徐小玲 劉 美 黃劍鋒廣東石油化工學院 廣東茂名 525000

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基于OBE的傳感器技術課程CDIO工程教育設計及實施

徐小玲 劉 美 黃劍鋒
廣東石油化工學院 廣東茂名 525000

摘 要：分析當前儀器儀表產(chǎn)業(yè)人才需求及學校特色，針對傳感器技術課程制定課程層面“學習產(chǎn)出”，設計一體化課程，建立課程與培養(yǎng)目標之間的匹配矩陣，配以適應的基于CDIO的教學策略，實現(xiàn)預期的“學習產(chǎn)出”。最后，通過評估“學習產(chǎn)出”，考查學生知識掌握、能力培養(yǎng)以及態(tài)度養(yǎng)成的情況，從而進一步完善教學。

關鍵詞：傳感器技術；培養(yǎng)方案；學習產(chǎn)出；CDIO

當前，工科院校在對大學生的培養(yǎng)中過分強調(diào)注重通識教育，放松學生工程知識的夯實和知識結構的優(yōu)化，導致學生工程專業(yè)知識精深程度不高，知識面偏窄，不論在工程設計、產(chǎn)品開發(fā)，或是工程理論研究等方面體現(xiàn)出缺乏創(chuàng)新思維能力和工程實踐能力［1］。近年來，汕頭大學提出了基于“學習產(chǎn)出”（Outcomes-based Education， 簡稱OBE）的工程教育模式，以CDIO工程教育改革實踐為基礎，培養(yǎng)學生的工程思維和執(zhí)行能力［2］。其中，OBE工程教育改革主要包括以下幾方面。

（1）制定專業(yè)層面的預期“學習產(chǎn)出”。

（2）通過一體化課程設計，建立課程與培養(yǎng)標準的匹配矩陣。

（3）確定課程層面的預期“學習產(chǎn)出”，并設計相適應的教學策略。

（4）做好專業(yè)層面與課程層面的實際“學習產(chǎn)出”評估。為提高應用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，我校提出了以成果導向教育理念為指導，深化教學方法改革，促進優(yōu)勢轉(zhuǎn)化，提高教育質(zhì)量的要求。

1　專業(yè)培養(yǎng)與課程目標

2004年我校創(chuàng)辦測控技術與儀器專業(yè)，根據(jù)學校辦學目標，人才培養(yǎng)旨在使學生在具有專業(yè)理論知識的基礎上，配以石化特色，使學生具有從事化工自動化儀表、計算機測控系統(tǒng)、先進工業(yè)網(wǎng)絡控制研究、開發(fā)、應用和運行管理等方面工作的能力。根據(jù)近三年測控專業(yè)學生就業(yè)情況調(diào)查，畢業(yè)生進入通信設備計算機、儀器儀表及設備制造業(yè)占總人數(shù)的24.19%以上，進入石化企業(yè)、石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)占27.42%以上，主要從事各種機械的專業(yè)檢測及儀器維護、自動控制、自動化檢，或是在研發(fā)單位從事儀器儀表的開發(fā)和設計等，這部分知識與能力的培養(yǎng)都與傳感器技術、檢測技術及測控技術等課程密不可分。因此，根據(jù)OBE的4個環(huán)節(jié)，在課程層面上，通過對傳感器技術課程設計，制定預期“學習產(chǎn)出”，就知識體系而言，使學生建立針對傳感器的從原理到應用的系統(tǒng)化認識，掌握測量及誤差等理論知識，了解信號處理及抗干擾方面的基本知識。就能力培養(yǎng)而言，要求學生具有傳感器選擇、安裝、檢測與調(diào)試能力，具有傳感器應用電路的設計能力及對傳感器性能進行測試分析的能力；就素質(zhì)培養(yǎng)而言，培養(yǎng)學生自主學習能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，引導學生勤思考、能動手、善于與人交流的能力，從而使學生自主建立不斷演進的知識體系。

