基于OBE的傳感器與檢測技術課程教改探索*

胡 毅，楊 國，鄒國柱，彭 靳

(滁州學院 機械與電氣工程學院，安徽 滁州 239000)

“傳感器與檢測技術”是一門講解利用傳感器對規定的被測量進行感知、轉換、傳輸和應用等知識的重要課程[1].當前，由于應用型人才培養的需要，在許多院校的“傳感器與檢測技術”課程教學中，對教學課時進行了較大規模的壓縮，導致課程教學內容難以有效實施.同時，在實驗教學中驗證性實驗比重過大，缺乏綜合設計性實驗的有效開展，以及在學生成績評價上缺乏多元化評價內容等[2]，也都是課程教學中亟需改革的問題.

另一方面，以OBE(Outcom-based Education，OBE)為導向的教學改革目前已成為各高校提升傳感器課程教學質量的基礎.與傳統的教學不同，以OBE為導向的教學強調以學生為中心、以學生的“學習產出”為根本、以持續改進為重點，通過反向設計課程內容和教學方法等來完成教學任務[3].在OBE教學實現上，通常需完成3方面的工作[4，5]：1)制定符合“學習產出”的課程培養目標；2)設計與培養目標相適應的教學方法策略；3)對學生的實際“學習產出”進行評價，并將評價結果反饋到下一輪課程教學中以持續改進教學質量.如鄭春嬌[6]對基于OBE的傳感器課程體系、教學實施、思政元素、課程考核等進行了教學改革設計；李新成等[7]以OBE導向，探索了項目驅動的傳感器課程線上線下混合式教學模式；李小敏等[8]則將學生的畢業要求指標與課程教學目標相銜接，并將其貫穿到教學過程中，同時融合項目案例式教學內容，構建了以OBE為導向的傳感器課程閉環反饋教學系統.

上述文獻多只針對某一或某幾個方面的教學內容改革.而為了更全面地符合教學實際的需要，基于前文所列舉“傳感器與檢測技術”教學中存在的問題，有必要將教學改革內容涵蓋至課程目標、教學內容、教學方法、實驗實踐教學、成績評價與反饋等多個方面.結合教研團隊的教學實踐，對以OBE為導向的課程教學改革進行了一定的探索研究.具體來說，首先以OBE為導向改革了課程培養目標，然后在此基礎上，對課程理論教學、實驗實踐教學、以及成績評價體系等進行了改革探索，并給出了相應的改革方法.多輪教學實踐表明，在開展以OBE為導向的課程教學改革后，學生的知識、能力和素質等“學習產出”均得到了明顯提高，體現了改革的有效性.

1 課程培養目標的確定

為有效實施教學改革，首先需確定與OBE要求相匹配的課程培養目標.考慮到學生的“學習產出”主要通過知識、能力和素質等來體現[9，10]，對此將改革后的培養目標確定為：

在知識產出上，學生熟練掌握各種常見傳感器的工作原理、結構特征、性能參數、非線性誤差補償、應用測量電路等基礎知識；能夠在綜合考慮各種因素的情況下，選取合適的傳感器構建出所需的檢測控制系統.

在能力產出上，學生具備較強的實驗實踐動手能力，能分析解決一些與課程專業相關的實際問題；具有較強的傳感器系統安裝、調試和故障排除能力；在畢業達成上，具備與崗位相匹配的專業知識和一定的崗位競爭力.

在素質產出上，學生通過多元化的成績評價體系不斷認識自我和激勵自我，學習能動性得到不斷提高，自信力得到顯著增強，并養成良好的團隊合作精神.

2 教學內容重構與教學方法革新

2.1 教學內容的重構優化

針對課時壓縮導致教學內容難以有效實施的問題，以OBE為導向，結合課程培養目標，對教學內容進行了重構與優化處理.具體改革方法如下.

2.1.1 對知識體系按特征進行劃分

根據對學生知識產出的要求，將教學內容劃分為傳感器共性知識和不同類傳感器個性知識兩大塊.其中，在共性知識方面，主要選取了傳感器的定義與組成，傳感器的靜態和動態特性分析方法及描述參數，傳感器的選用原則及發展趨勢等內容進行教學.而在不同類傳感器個性知識方面，基于課時壓縮的實際情況(32理論學時+16實驗學時)，重點選取了7種常見傳感器，即電阻應變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、以及熱電式傳感器的知識內容進行教學.這些內容具體包括各類傳感器的工作原理、結構特征、性能參數、非線性誤差產生機理及補償、應用測量電路等基礎知識.對于其他一些與應用相關的內容如檢測方法等，受課時限制，則放到后續的實踐教學中開展.這種教學內容的安排既解決了課時緊張與學生“知識產出”需要之間的矛盾問題，使整個教學活動成為一個有機整體，同時也便于學生更好地理解掌握所講授的知識.

