CDIO模式下的传感检测技术教改实践*

时间：2024-05-07

刘保军刘跃华

电子科技大学中山学院广东中山 528402

CDIO模式下的传感检测技术教改实践*

刘保军刘跃华

电子科技大学中山学院广东中山 528402

加强高校工科大学生综合素质的培养非常重要。介绍CDIO工程教育模式和传感检测技术课程的教改观念，构建多层次教学体系，在教学过程中从教学内容、教学方法、考核形式等多个方面进行卓有成效的实践。

CDIO；传感检测技术；教学改革

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工程教育模式与课程教学改革

自20世纪上半叶开始，世界各国的工程教育的内容和形式越来越稳定，科学理论和研究日益倍受重视，造成“科学型”工程师与工业企业需求之间的裂隙逐步加大的局面。伴随20世纪后期信息技术的飞速发展和对社会各方面的重大影响，工程技术人才的大量需求和全新要求对传统的工程教育模式提出强烈的挑战。2000年由麻省理工学院（MIT）等4所大学倡导的CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即“构思——设计——实现——运行”）工程教育理念成为信息化时代背景下应运而生的影响最广、各国参与高校最多的一种系统的先进教育思想[1-2]。

CDIO工程教育理念认为，应为学生提供基于产品开发周期的重视工程基础的工程教育环境。学生应该在学校、工业和社会环境下，按照一个产品或系统从基本构想、设计、研制实现直到实际运行的完整开发过程这种情境，学会解决问题，并完成特定的工程或项目[3]。CDIO大纲系统地描述了工程教育的主要要求，涵盖情境、教学大纲、课程设置、训练场地、学生能力、沟通能力、教师能力和计划评估等12项标准。显然，CDIO理念是一套全面的富于创新的工程教育思想[4-5]。

我国高校毕业生与社会和用人企业的需求目前仍存在较大的差距，主要的反映有：学生解决问题能力差，工程实践应用能力欠缺，创新意识不强，缺乏团队合作意识和能力。而这些问题恰好反映出传统的工程教育模式的问题，即片面重视学生理论基础的培养，轻视实验和实践环节，课程设计和毕业设计环节不断被弱化，忽视学生的工程实践等。

为改变传感检测技术课程的教学现状，恰当地引入CDIO工程教育模式，以理论培养为基础，以工程应用为目标，重点培养学生的工程应用能力，激发其创新思维，锻炼其团队合作精神，从教学观念、体系、手段和方法、考核形式等多方面、多层次地进行教学改革实践。

2 构思CDIO模式下的教学观念

要保证教学改革得到顺利实施，取得良好的效果，首先要树立CDIO模式下的教学观念。

CDIO教学大纲认为，应该注重从4个方面培养工科学生：注重工科学生的专业基础理论和技术发展方向知识，培养其工程能力、问题解决能力和专业素养，提高其沟通交流水平和团队协作能力，在具体的社会和商业的情境下按照Conceive-Design-Implement-Operate生命周期系统性地、逐个环节完成工程项目和产品开发[6-7]。CDIO培养能力大纲如图1所示。

图1 CDIO培养能力大纲

基于CDIO能力培养大纲，传感检测技术课程的教学改革观念应该着眼于3个方面：1）修改教学大纲的内容，制定更合理的理论和实验教学内容，明确基于CDIO理念的3级实验项目、课程综合设计和创新设计及其重要性，以做到教、学、做三结合；2）要求学生按产品生命周期（构思——设计——实现——运行）完成设计项目，以增强学生的问题解决能力、工程应用能力和团队合作精神，即将CDIO的思想精髓传递给学生；3）完善课程考核和反馈机制，加强过程监控，以更好地贯彻CDIO工程教育理念。

显然，CDIO的教学理念很好地满足了教学改革的需求。实施过程中，教师应作为教学改革的主导者；学生应有独立思考的时间，以团队/小组的形式完成特定的设计项目或自我构思的作品，获取接近真实企业情境和需求的工程教育经历，训练创新思维和团队合作精神，成为符合现代企业和社会环境需求的工程师。

图2 基于CDIO的教学体系层次模型图

3 设计CDIO模式下的教学体系

传感检测技术课程以理论为基础，侧重工程应用和实践，因此需要设计一套贯彻CDIO工程教育理念的比较合理的教学体系[8]。图2为新教学体系的层次模型图。

3.1 理论教学注重按CDIO模式剖析项目案例

扎实而新颖的理论知识是对新世纪大学生的基本要求。为此，对理论教学内容进行去粗取精，删减过时而冗余的知识，新增智能传感器及虚拟仪器技术等内容，加强讲解传感器典型应用方法，分析具体的工程项目设计案例，从方案构思、系统设计、传感器选型、系统调试和测试运行等逐个环节认真剖析，使学生首先正向理解CDIO的开发过程。