2　課程與培養(yǎng)標準的匹配矩陣

針對傳感器課程預期學習產(chǎn)出，測控專業(yè)傳感器課程采用由唐文彥主編的“十一五”國家級規(guī)劃教材《傳感器》，教材主要敘述幾何量和機械量檢測所使用的傳感器。同時，系統(tǒng)介紹了一些其他物理量測量的傳感器。最后，對近年來發(fā)展起來的幾種新型傳感器做了補充。根據(jù)教材內(nèi)容，全書根據(jù)傳感器工作原理分類，主要講授第一章到第八章內(nèi)容，即從第一章傳感器的一般特性，到第八章熱電式傳感器，每一章都獨立展現(xiàn)不同傳感器原理、性能及應用。內(nèi)容上主要為各種傳感器的工作原理、轉(zhuǎn)換電路及一些工程設計方法以及分析研究和選用等方面的知識。

針對特定崗位群，在課程內(nèi)上選擇上突出學生傳感器應用能力的培養(yǎng)，根據(jù)這一特點，課程在教學內(nèi)容上，每一章節(jié)以項目為載體，分成若干個知識點，系統(tǒng)化設計教學情境，采用CDIO工程培養(yǎng)模式［3］，從典型檢測對象著手，每個學習情境都安排不同檢測任務，學生對傳感器從內(nèi)部到外部通過不同載體進行訓練，進而完成整體電路設計和安裝，實現(xiàn)學生技能的拓展和遷移，為學生可持續(xù)發(fā)展奠定良好基礎。如圖1所示傳感器課程與學生知識、能力、素養(yǎng)達成情況關系矩陣。

圖1　傳感器課程與學生知識、能力、素養(yǎng)達成情況關系矩陣

除此之外，在內(nèi)容上，將本專業(yè)新技術、新工藝、新設備、新材料及時地納入教材內(nèi)容，使教材內(nèi)容更貼近本專業(yè)的實際要求。還需添加一些實際應用中需要解決的問題。例如，石化化工儀表系統(tǒng)防雷設計、儀器儀表配電接地方式，信號電纜的敷設和屏蔽等。在這些部分，利用我校地處中國華南地區(qū)最大的石化基地的優(yōu)勢，積極利用學校資源，邀請石化企業(yè)技術人員講授，與高校講師相比，企業(yè)技術人員可以憑借豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗對具體問題有針對性的講解，將枯燥無味的理論通過視頻、圖片、甚至實物拆解進行介紹，使理論更好地被學生理解和吸收。

在以往的教學中，實驗部分往往較實驗環(huán)節(jié)與理論部分獨立，采用傳感器綜合實驗儀CSY2000，以驗證性實驗為主，包括常用傳感器、性能、標定及常用調(diào)理電路特性等，課程與工程實踐聯(lián)系不緊密。然而，針對創(chuàng)新能力的養(yǎng)成，通常都是從模仿、自行設計到創(chuàng)新設計的過程。因此，為引導學生主動探究、有效開闊學生的專業(yè)知識面，實驗部分由案例引導，從測量系統(tǒng)的角度，提出適合本科生研究學習的專題，包含傳感器相關調(diào)理環(huán)節(jié)及其他處理環(huán)節(jié)的設計，將基礎理論、工程設計、工程實踐密切結合起來，引導學生通過查閱文獻和網(wǎng)絡資源、開展課堂討論、提交綜述報告或設計作業(yè)等開展研究性學習。

在整體的課程教學的設計中，以工作過程系統(tǒng)化理念為指導，以教學做一體化為典型特征，通過教師與行業(yè)、企業(yè)專家密切合作參與課程設計開發(fā)教學實施的全過程。將電子產(chǎn)品設計與傳感器課程相結合，內(nèi)容選取以工作需求為目標，教學組織以工作過程為主線，以真實項目為載體，培養(yǎng)學生在數(shù)據(jù)采集上的專業(yè)知識、應用能力以及工程素養(yǎng)。

