基于OBE的传感器技术课程CDIO工程教育设计及实施

徐小玲 刘 美 黄剑锋广东石油化工学院 广东茂名 525000



基于OBE的传感器技术课程CDIO工程教育设计及实施

徐小玲 刘 美 黄剑锋
广东石油化工学院 广东茂名 525000

摘 要：分析当前仪器仪表产业人才需求及学校特色，针对传感器技术课程制定课程层面“学习产出”，设计一体化课程，建立课程与培养目标之间的匹配矩阵，配以适应的基于CDIO的教学策略，实现预期的“学习产出”。最后，通过评估“学习产出”，考查学生知识掌握、能力培养以及态度养成的情况，从而进一步完善教学。

关键词：传感器技术；培养方案；学习产出；CDIO

当前，工科院校在对大学生的培养中过分强调注重通识教育，放松学生工程知识的夯实和知识结构的优化，导致学生工程专业知识精深程度不高，知识面偏窄，不论在工程设计、产品开发，或是工程理论研究等方面体现出缺乏创新思维能力和工程实践能力［1］。近年来，汕头大学提出了基于“学习产出”（Outcomes-based Education， 简称OBE）的工程教育模式，以CDIO工程教育改革实践为基础，培养学生的工程思维和执行能力［2］。其中，OBE工程教育改革主要包括以下几方面。

（1）制定专业层面的预期“学习产出”。

（2）通过一体化课程设计，建立课程与培养标准的匹配矩阵。

（3）确定课程层面的预期“学习产出”，并设计相适应的教学策略。

（4）做好专业层面与课程层面的实际“学习产出”评估。为提高应用型人才培养质量，我校提出了以成果导向教育理念为指导，深化教学方法改革，促进优势转化，提高教育质量的要求。

1　专业培养与课程目标

2004年我校创办测控技术与仪器专业，根据学校办学目标，人才培养旨在使学生在具有专业理论知识的基础上，配以石化特色，使学生具有从事化工自动化仪表、计算机测控系统、先进工业网络控制研究、开发、应用和运行管理等方面工作的能力。根据近三年测控专业学生就业情况调查，毕业生进入通信设备计算机、仪器仪表及设备制造业占总人数的24.19%以上，进入石化企业、石油加工、炼焦及核燃料加工业占27.42%以上，主要从事各种机械的专业检测及仪器维护、自动控制、自动化检，或是在研发单位从事仪器仪表的开发和设计等，这部分知识与能力的培养都与传感器技术、检测技术及测控技术等课程密不可分。因此，根据OBE的4个环节，在课程层面上，通过对传感器技术课程设计，制定预期“学习产出”，就知识体系而言，使学生建立针对传感器的从原理到应用的系统化认识，掌握测量及误差等理论知识，了解信号处理及抗干扰方面的基本知识。就能力培养而言，要求学生具有传感器选择、安装、检测与调试能力，具有传感器应用电路的设计能力及对传感器性能进行测试分析的能力；就素质培养而言，培养学生自主学习能力、创新意识和创新能力，引导学生勤思考、能动手、善于与人交流的能力，从而使学生自主建立不断演进的知识体系。

2　课程与培养标准的匹配矩阵

针对传感器课程预期学习产出，测控专业传感器课程采用由唐文彦主编的“十一五”国家级规划教材《传感器》，教材主要叙述几何量和机械量检测所使用的传感器。同时，系统介绍了一些其他物理量测量的传感器。最后，对近年来发展起来的几种新型传感器做了补充。根据教材内容，全书根据传感器工作原理分类，主要讲授第一章到第八章内容，即从第一章传感器的一般特性，到第八章热电式传感器，每一章都独立展现不同传感器原理、性能及应用。内容上主要为各种传感器的工作原理、转换电路及一些工程设计方法以及分析研究和选用等方面的知识。

针对特定岗位群，在课程内上选择上突出学生传感器应用能力的培养，根据这一特点，课程在教学内容上，每一章节以项目为载体，分成若干个知识点，系统化设计教学情境，采用CDIO工程培养模式［3］，从典型检测对象着手，每个学习情境都安排不同检测任务，学生对传感器从内部到外部通过不同载体进行训练，进而完成整体电路设计和安装，实现学生技能的拓展和迁移，为学生可持续发展奠定良好基础。如图1所示传感器课程与学生知识、能力、素养达成情况关系矩阵。

