安排具體的工程項(xiàng)目案例，依照CDIO產(chǎn)品周期進(jìn)行剖析性講解，達(dá)到示范合理選用和運(yùn)用傳感器的目的。例如，在磁性傳感器理論、特性和應(yīng)用知識講解后，以“霍爾傳感器在車輛測速中的應(yīng)用”項(xiàng)目開發(fā)為例進(jìn)行分析。雖然這樣的案例教學(xué)是以講解分析和課堂研討的形式進(jìn)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(shí)，理論課程教學(xué)增加啟發(fā)性問題，對學(xué)生的回答及時(shí)給予合理的評價(jià)和引導(dǎo)；引入適當(dāng)?shù)男〗M討論，增強(qiáng)學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

4.2 三級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)CDIO過程練習(xí)

為了使三級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有別于傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改進(jìn)成為富有具體測量對象和目的設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為獲得有意義的測量結(jié)果，學(xué)生都會提前預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備方案，精心做實(shí)驗(yàn)。例如將“金屬應(yīng)變片電橋性能實(shí)驗(yàn)”改進(jìn)為“測重電子秤的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生先構(gòu)思（Conceive）自己的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)（Design）檢測電路，并利用面包板實(shí)現(xiàn)（Implement）電路并完成標(biāo)定，最后將系統(tǒng)投入運(yùn)行（Operate），在不同的條件下完成稱重目的（如手機(jī)、MP3等的重量）。這樣的實(shí)驗(yàn)不同于傳統(tǒng)電橋?qū)嶒?yàn)之處在于，必須自己搭建電路和進(jìn)行標(biāo)定工作，因而設(shè)計(jì)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(jì)、調(diào)零電路和放大電路設(shè)計(jì)、器件參數(shù)計(jì)算與選擇、系統(tǒng)標(biāo)定等一系列問題，學(xué)生通常會有各種方案和設(shè)計(jì)，教師應(yīng)適時(shí)指導(dǎo)，加以引導(dǎo)，增強(qiáng)學(xué)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(dòng)注重增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)性

課外創(chuàng)新活動(dòng)是整個(gè)課程教學(xué)改革中實(shí)施難度最大的環(huán)節(jié)。教師需要采取策略性的引導(dǎo)，克服學(xué)生的畏難心理，加強(qiáng)學(xué)生對課外實(shí)踐與課程學(xué)習(xí)互動(dòng)效應(yīng)認(rèn)識，并指出課外實(shí)踐活動(dòng)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(dòng)手能力。同時(shí)，提供開放實(shí)驗(yàn)條件、合理引導(dǎo)選題方向和難度、加強(qiáng)創(chuàng)新制作過程中的定期輔導(dǎo)等，也是促進(jìn)大學(xué)生課外實(shí)踐活動(dòng)開展的重要保證。

經(jīng)過近年來的探索，該課程的學(xué)生課外創(chuàng)新實(shí)踐制作活動(dòng)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。例如，07級160名學(xué)生中近60%的學(xué)生參加了課外創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，應(yīng)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(dòng)控制裝置”“尋光機(jī)器人”“防盜報(bào)警器”“數(shù)字溫度采集系統(tǒng)”等，實(shí)現(xiàn)從課堂理論到課外實(shí)踐的提升，增強(qiáng)學(xué)生的主動(dòng)性、工程能力、創(chuàng)新意識和專業(yè)精神，培養(yǎng)了工程應(yīng)用能力。

4.4 二級設(shè)計(jì)項(xiàng)目注意選題融合相關(guān)學(xué)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(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)，二級設(shè)計(jì)項(xiàng)目環(huán)節(jié)選取“多路光電報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)”作為設(shè)計(jì)題目。設(shè)計(jì)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(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)和運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)知識，以及考慮數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)和芯片選用，并使用EDA軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真。項(xiàng)目開始后，教師首先引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)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(jìn)入設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，細(xì)化各組成部分的電路設(shè)計(jì)、元件設(shè)計(jì)和參數(shù)選定，并進(jìn)行仿真運(yùn)行直至仿真結(jié)果正確合理；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段，主要進(jìn)行元件選取、電路板制作和焊接等，實(shí)現(xiàn)所要求的基本功能；而在系統(tǒng)的運(yùn)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(xué)生能夠較好地掌握項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各環(huán)節(jié)要求，為未來的工作實(shí)踐奠定良好的基礎(chǔ)。

4.5 改進(jìn)考核方法，注重綜合能力

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

學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中可以保持良好的學(xué)習(xí)狀態(tài)，做到理論和實(shí)踐并重，工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)精神逐步得到加強(qiáng)，更有利于成為具備現(xiàn)代“工程師”素質(zhì)的大學(xué)畢業(yè)生。

5 結(jié)語

按照CDIO模式進(jìn)行的傳感檢測技術(shù)教改實(shí)踐表明，這樣的教學(xué)更利于學(xué)生各種能力的綜合培養(yǎng)，也更適應(yīng)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(shí)施CDIO模式下的工程教育改革，受到學(xué)生的支持和歡迎，其工程應(yīng)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(tuán)隊(duì)合作精神也相應(yīng)得到訓(xùn)練和提高，學(xué)生評教顯著提高至優(yōu)秀行列。事實(shí)說明，CDIO模式下的傳感檢測技術(shù)課程的教學(xué)改革實(shí)踐取得良好成效。

表1 傳感檢測技術(shù)課程的各項(xiàng)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(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目（BKJGYB2008107），電子科技大學(xué)中山學(xué)院質(zhì)量工程建設(shè)（教學(xué)團(tuán)隊(duì)）項(xiàng)目(ZLGC2009JXTD06)。

作者：劉保軍，碩士，工程師，電子科技大學(xué)中山學(xué)院機(jī)電工程系，研究方向?yàn)橹悄軝z測與控制、機(jī)電一體化與機(jī)器人技術(shù)研究。