3　教學方式改革

傳感器課程是一門實踐性很強的專業(yè)基礎課程，強調(diào)實踐能力培養(yǎng)的重要性，而學生能力培養(yǎng)需遵循由淺入深、由簡單到復雜、從知識掌握到能力培養(yǎng)的順序漸進的過程。然而，在目前的教學中，理論環(huán)節(jié)和實踐環(huán)節(jié)完全分開，理論課程局限于課本知識的講授，不斷重復于不同傳感器結構、性能等方面的敘述，而實踐環(huán)節(jié)則不斷重復地去驗證理論環(huán)節(jié)的知識，只實現(xiàn)幫助學生加強對書本知識的理解，模塊化結構方便學生進行試驗，但不利于學生對于各類物理信號獲取、轉(zhuǎn)換、分析的掌握，無法實現(xiàn)學生操作技能和動手能力的提升。在基于OBE的傳感器課程教學中，以預期學習產(chǎn)出為中心來指導教學，為了實現(xiàn)預期學習產(chǎn)出，教學計劃和內(nèi)容都是回溯式設計。而要達到預期產(chǎn)出，使學生掌握教學內(nèi)容，實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)的提升，就需要在教學方式上做出改變。

在知識培養(yǎng)上，我們?nèi)匀粡娬{(diào)課堂知識學習的重要性，針對不同的測量對象，涉及眾多的測量方法，課程教學利用文字、圖片、聲音、視頻及動畫將傳感器原理和方法講清楚講透，在這一過程中，互動式、開放式、提問式的教學方法可以培養(yǎng)學生的參與意識和思維能力，并引導學生去思考問題、理解問題，也符合素質(zhì)教育所提倡的“教為主導，學為主體”的教學思想。在能力培養(yǎng)上在情境教學中，采用基于CDIO的工程培養(yǎng)模式，選用傳感器技術應用的真實案例，把知識與技能有機結合，圍繞相關問題和能力開展訓練，通過采用分組研討，案例分析，啟發(fā)引導等方式，培養(yǎng)學生的自主學習能力。學生根據(jù)已有的基礎知識，進一步掌握傳感器特性、結構和電路，并可以對知識進行總結歸納。再根據(jù)實際給出的案例，通過對傳感器和相應測量電路選用，讓學生獲得本質(zhì)的用典型地選用規(guī)律，提高學生分析問題和解決問題的能力，最后由學生自行設計實施，模擬完成測量系統(tǒng)的電路設計，仿真。在整個實踐教學設計中，要求學生獨立完成的常規(guī)實驗，又設定相關自主實驗，從而培養(yǎng)了學生獨立思考的能力又加強學生的協(xié)作學習的能力。同時在本課程結束后，設置專業(yè)課程設計環(huán)節(jié)，通過實踐設計、修改設計，實現(xiàn)設計進一步加強了探究性學習、培養(yǎng)了學生的合作意識，團隊精神，實現(xiàn)學生素質(zhì)提升。同時，建立動態(tài)更新的課程網(wǎng)站，搭建學生與教師之間交流平臺，提供豐富工程應用和科研資源，開闊學生的專業(yè)知識面。

4　評價方式

目前，在課程目標達成度主要采用考核方式進行，評價多由平時成績、作業(yè)成績、實驗成績、期中考試、期末考試成績多項合成的優(yōu)化方案。其中，實驗成績占比30%。這種考核方式具有較強的操作性，但不能客觀反映學生的學習情況，對課程教學大綱目標達成情況考查不夠，不利于教學質(zhì)量的提高。為了進一步完善課程達成度評價體系，主要從三方面進行評價。

