基于CDIO理念的传感器与检测技术实践教学改革探索

邱忠超 蔡建羡 姚振静 李立新 于瑞红

[摘 要]针对传感器与检测技术课程实践教学模式改革问题，文章基于CDIO工程教育理念分析了目前课程实践教学中存在的不足之处，提出了基于CDIO理念的传感器与检测技术教学新模式，通过设计项目构思、项目方案设计和具体化、产品实现和制作、产品运行和完善四部分，说明CDIO理念在项目中的实施过程，最后提出项目评价与考核方法。

[关键词]传感器与检测技术; CDIO;教学模式;实践教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）02-0083-03

传感器与检测技术是一门内容比较分散，但实践性非常强的重要专业课程。它涉及物理、电子、机械、生物、化学等众多学科知识，主要内容包括传感器技术基础、力传感器、温度传感器、位移/物位传感器、光电传感器、新型传感器等，非常注重工程应用实际情况，與传感器材料工艺密切相关。另外，检测系统除涉及传感器相关知识外，还涉及自动控制原理、计算机的相关知识[1]。通过对传感器与检测技术的系统学习，学生不仅需要理解、掌握各类传感器的基本工作原理，还要能合理选择和使用传感器，这样才能培养学生搭建检测系统的综合能力。然而，目前该课程教学内容过于注重讲解基础理论，对传感器在具体工程中的应用讲解较少，导致学生基础理论知识掌握得较好，但解决实际工程问题的能力较差。因此，对传感器与检测技术进行实践教学改革非常有必要[2]。

随着我国科技的飞速发展，社会对大学生的实践能力要求逐步提高。高校在教授学生理论知识的同时，也应加强对学生动手能力、工程实践能力的培养，以适应社会的发展。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）。CDIO贯穿产品从构思到运行的整个生命周期，让学生以主动的、实践的、课程之间相互联系的方式学习，重点培养学生掌握专业基础知识和工程理论，将教学过程嵌入工程实践领域的具体情境中[3]。

一、教学现状与教改方向

目前防灾科技学院电子科学与控制工程学院开设的传感器与检测技术课程共48学时，其中理论教学32学时，实验教学16学时。理论教学主要讲解传感器基础知识，并结合电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、光电式等传感器介绍其工作原理、测量电路等相关专业知识。

传感器与检测技术实验采用ZGL-XS-01 型传感器实验仪，按照“传授基础知识—培养综合能力—培养创新能力”的思路，由易到难，依次实施验证性实验、综合性实验和设计性实验。但在目前的具体实践教学中，还是以教师的教为主导，即先由教师讲解实验原理、实验步骤、注意事项等内容，由教师从头至尾将实验演示一遍后再让学生完全照做一遍。设计性实验的情况稍好一些，实验演示取消，但教师往往会有明显的实验提示，这就导致设计方案全班基本一致，结果是大部分学生只知道实验怎么做，但不明白为什么要这样做，只知其然不知其所以然，最终使得提升学生的创新能力、解决工程问题能力和提高团队合作精神的目标遥不可及[4]。

目前传感器与检测技术教学存在如下不足之处。

1.教学内容过于陈旧，章节内容相对独立，工程实例较少

课程内容比较分散，各章节内容是独立的，章节之间缺乏连续性;教学内容侧重各类传感器原理及其测控电路的讲解，应用实例较少涉及。另外，教学内容过于陈旧，新型传感器较少涉及，教材不能反映最新的科技发展水平，这严重影响了学生学习的主动性和积极性[5]。

2.教学方法太单一， 难以实现知识、能力和素质的全方位培养

课堂教学采取“满堂灌”的方式，以教师为中心，忽视了教师的个性化指导，学生被动地接受知识，学习的自主性和积极性比较低，这导致学生解决实际工程问题的能力和团队协作能力难以提高。同时，由于学生的知识基础与学习能力之间存在差异，教师要采用多样的教学方法和教学手段才能真正实现学生知识、能力和素质的全方位培养。