图1　传感器课程与学生知识、能力、素养达成情况关系矩阵

除此之外，在内容上，将本专业新技术、新工艺、新设备、新材料及时地纳入教材内容，使教材内容更贴近本专业的实际要求。还需添加一些实际应用中需要解决的问题。例如，石化化工仪表系统防雷设计、仪器仪表配电接地方式，信号电缆的敷设和屏蔽等。在这些部分，利用我校地处中国华南地区最大的石化基地的优势，积极利用学校资源，邀请石化企业技术人员讲授，与高校讲师相比，企业技术人员可以凭借丰富的现场经验对具体问题有针对性的讲解，将枯燥无味的理论通过视频、图片、甚至实物拆解进行介绍，使理论更好地被学生理解和吸收。

在以往的教学中，实验部分往往较实验环节与理论部分独立，采用传感器综合实验仪CSY2000，以验证性实验为主，包括常用传感器、性能、标定及常用调理电路特性等，课程与工程实践联系不紧密。然而，针对创新能力的养成，通常都是从模仿、自行设计到创新设计的过程。因此，为引导学生主动探究、有效开阔学生的专业知识面，实验部分由案例引导，从测量系统的角度，提出适合本科生研究学习的专题，包含传感器相关调理环节及其他处理环节的设计，将基础理论、工程设计、工程实践密切结合起来，引导学生通过查阅文献和网络资源、开展课堂讨论、提交综述报告或设计作业等开展研究性学习。

在整体的课程教学的设计中，以工作过程系统化理念为指导，以教学做一体化为典型特征，通过教师与行业、企业专家密切合作参与课程设计开发教学实施的全过程。将电子产品设计与传感器课程相结合，内容选取以工作需求为目标，教学组织以工作过程为主线，以真实项目为载体，培养学生在数据采集上的专业知识、应用能力以及工程素养。

3　教学方式改革

传感器课程是一门实践性很强的专业基础课程，强调实践能力培养的重要性，而学生能力培养需遵循由浅入深、由简单到复杂、从知识掌握到能力培养的顺序渐进的过程。然而，在目前的教学中，理论环节和实践环节完全分开，理论课程局限于课本知识的讲授，不断重复于不同传感器结构、性能等方面的叙述，而实践环节则不断重复地去验证理论环节的知识，只实现帮助学生加强对书本知识的理解，模块化结构方便学生进行试验，但不利于学生对于各类物理信号获取、转换、分析的掌握，无法实现学生操作技能和动手能力的提升。在基于OBE的传感器课程教学中，以预期学习产出为中心来指导教学，为了实现预期学习产出，教学计划和内容都是回溯式设计。而要达到预期产出，使学生掌握教学内容，实现知识、能力、素质的提升，就需要在教学方式上做出改变。

在知识培养上，我们仍然强调课堂知识学习的重要性，针对不同的测量对象，涉及众多的测量方法，课程教学利用文字、图片、声音、视频及动画将传感器原理和方法讲清楚讲透，在这一过程中，互动式、开放式、提问式的教学方法可以培养学生的参与意识和思维能力，并引导学生去思考问题、理解问题，也符合素质教育所提倡的“教为主导，学为主体”的教学思想。在能力培养上在情境教学中，采用基于CDIO的工程培养模式，选用传感器技术应用的真实案例，把知识与技能有机结合，围绕相关问题和能力开展训练，通过采用分组研讨，案例分析，启发引导等方式，培养学生的自主学习能力。学生根据已有的基础知识，进一步掌握传感器特性、结构和电路，并可以对知识进行总结归纳。再根据实际给出的案例，通过对传感器和相应测量电路选用，让学生获得本质的用典型地选用规律，提高学生分析问题和解决问题的能力，最后由学生自行设计实施，模拟完成测量系统的电路设计，仿真。在整个实践教学设计中，要求学生独立完成的常规实验，又设定相关自主实验，从而培养了学生独立思考的能力又加强学生的协作学习的能力。同时在本课程结束后，设置专业课程设计环节，通过实践设计、修改设计，实现设计进一步加强了探究性学习、培养了学生的合作意识，团队精神，实现学生素质提升。同时，建立动态更新的课程网站，搭建学生与教师之间交流平台，提供丰富工程应用和科研资源，开阔学生的专业知识面。

