工程教育理念在“传感器与检测技术”实践教学中的探索与研究

黄璞 黎会鹏

摘要：文章在分析“传感器与检测技术”课程教学特点的基础上，以理论联系实际为目的，将实践教学与国际工程教育改革的最新成果CDIO相结合，从学生能力培养、课堂教学内容、导师教学方式、学业考核方式进行了系统性的验证和尝试。结果表明，能促进学生开展自主性学习，有效提高学生的工程素养和技术应用能力，取得了较好的效果。

关键词：传感器技术；CDIO；工程教育；工程素养

在近年高等教育规模不断扩大、教育资源建设和投入逐年增加的情况下，专业教育质量和行业素质培养却出现下滑趋势，全世界范围内工程技术人员匮乏的现象日益突出，主要是各大专院校培养的人才与社会或专业领域的工作需求衔接脱轨，成为制约我国科学技术创新和工业智能化进步的重要因素，同时，毕业的本科学生普遍缺乏工程项目团队合作意识，难以融入就业企业的文化。如何培养既能全面运用所学的技术理论和技术手段，又具备工程意识和项目团队合作精神的全面型技术人员，是全国高等院校，特别是工程相关的工科专业面临的重要难题，工程概念中，CDIO代表构思（C）、设计（D）、实现（I）和运作（O），它以产品研发、设计、产品定型、产品运行的整个生命周期为载体，让学生以主动方式与课程之间有机联系的学习工程。CDIO培养规划将毕业生的能力分为工程基础知识应用、个人能力培养、人际团队协作能力和工程系统执行能力4个层面，引入先进的工程教育理念，为广大院校解决工程技术人才培养计划指明了发展道路。

随着人类科学技术的进步和信息工业化、智能化的迅猛发展，各种外在信息的检测、数据采集和转换的核心功能器件——传感器，成为各个自动检测与控制系统中必不可少的重要器件[1]。传感器与检测技术集成了电子技术、机械工程、光电转换、电磁感应等综合知识，且与科研和生产实践联系紧密。因此，需要在教学工作中，对该课程的教学内容、教学方法进行长期的探索实践，提高教学效率和学生综合能力应用水平。

1 “传感器与检测技术”教学模式现状

通过考察和反馈资料，目前“传感器与检测技术”课程教学中主要存在如下問题。

（1）课程不注重理论与工业实际的联系，授课内容很少涉及工程应用概念和工程实现技术，学习者通过课堂只学到专业基本理论知识，无法有效掌握工程概念和技术应用场合。

（2）只注重单元检测电路讲解，不注重系统框架的讲解，致使学习者只是孤立地学习单元电路原理知识，不注重复杂系统到单元电路功能的划分，而不清楚这些单元电路在检测和控制系统中的地位和运用方法，致使学习者见到复杂一点的电路就无从分析。

（3）授课内容不能与时俱进，检测技术的发展日新月异，各种新型传感器和检测手段不断涌现，受教材和人才培养大纲的限制，致使知识能力的培养和现实应用技术需求不适应。

（4）课程实验设置覆盖面小，各种验证性实验偏多，综合性、创新设计性实验偏少，学生综合知识应用能力和工程创新能力难以得到有效的提高。

2 基于CDIO的综合课程设计环节实践

“传感器与检测技术”是自动化技术、电气工程、机电一体化技术、测控技术与仪器、仪器仪表类专业的必修的专业课程，以传感检测器件为对象，重点讲述灵活运用传感器、将获得测量数据应用于工程实际。通过综合课程的学习，使学生了解各种传感器的工作原理，掌握其特性，学会根据实用要求选用传感器，掌握建立基本检测系统框架的原则与方法，并初步具有设计检测电路、控制系统的能力[2]。现以本课程为例，对基于CDIO课程设计的教学措施进行展开。

2.1教学方法的改革

（1）建立系统的概念，采取至上而下的方式进行教学内容的组织，选取典型的超声波应用电路为例，介绍系统框图，让学习者对超声波探头结构、超声波发射电路、信号振荡电路、功率放大电路及电源电路建立起初步的认识，要实现该系统，必须清楚系统各单元的相关知识，内容会在后续教学中逐步介绍，激发起学习者的热情。

（2）增强学生的工程设计理念，形成初步的概念，不仅要着重进行理论知识的讲解，还要突出工程实践概念，将科研或产品设计中经常遇到的工程问题，如信号干扰问题纳入讲课内容，使学生在学习中接受工程概念的熏陶，寻找实践操作中的问题解决方案。

（3）为了加深学生对工程技术的理解，提高学生的工程技术应用能力，教学实践以日常生活中所见的传感器和各种控制功能为对象，结合工程项目考核的标准，设计了与课程知识相配套的实践项目。设计的教学实践项目如下所示。