3.实验装置集成化、模块化，制约学生创新能力的培养

实验课使用的实验装置都是由专业的教学仪器公司研制的，由于实验装置高度集成化和模块化，导致实验资源相对固化，学生学习的自主性与积极性降低，只能按照实验指导书按部就班地去完成具体实验，这严重制约了学生实践能力和创新能力的提升。

二、基于CDIO理念的传感器与检测技术实践教学新模式

CDIO理念是由瑞典皇家工学院、麻省理工学院等国际著名高校联合创立的，它代表了目前国际教育的最新成果[6]。CDIO理念贯穿产品从构思到运行的整个生命周期，让学生以主动的、实践的、课程之间相互联系的方式进行学习，重点培养学生掌握扎实的专业基础知识，让学生具备较强的专业技能和素养[7]。基于此，项目组构建了基于CDIO理念的传感器与检测技术实验教学新模式，如图1所示。

基于CDIO理念的传感器与检测技术课程实践教学新模式以具体工程实践项目为牵引，以工程案例教学为手段，以学生能力提升为最终目标，将物联网、大数据、人工智能等新技术融入工程实践教学，通过小组讨论、翻转课堂和自主实验等方式，实现知识、能力与素质教育的一体化培养。

基于CDIO理念要求，项目组对课程的知识、能力与素质一体化培养的教学体系进行了重新设计。教学新模式包括知识模块、能力模块与素质模块三部分，具体内容如下。1.知识模块将课程的授课内容分为基础知识、核心知识和高级知识三部分。2.能力模块重点培养学生解决实际工程问题的能力与团队协作能力等;通过典型案例，让学生学会分析、掌握具体工程问题，建立工程问题理论模型，并提出解决问题的具体方案;让学生通过查阅大量相关文献资料，提出假设并进行实验探索与验证。此过程可以培养学生大工程观系统思维能力以及团队协作能力。3.素质模块是通过传感器从构思到运行的整个过程来培养学生的大工程视野和职业道德，进而提高学生的综合素质。

此外，互联网技术的普及拓宽了学生的眼界和快速获取信息的渠道，但信息的娱乐化、碎片化导致学生缺乏深度学习与思考。基于CDIO理念，项目组以促进学生深度学习与思考来开展课程改革，主要包括主动学习和一体化学习两种教学方式。其中，主动学习采用融合 “自下而上”和“自上而下”的教学方式，通过工程项目、实际案例等方式开展“自下而上”的教学，促进学生在“做中学”，从而提高学生学习的自主性，培养学生的创新能力。同时，结合“自上而下”的教师剖析和知识串联，学生能更加深刻地理解、掌握专业知识。一体化学习是以具体产品为实验对象，将工程实践问题与教学实践相结合，采用小组讨论的方式引导学生分析具体工程问题，提出解决实践问题的具体方案，同时要求学生利用各种辅助方法和工程技术主动解决遇到的实际问题，进而培养学生工程问题的解决能力。

三、CDIO项目教学法在传感器与检测技术课程中的应用

（一）CDIO理念在传感器与检测技术中的实施步骤

1.设计项目构思

基于CDIO理念要开展的项目应满足以下条件：选用传感器应具有典型性;项目难度应适中;项目应适合于以小组形式开展;设计过程中能够使用相关课程群的知识和技能，同时实践项目应遵循实用性、教育性和科学性等原则。高质量的工程实践项目是CDIO理念实践教学成功实施的先决条件。项目设计应以教学大纲为依据，体现课程内容的核心知识点，因此要合理地选择实践项目内容，准确把握项目难易程度，使学生能够通过项目训练，系统全面地掌握与传感器相关的专业知识。项目设计要围绕一个总目标，根据教学计划分层次、分阶段依次进行，同时要结合工程实际，尽可能地贴近日常生活，以提高学生的学习兴趣和主动性。项目组以教学内容为依据，围绕一些常用非电量（包括压力、温度、位移或厚度、速度或加速度等）的测量来设计实践教学项目。另外，项目组结合已取得的科研成果，将科研反哺教学，进行高铁轨道微裂纹漏磁检测系统的设计;同时将目前发展最为迅速、应用前景非常广阔且可应用到地震监测领域的光纤传感器知识增加到实践教学内容中。表1为CDIO理念下传感器与检测技术教学项目。