4　评价方式

目前，在课程目标达成度主要采用考核方式进行，评价多由平时成绩、作业成绩、实验成绩、期中考试、期末考试成绩多项合成的优化方案。其中，实验成绩占比30%。这种考核方式具有较强的操作性，但不能客观反映学生的学习情况，对课程教学大纲目标达成情况考查不够，不利于教学质量的提高。为了进一步完善课程达成度评价体系，主要从三方面进行评价。

（1）达成度评价主要依据课程“学习产出”，而学习产出评价直接反应课程教学大纲的目标要求是否达到。因此，首先在课程考核上加强题库建设，确保试卷考核能够针对教学大纲具有足够的覆盖度和区分度，实现试题与教学大纲的高度匹配［4］，根据试卷分析得出每一知识点的“学习产出”是否达标，并给出实际达到程度如应用、理解、达成、未达成等。其次，增加关于能力及素质达成度评价内容及标准，制定考核卡，根据具体考核内容给出评分标准如图2所示。体现学习过程的评价，反映集体合作结果，论据充分、逻辑清晰。

图2　单元任务考核卡

（2）改变过去一味以教科书与书本知识问答、套用公式计算等为主的书面作业形式，对课程知识进行延展，布置一些学科最新发展方面的题目，通过向学生公布与课程相关的技术期刊，与课程相关的国内外网站的网址，通过学习报告的方式判断学生自我学习的情况，即增加过程性评价。通过具体表现和作品呈现制定评价标准等级，最终形成学习过程的形成性评估［5］，图3所示为对知识点学习的评价。

图3　知识点学习评价

除此之外，通过间接评价方式，包括意见调查，访谈获取达成度结果，作为辅助参考方式得到课程达成度。最终明确是否“达成”。

（3）增加目标趋近度标准的构建。在学生个体课程目标达成度评估体系构建之后，重视另一种评价方式，目标趋近度标准构建，针对学生个体现状与过去进行比较，考虑学生的能力和基础，重视其努力和态度，这在基于CDIO的工程培养模式中，体现在学生以团体方式参与课程的积极性，体现在学生的自我评价中，让学生从评价中得到鼓励和鞭策，形成新的目标期望，这部分评价对学生自我素质提升尤其重要。课程评估表如图4所示。

图4　课程评估表

5　结束语

针对当前国内工程培养的问题，通过采用OBE工程教育模式，采用CDIO工程培养模式，系统化设计教学情境，从知识-能力-素质3个环节培养学生，提高学生的工程实践能力和工程素质，改革评价模式，让学生不再只为“分数”学习，全身心投入到传感器项目开发中去，从学习过程到学习产出全方位考核学生学习结果，让学生从自我评价、团队评价及教师评价中了解自己，提升自己，从而提高教学质量。

参考文献

［1］ 王章豹，吴娟.工科大学生工程素质现状调查及分析［J］.高等工程教育研究.2014（6）:105-111.

［2］ 顾佩华，胡文龙，林鹏.基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式:汕头大学的实践与探索［J］ 高等工程教育研究.2014（1）:27-37.

［3］ E.Marasco， L.Behjat， Integrating creativity into elementary electrical engineering education using CDIO and project-based learning， Microelectronic Systems Education （MSE）， 2013 IEEE International Conference on:44-47.

［4］ 薛斌，周冬香，熊振海.采用课程目标达成度开展基础化学教学评价的尝试［J］.科技创新导报.2011.（11）:113-114.

［5］ 包斌，吴文惠，张朝燕，王春晓 课程教学基础目标达成度评价体系的建立［J］.大学教育.2014（10）:53-55.

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

作者简介：徐小玲，硕士，讲师，主任。刘美，博士，教授，教务处副处长。

基金项目：2 0 1 4广东省高等教育教改项目（编号：GDJG20142405）；广东省高等教育教学研究和改革项目（编号：GDJG20141218）。