项目1：水箱水位控制器的制作（设计背景：高楼水箱供水方法。知识点：压力、超声波、阻抗）。

项目2：简易金属探测仪的制作（设计背景：安全检查。知识点：涡流、磁场）。

项目3：简单路灯控制器的制作（设计背景：路灯自动控制。知识点：光敏）。

项目4：商场自动门控设备的制作（设计背景：公共场所自动感应门的控制设计。知识点：压电、热释电、超声波）。

项目5：自动烘干机的制作（设计背景：洗手间的烘手机系统设计。知识点：光电检测）。

设计的综合教学实践项目涉及传感器检测技术、电子器件技术、电子工艺技术、机械基础等知识。通过实施教学项目巩固学过的知识和技能。

（4）改革传统的课堂讲授为主的教学模式，对于器件基本原理、基本设计电路的分析采用板书教学，有利于学生的理解和掌握，对于微弱信号传导、信号波形变换、信号图形图像、各种复杂理论的讲解，采取多媒体教学，充分发挥多媒体生动直观的特点，既降低黑板绘制的难度，节省教学板书时间，又达到了良好的教学目的[3]。

（5） CDIO工程教学模式的第一个环节（关键环节）就是先构思，提出问题让学生思考，自己查找资料，通过自我学习解决实验教学内容。

（6）为了培养学生的工程素养、掌握解决工程实际问题的能力，除了平时课后习题、课堂作业和实验报告的巩固，更增加了工程技术相关的分析、设计题。通过结合工程背景，完成实际工程技术相关的分析、设计，加深对所学知识的理解，注重知识的连贯性，提高学生分析问题和解决工程实践问题的能力阳。

2.2课程实践环节的改革

（1）改革实践教学方式，提高工程实践能力。受传统教学方式影响，传感器实验大多采取实验箱完成，学生只需要按照面板接线端口指示，用导线连接端口，测试电路的输入和输出来验证所学的知识。这种实验无助于激发学生的创新意识和提高动手能力，也不利于工程能力培养。所以，增加综合实验教学环节，通过实例，让学生自主设计、制作和调试电路，遵循工程实践准则，提高学生工程实践能力。

（2）借助电子设计自动化（Electronics DesignAutomation，EDA）技术，促进实践教学手段改革。电路设计中充分发挥EDA工具软件的作用，前期进行实验仿真验证，结果正确后再进行实际实验。培养了学生的对各种EDA工具的使用能力，帮助学生前期验证电路，高效完成设计任务。

（3）实践教学的方法改革，提供工程技术综合能力和团队协作能力。采用项目教学法，通过实施与课程教学相关的实践项目来更好地达到教学目标，培养学生创造能力和解决实际问题的综合能力，其目的是通过项目实施来实现知识到能力的桥梁。开展开放性实验教学，引入适当的团队项目小组讨论，不仅可以全面提高工程技术应用能力，又提高了学生的团队意识[5]。

3 实践环节的考核模式

选取适当好的实践项目能够有效激发学生的学习兴趣，调动学生的自主学习思维，加强实践动手技能的培养，教学项目的选取和设计是项目式教学法开展的基础，也是难点。工作开展也应当按照工程人才培养模式进行，项目在开展时，每一步的过程是未来工作岗位中实施工作任务的缩影。设计的成果应该有很强的感官特性，避免演示性的成果[6-7]。

3.1设计报告要求

基于应用系统的设计要求，构思系统的整体方案（C）；设计项目的硬件电路，分析电路的特点并用Multisim软件进行仿真（D）：硬件电路PCB制作、元器件焊接和功能模块组装（I）；应用系统调试和功能测试报告（O）[8-9]。

（1）应用系统的电路原理图。

（2）设计系统的仿真结果。

（3）测试指标及报告。

3.2考核方式

根据设计和调试过程写出报告，有详细的方案设计、电路设计与仿真、焊接调试过程、数据记录、结果分析和体会，考核分值如表1所示。

4 结语

“传感器与检测技术”是理论知识与实践紧密联系的一门课程，课程最重要的任务是要将其应用到实践中去，为后续的课程坐好铺垫。通过引入CDIO教育模式，实践教学采取半开放性形式进行。在实际教学过程中，能较好调动学生的积极性，学生自主学习、团队协作和职业技能都得到了较大的提高。

[参考文献]

[1]陈炜峰传感器与检测技术课程改革的实践[世界华商经济年鉴（高校教育研究），2008 （12）：137.

[2]王根平，易靈芝，吴志敏，等基于CDIO的《检测与传感器原理》课程设计研究与实践[J].计量与测试技术，2011 （1）：17-18

[3]谢楠.CDIO项目教学法在单片机课程中的应用[J].浙江水利水电专科学校学报，2013 （1）：89-91_

[4]王天宝，程卫东，基于CDIO的创新型工程人才培养模式研究与实践[J].高等工程教育研究，2叭0 （1）：25-31.

[5]郭剑，陈燕灵，鲍洪刚，关于校级实验教学质量评价体系的思考[J].实验科学与技术，2010 （4）：126-128.

[6]卢森幸，邹清平‘传感器原理与检测技术教学改革探索[J].中国电力教育，2013 （1）：108-109.

[7]黄天辰，冯长江，黄兴智，等虚拟仪器实验室建设研究[J].华北航天工业学院学报，2006 （7）：18-20.

[8]陆小华，熊光晶，陈珠琳，以设计为导向的工程教育改革理念[J].高等工程教育研究，2008 （8）：25-20.

[9]孙慧平，余丽萍，柯春松，等基于工作过程的课程设置研究与实践[J].教育与职业，2007 （36）：27-30.