针对表1中的6个CDIO教学项目，让学生按每组3～4人进行自由组合，小组对教学项目进行设计和构思，提出解决问题的可行性方案和具体的实施步骤，最后小组内讨论并修改完善。

2.方案设计和具体化

根据项目的构思方案对电路图进行设计，包括选择传感器类型与具体型号、确定电路以及电路板和元器件的布局、尺寸等。其中，在电路设计前需进行可行性仿真分析，以便发现设计原理问题，进而提高开发效率。各小组成员之间要互相检查项目设计的具体步骤，发现错误要及时更改，以保证设计合理的项目方案。

3.产品的实现和制作

根据项目设计方案进行电路板制作及元器件焊接与组装，直至最终完成项目产品。本阶段的实践性非常强，可以让学生掌握元器件的购置、锻炼动手的能力，也有助于提高学生学习的主动性，激发学生的学习兴趣。

4.项目产品的运行和完善

在完成的项目产品中，各单元电路测试、查找电路故障并维修、样机调试与产品性能完善是产品运行前非常重要的环节。教师指导各小组对项目产品进行比较，让学生分析产品之间的性能差异并提出修改建议。

（二）项目评价与考核

在项目产品运行结束后，学生总结项目各阶段的工作并撰写项目报告。教师对项目成果和综合表现进行指导与点评，表扬项目实施过程中表现优秀的学生，给出实践教学成绩。教师通过考核方案的实施，引导学生在实践项目教学的各阶段都要注重学习专业知识、积极参与实践技能训练。考核方案应从职业素质、学习过程、综合应用能力和职业理论素养四方面进行考核。

基于CDIO理念的传感器与检测技术实践教学评价及考核方式以过程性考核为标准，引导学生更加重视实践过程。过程考核成绩包括项目成果成绩、平时成绩和考勤成绩三部分，如图2所示。

四、结束语

基于CDIO理念对传感器与检测技术课程实践教学改革的实践表明，这样更有利于学生各种能力的综合培养，也更符合高等工程教育的发展趋势和要求，更适应高等教育的规律。CDIO理念下的实践教学改革受到学生的欢迎，学生的工程实践能力得到培养，创新思维、团队合作能力得到提高，学生评教显著提高至优秀等级。实践证明，CDIO理念下的传感器与检测技术课程实践教学改革取得了良好成效。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 宋建辉，于洋，高宏伟，等.测控专业面向CDIO的实践教学体系改革探索[J].大学教育，2016（2）：5-6.

[2] 赵娜.基于工程应用能力培养的《传感器与检测技术》教学改革探索[J].创新创业理论研究与实践，2020（11）：57-58，76.

[3] 王剛.CDIO工程教育模式的解读与思考[J].中国高教研究，2009（5）：86-87.

[4] 何赟泽，王洪金，张宏.《传感与检测技术》基于课时的教学方法与过程[J].高教学刊，2020（19）：105-107.

[5] 敖邦乾，熊飞峤.探索高校传感器与检测技术教学改革[J].大学教育，2016（8）：177-178.

[6] 梅美，张万峰，陈文静.CDIO理念下《传感器与检测技术》教学现状及改进策略[J].决策探索（下），2019（12）：75-76.

[7] 程淑红，侯培国，屈晓阳，等.基于CDIO理念的传感器技术课程教学模式改革[J].教学研究，2012（1）：83-85.

[收稿时间]2020-08-20

[基金项目]河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2019GJJG471、2019GJJG473）;防灾科技学院“金课”建设项目（JK201905、JK202018）。

[作者简介]邱忠超（1987—），男，山东人，博士，副教授，研究方向：灾害监测技术与仪器、电磁无损检测。

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