3.2 实验教学增强符合CDIO的设计性内容

对传统的实验项目合理加以改进，加强设计性内容，并增加实验内容的综合性，在实验室环境下按CDIO理念进行实验性训练，既强化学生对理论知识的理解，提高实验自身的工程实用性和训练目标，又有利于提高学生的兴趣与问题解决能力。

3.3 课外创新活动强化CDIO训练

要求学生组成课外兴趣实践小组（一般为3～5人）进行课外创新活动，旨在提高学生在社会化环境中的问题发现能力和问题解决能力，进一步按CDIO理念进行项目开发训练，增强工程能力。

3.4 综合性的CDIO二级设计项目

二级设计项目综合一组相关联的课程群，以培养相关联知识的综合应用能力为目的。二级项目选题可设计为由传感检测技术引领的一组电类相关课程群的知识综合运用题目，如光电报警系统设计、电子秤设计、自动寻迹小车设计等，难度应介于传统的课程设计与毕业设计之间，通常由3～5人组成项目小组来完成。这类题目需综合应用模拟电路、数字逻辑电路和传感检测技术等知识，可以很好地激发其开发和制作热情，锻炼学生的知识融合能力，挖掘和培养其工程潜力。

这样的教学体系设计符合学生的学习习惯，具有如下优点：先理论后实践，有利于得到较好的设计实验效果，并强化“实践离不开理论指导”的思想；复杂程度逐步增加，有利于实践成功，信心得以建立和增强，从中享受自我实现的乐趣，而CDIO理念也得以逐步训练和树立；随着知识综合能力要求的提高，学生的工程能力得以充分地挖掘和提升，同时通过不同规模的小组形式，学生的交流沟通技巧和团队合作能力都会有较好的锻炼；兴趣实践活动有意安排为课外形式，不仅有利于学生有效利用课余时间进行科技活动和人际交流，更利于培养学生的主动性、社会责任感和专业态度，而这也是CDIO工程教育大纲所指出的内容；采用统一的综合设计题目，要求学生严格按照“构思——设计——实现——运行”这一产品开发生命周期完成项目，能力得到全面的提升。在整个过程中，CDIO理念可以得到循序地良好培养和认同，工程应用能力将得到逐步提高和增强。

4 实现和运行CDIO模式下的教学改革

遵照新教学体系的层次模型，课程教学实践中认真实施，使各教学环节与CDIO大纲的能力培养目标互相呼应，其对应关系如图2所示。

4.1 理论教学突出重点和案例CDIO剖析

按照CDIO大纲，理论教学针对某类或某种原理的传感器，突出其理论主线，使学生能够“知其所以然”；注重传感器的结构特性、检测电路的设计与实践应用，做到“知其然”和“明其用”；安排具体的工程项目案例，依照CDIO产品周期进行剖析性讲解，达到示范合理选用和运用传感器的目的。例如，在磁性传感器理论、特性和应用知识讲解后，以“霍尔传感器在车辆测速中的应用”项目开发为例进行分析。虽然这样的案例教学是以讲解分析和课堂研讨的形式进行，但其环节完整而且密切相连，完全符合CDIO过程教育理念。

同时，理论课程教学增加启发性问题，对学生的回答及时给予合理的评价和引导；引入适当的小组讨论，增强学生的知识交流和沟通能力，培养其表述问题和见解的能力，提高学生的学习主动性。

4.2 三级实验项目强调CDIO过程练习

为了使三级实验项目有别于传统的验证性实验，将实验内容改进成为富有具体测量对象和目的设计性的实验项目。为获得有意义的测量结果，学生都会提前预习和准备方案，精心做实验。例如将“金属应变片电桥性能实验”改进为“测重电子秤的设计”实验，要求学生先构思（Conceive）自己的设计方案，设计（Design）检测电路，并利用面包板实现（Implement）电路并完成标定，最后将系统投入运行（Operate），在不同的条件下完成称重目的（如手机、MP3等的重量）。这样的实验不同于传统电桥实验之处在于，必须自己搭建电路和进行标定工作，因而设计性因素大大增加。由于要考虑方案的合理性、电桥测量电路设计、调零电路和放大电路设计、器件参数计算与选择、系统标定等一系列问题，学生通常会有各种方案和设计，教师应适时指导，加以引导，增强学生的信心，提高其问题分析和解决能力。

