基于OBE教育理念的传感器课程教学改革

戴 蓉 韩 雪 陈国良

武汉理工大学 湖北武汉 430070

传感器原理及应用是测控技术与仪器、机电工程、电子信息工程等专业的重要专业课程，对传感器原理与技术的熟练掌握应用是测控及相关专业工程技术人员必须具备的专业能力与素养。长期以来，武汉理工大学“传感器原理及应用”课程教学组教师积极开展课程建设和教学改革，特别是2014～2016年期间，课程组结合本专业开展的工程教育专业认证工作，深刻领会专业认证产出导向(Outcome Based Education，简写为OBE)的教育理念，在本专业率先开展了基于OBE理念的课程改革，取得了显著教学成果。课程2015年被评为校级精品资源共享课程，1名教师获评校级精品课程教学名师，出版了教材《传感器原理与工程应用》(电子工业出版社)。课程组连续4年获得武汉理工大学课程教学内容方法改革项目立项，主讲课程教师连续三年获得学校“优质优酬”课程奖励。

1 基于OBE理念的课程目标—产出评价体系设计

以学生为中心、以产出为导向的OBE教育理念是工程教育专业认证的核心理念。落实到人才培养，则是要求高校各专业科学制定人才培养目标以及能支撑培养目标达成的毕业要求(即学生毕业时应达到的知识、能力、素质要求)，建立能支持各项毕业要求达成的课程体系，明确每门课程、每个实践环节所支持的毕业要求考查点以及支持的力度(贡献大小)，进而导入到课程计划之中，明确各门课程教学目标，规划相应的教学活动，并实时对学习产出进行评价，不断调整和改进教学[1,2]。基于OBE的课程教学过程如图1所示。

课程组基于本专业的人才培养目标、毕业要求，结合课程在测控专业知识体系和能力培养中的作用，以“重基础、强能力”为原则，克服原来只重知识传授、忽视能力培养的弊病，强调培养学生对知识的综合应用与设计能力，修订课程教学目标如下：

目标1：理解传感器的基本概念、基本构成及其主要性能要求；掌握传感器的静态、动态特性分析方法，并能应用于具体传感器建模、分析、选用和标定中。

目标2：掌握电阻应变式、电容式、电感式、压电式、光电式、热电式传感器的工作原理、结构及分类、基本性能参数、误差补偿、测量电路等知识，能合理选用或设计传感器构成检测系统。

目标3：能够根据应用条件进行下列传感器的分析计算：电阻应变传感器、电容传感器、自感式传感器、压电式传感器、热电偶。

目标4：基于讲授的传感器知识，掌握至少两种力、力矩、位移、压力、加速度、转速等物理量的测量方法、传感器以及系统构成，能够综合考虑各种因素，正确设计或合理选用传感器组成测试系统，以解决复杂测控系统的工程问题。

图1　基于OBE的课程教学过程

上述课程教学目标对知识、能力均提出了明确、具体、可衡量的要求，通过建立各个教学目标与课程教学内容的关系矩阵(见表1)，以及围绕教学目标达成所开展的教学活动支撑力度系数矩阵(见表2)，对学生在相应教学环节的达成度进行评价，则课程各项目标达成情况由式(1)计算：

表1　教学内容—课程目标关系矩阵

表2　教学环节支撑教学目标的权重系数表

根据上述方法计算达成度数值，同时结合每学期任课教师对学生开展课程教学质量访谈、课程网络问卷调查等多个渠道获得教学反馈意见，对达成度低的指标分析原因，找出问题，指导教师在后续教学内容、方法等各方面持续改进。

以2016～2017学期测控1403班课程目标达成度评价为例。评价项目包括学生平时成绩(含作业、网上自测、课堂和课程网络平台互动)、分组主题研究报告成绩、实验成绩、期末考试成绩四项内容，前三项以班级平均成绩统计；试卷则根据表1分类统计。例如，本次期末试卷中与课程目标1相关的考核内容包括第一题单项选择题第3小题，第二题判断题第1，2小题，第三题简答题第1，2小题，第四题计算题第2小题，满分共计26分，学生平均得分19.6，同样计算出与其他3项课程目标相关的成绩。各项分类统计完成后，根据表2权重系数，运用公式(1)即可计算出各项教学目标达成度值依次为0.79，0.80，0.78，0.73，表明该班学生较好地达成了各项教学目标。通过与2012，2013级评价结果的纵向比较可知，在2013，2014级开展案例式、研究式教学活动，以及新增设计综合型实验项目后，第4项目标达成度得到了0.08点的提升，表明学生在知识的综合应用和分析问题能力方面得到加强，但鉴于第4项目标低于其他3项，因此仍需在教学、实践内容和方法等方面采取针对性改进措施。