（1）達成度評價主要依據(jù)課程“學習產(chǎn)出”，而學習產(chǎn)出評價直接反應課程教學大綱的目標要求是否達到。因此，首先在課程考核上加強題庫建設，確保試卷考核能夠針對教學大綱具有足夠的覆蓋度和區(qū)分度，實現(xiàn)試題與教學大綱的高度匹配［4］，根據(jù)試卷分析得出每一知識點的“學習產(chǎn)出”是否達標，并給出實際達到程度如應用、理解、達成、未達成等。其次，增加關于能力及素質(zhì)達成度評價內(nèi)容及標準，制定考核卡，根據(jù)具體考核內(nèi)容給出評分標準如圖2所示。體現(xiàn)學習過程的評價，反映集體合作結果，論據(jù)充分、邏輯清晰。

圖2　單元任務考核卡

（2）改變過去一味以教科書與書本知識問答、套用公式計算等為主的書面作業(yè)形式，對課程知識進行延展，布置一些學科最新發(fā)展方面的題目，通過向?qū)W生公布與課程相關的技術期刊，與課程相關的國內(nèi)外網(wǎng)站的網(wǎng)址，通過學習報告的方式判斷學生自我學習的情況，即增加過程性評價。通過具體表現(xiàn)和作品呈現(xiàn)制定評價標準等級，最終形成學習過程的形成性評估［5］，圖3所示為對知識點學習的評價。

圖3　知識點學習評價

除此之外，通過間接評價方式，包括意見調(diào)查，訪談獲取達成度結果，作為輔助參考方式得到課程達成度。最終明確是否“達成”。

（3）增加目標趨近度標準的構建。在學生個體課程目標達成度評估體系構建之后，重視另一種評價方式，目標趨近度標準構建，針對學生個體現(xiàn)狀與過去進行比較，考慮學生的能力和基礎，重視其努力和態(tài)度，這在基于CDIO的工程培養(yǎng)模式中，體現(xiàn)在學生以團體方式參與課程的積極性，體現(xiàn)在學生的自我評價中，讓學生從評價中得到鼓勵和鞭策，形成新的目標期望，這部分評價對學生自我素質(zhì)提升尤其重要。課程評估表如圖4所示。

圖4　課程評估表

5　結束語

針對當前國內(nèi)工程培養(yǎng)的問題，通過采用OBE工程教育模式，采用CDIO工程培養(yǎng)模式，系統(tǒng)化設計教學情境，從知識-能力-素質(zhì)3個環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生，提高學生的工程實踐能力和工程素質(zhì)，改革評價模式，讓學生不再只為“分數(shù)”學習，全身心投入到傳感器項目開發(fā)中去，從學習過程到學習產(chǎn)出全方位考核學生學習結果，讓學生從自我評價、團隊評價及教師評價中了解自己，提升自己，從而提高教學質(zhì)量。

參考文獻

［1］ 王章豹，吳娟.工科大學生工程素質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查及分析［J］.高等工程教育研究.2014（6）:105-111.

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［4］ 薛斌，周冬香，熊振海.采用課程目標達成度開展基礎化學教學評價的嘗試［J］.科技創(chuàng)新導報.2011.（11）:113-114.

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Exploration of Measurement and Control Technology and Instrumentation Training Program Based on OBE-CDIO

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Xu Xiaoling， Liu Mei， Huang Jianfeng
Guangdong University of Petrochemical Technology， Maoming， 525000， China

Abstract:The analysis on the talents demand of instrument industry and the characteristics of our university are doing， the desired "learning output " of sensor technology is achieved in course level， when the matching matrix between training objectives and curriculum was established through the integration of curriculum design， and the teaching strategy based on CDIO is used. The knowledge， ability and attitude of student are examined to improve the teaching by evaluating "learning outcomes".

Keywords:sensor technology； training program； outcomes-based education； CDIO

收稿日期：2015-11-08

作者簡介：徐小玲，碩士，講師，主任。劉美，博士，教授，教務處副處長。

基金項目：2 0 1 4廣東省高等教育教改項目（編號：GDJG20142405）；廣東省高等教育教學研究和改革項目（編號：GDJG20141218）。