4.3 课外创新活动注重增强学生主动性

课外创新活动是整个课程教学改革中实施难度最大的环节。教师需要采取策略性的引导，克服学生的畏难心理，加强学生对课外实践与课程学习互动效应认识，并指出课外实践活动以可行性和探索性为原则，目的在于激发创造力，提高观察和动手能力。同时，提供开放实验条件、合理引导选题方向和难度、加强创新制作过程中的定期辅导等，也是促进大学生课外实践活动开展的重要保证。

经过近年来的探索，该课程的学生课外创新实践制作活动呈现出良好的发展态势。例如，07级160名学生中近60%的学生参加了课外创新实践活动，应用红外、光敏、气敏、温度等多种类型传感器，选题包括“红外家电遥控器”“路灯自动控制装置”“寻光机器人”“防盗报警器”“数字温度采集系统”等，实现从课堂理论到课外实践的提升，增强学生的主动性、工程能力、创新意识和专业精神，培养了工程应用能力。

4.4 二级设计项目注意选题融合相关学科知识

考虑传感器与电路各课程之间的关系，结合自动化专业的特点，二级设计项目环节选取“多路光电报警系统设计”作为设计题目。设计既要求选用性能和结构合适的典型红外传感器型号，又要进行滤波器设计和运算放大器设计知识，以及考虑数字逻辑电路的设计和芯片选用，并使用EDA软件进行电路设计和仿真。项目开始后，教师首先引导学生进行系统级的构思，选取系统组成方案并评定其可行性；之后进入设计环节，细化各组成部分的电路设计、元件设计和参数选定，并进行仿真运行直至仿真结果正确合理；系统实现阶段，主要进行元件选取、电路板制作和焊接等，实现所要求的基本功能；而在系统的运作阶段，主要发现系统存在的问题并加以解决。经过完整的CDIO产品周期，学生能够较好地掌握项目设计的各环节要求，为未来的工作实践奠定良好的基础。

4.5 改进考核方法，注重综合能力

CDIO大纲包含教学的评价过程，不仅重视培养学生的工程应用能力，而且强调树立其专业意识和团队合作能力，因此在课程的教学过程中需要设计信息反馈表格，倾听学生反馈的各种意见和建议，并关注学生的上述能力是否有较明显的提高。课程考核比例相应调整，各考核项目及比例如表1所示。

学生在整个学习过程中可以保持良好的学习状态，做到理论和实践并重，工程应用能力、创新意识和团队精神逐步得到加强，更有利于成为具备现代“工程师”素质的大学毕业生。

5 结语

按照CDIO模式进行的传感检测技术教改实践表明，这样的教学更利于学生各种能力的综合培养，也更适应现代高等工程教育的发展趋势和要求，更符合高等教育的规律。实施CDIO模式下的工程教育改革，受到学生的支持和欢迎，其工程应用能力得以有效培养和发掘，创新思维、人际交流沟通能力和团队合作精神也相应得到训练和提高，学生评教显著提高至优秀行列。事实说明，CDIO模式下的传感检测技术课程的教学改革实践取得良好成效。

表1 传感检测技术课程的各项目考核比例

[1]郝智秀,等.基于CDIO的低年级学生工程能力培养探索:机械基础实践教学案例[J].高等工程教育研究,2009(5):36-40

[2]张慧平,等.基于CDIO教育理念的自动化课程的改革与实践[J].电气电子教学学报,2009(S2):138-141

[3]顾学雍.联结理论与实践的CDIO:清华大学创新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究,2009(1):11-23

[4]Crawley E F, et al. Rethinking Engineering Education: The CDIO Approach[M].New York: Springer,2007:3,32,109

[5]Crawley E F. Creating the CDIO Syllabus, a Universal Template for Engineering Education[R].32nd ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference,2002

[6]Crawley E F,查建中,Malmqvist J, Brodeur D R.工程教育的环境[J].高等工程教育研究,2008(4):13-21

[7]胡雄心,姚远,高红俐.CDIO模式下模电授课模式的探讨[J].电气电子教学学报,2008,30(4):106-108

[8]顾佩华,沈民奋,李升平.从CDIO到EIP-CDIO:汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究,2008(1):12-20

Practice of Teaching Reform of Course Sensor and Detection Technique based on CDIO Model

Liu Baojun, Liu Yuehua

G642.0