2 重构和更新教学内容　强化知识的融合和应用

课程组通过调查发现，国内对传感器课程教学普遍存在重基础、轻实践的弊病，在教学内容组织上，传感器基础知识讲得多，应用讲得少，阻碍了课程目标的达成。

根据传感器课程在测控专业基础性的地位和工程实践性强的特点，课程组遵循由浅入深、循序渐进的认知规律，打破国内外同类课程的讲授套路，创造性地将课程每章内容分为A、B两部分。A部分为传感器基本内容，包括工作原理、分类、基本结构、特性参数、转换电路等，涵盖了电阻应变式、电感式、电容式、压电、光电、温度传感器等常用传感器；B部分以力、力矩、压力、位移、尺寸、加速度、转速等常见工程量测量为目标，探讨运用不同种类的传感器实现该工程量测量的原理、方法、系统、特点等。B部分的内容既是对A部分内容在应用层面上的加深，也是在应用方法上的扩展。例如，在电感式传感器这章，A部分的内容是各种基本形式电感传感器的结构、原理、特性、测量电路的详细讲解，B部分则针对线位移/尺寸的测量，介绍实现线位移/尺寸测量的常用方法、常用传感器及测量系统。授课中主要针对本章A部分介绍的电感式位移/尺寸测量传感器进行重点讲解分析，其他种类的位移/尺寸传感器内容则通过课程网络教学平台，布置学生课外学习、网上考核。

重构后的教学内容既保证了知识的系统性和完整性，方便学生对传感器基础知识的理解掌握，同时加强了知识的融合和应用，使知识的传授、学生工程应用能力提高并举、并重。

四届学生的教学反馈意见表明：课程内容改革效果良好，编写出版的教材《传感器原理与工程应用》(电子工业出版社，2015年)也获得国内四十几所高校的好评并用作课程教材或参考教材。

3 围绕学生能力培养　优化课程实践教学体系和内容

围绕学生基础实践能力、工程设计能力、创新能力的培养，建设了由基础实验、系统级实验、产学研实验、课程设计、创新实践5个层次构成的具系统性、开放性特征的实践教学体系，增加综合设计型实验项目，为课程目标的达成提供有力保障。

基础实验由传感器课内验证性和简单综合性实验组成，以巩固学生课程知识、培养基本技能为主要目的。系统级实验提供课程讲授的常见物理量的自动检测与控制系统实验，涉及本课程及相关多门专业课程知识的综合应用，帮助学生建立测控系统概念，培养学生对测控系统的集成和应用能力。产学研实验是将教师的科研成果转化为实验，提供特色化、工程化实践训练，培养学生的工程思维能力。课程设计是指与传感器课程配套的传感器原理及应用课程设计，以项目的方式，组织学生完成传感器的设计、仿真、制作任务，培养其设计动手能力和专业素养，启迪创新意识。创新实践主要基于本专业每年一届举办的院级赛事“测控技术与仪器创意设计大赛”、毕业设计以及其他各类科技创新、学科竞赛活动，激发学生的创新精神和创新能力，培养其解决复杂工程问题的能力[3]。

随着实践教学体系改革和实验条件的改善，学生专业实践兴趣和能力显著提高。近三年，本专业学生在“虚拟仪器大赛”“传感器创新设计大赛”“节能减排大赛”等大学生科技竞赛活动中获得各类奖项二十几项，学生科技创新实践能力显著增强。

4 加强课程资源数字化建设　改革教学方法和手段

课程组一直非常重视教学方法改革和课程网络教学资源建设，充分利用课程网络教学平台丰富的教学资源，开展线上、线下混合式教学，拓展教学的时间和空间。在课堂教学中运用启发式、案例式、专题研讨式等多种教学方法，将典型工程应用案例穿插于知识分析讲解中，提高学生对知识的综合应用能力，使学生掌握创新思维方法，培养学生的工程师素养。

持续不断的课程教学方法、考核方式的改进，使本课程主讲教师连续四年获得武汉理工大学课程教学内容方法改革项目立项，连续三年获得校“优质优酬”奖励。本课程网站自2015年运行以来，历经两届学生370人使用，访问量超过2万，获得了良好的使用效果。

5 结语

基于工程教育专业认证OBE理念建立了课程教学目标达成度闭环评价体系，开展了传感器课程教学目标达成度的评价。基于评价数据、课程教学质量问卷调查、座谈的结果有针对性地对课程教学内容进行了更新和重组，建设和强化了实践教学体系，改善了实验条件；通过多种教学方法和手段的恰当运用，使教学效果得到持续提高。通过对测控2012，2013，2014级学生的教学目标达成度评价结果对比分析，表明课程改革后，学生在知识的综合应用能力、分析解决问题能力、动手实践和设计能力方面均得到提高。