2.2.2 對教學內容進行優化重組

在教學內容安排上，不再按照教材編排順序進行教學，而是采用以某一物理量的測量為主線，將工作原理或結構特征相類似的傳感器集中到一起進行對比教學.這一方面既能加深學生對傳感器知識的理解，同時也能使他們對不同傳感器的差異性進行比較和思考，從而提高“學習產出”能力.例如，在教學過程中，以位移測量為主線，將可測量微小位移的電感式傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器以及光電式傳感器集中到一起進行對比教學，并輔以實驗給出這些傳感器的測位移特性結果，最后讓學生總結給出這些傳感器的異同點，包括它們的非線性特征比較等.通過對上述教學內容的重組和優化，學生能更好地掌握上述4種傳感器的特性.此外，教研團隊還從測力的角度，將電阻應變式傳感器和壓電式傳感器集中到一起進行了比較教學，并對無法集中的熱電式傳感器進行了單獨設節教學，同樣獲得了較好的教學效果.

2.2 教學方法的豐富革新

與教學內容改革相配合，以OBE為導向，對教學方法也進行了豐富革新，具體如下.

2.2.1 改變教學內容導入方式

在教學過程中從學生熟悉的電子設備導入教學內容.這一方面可加強學生對所講授傳感器的直觀印象，另一方面也能提高他們對所講知識的興趣和熱情.例如，在講授電容式傳感器時，以學生熟知的手機觸摸屏為例，先導入早前使用的電阻屏特征，然后從靈敏度、器件響應特性等方面，指出這種電阻屏的不足，在此基礎上引入現有電容屏特征及所要教學的電容式傳感器內容.教學結果表明，學生對于這種導入式教學內容通常印象深刻，記憶猶新.

2.2.2 加強對多媒體的靈活運用

在教學中，盡可能地利用事先制作或從網上搜集到的圖片、視頻、動畫等向學生展示傳感器的結構特征、工作特性和應用測量電路等內容，以增強教學內容的直觀性和生動性，從而有效調動學生聽課的情緒，使他們能更好地理解所講授的知識.

2.2.3 增強網絡教學的作用

切實增強網絡教學的輔助作用，并深入開展線上線下混合式教學.課前通過學校引進的學習通平臺將教學任務布置給學生，并提供相關學習材料供學生進行課前學習；課中基于平臺機動開展搶答和課堂討論等活動；課后利用平臺布置和批改作業，并結合QQ或微信等對一些疑難問題開展實時答疑解惑.此外，在學完某一章節的知識后，還利用平臺進行章節內容測試，以了解學生對所學知識的掌握情況.利用這種網絡教學的輔助，可顯著增強學生學習的靈活性及教學效果.

2.2.4 提高項目案例教學的比重

利用一些生活中容易獲取的常用傳感器，通過“剝洋蔥”式的拆解和對其中的功能與測量電路等知識的講解，實現案例式教學.例如，在講解電阻應變式傳感器時，可通過拆解電子秤，完成了從原理、結構、傳感器到測量電路等幾乎全部知識的案例教學.再如，進行光電式傳感器教學時，通過拆解監控攝像頭，同樣也實現了案例式教學.針對案例式教學要求學生具備一定的先期知識問題，在案例實施前，可通過補充知識、專門輔導等方式得到較好解決.

3 實驗實踐教學的突出加強

在實驗教學中，驗證性和綜合設計性實驗比例設置是相互矛盾的.驗證性實驗設置過多時，學生雖然能較輕松地完成實驗，但收獲通常較少；相反，綜合設計性實驗設置過多時，除少數能力強的學生外，大部分學生都難以按時完成實驗，同樣會使實驗效果大打折扣.因此，需對兩者之間的比例設置進行統籌考慮.此外，對于實踐教學，以往的做法是結合生產實訓或實習來開展，但結果發現效果并不理想.針對上述問題，教研團隊同樣以OBE為導向進行了改革探索.具體改革舉措如下.

3.1 優化實驗類型，改變實驗教學方式

針對驗證性和綜合設計性實驗之間的矛盾問題，在實際教學中，采取了兩種改革方法來解決：1)優化驗證性實驗和綜合設計性實驗的數目比例，做到讓學生既不會感到太累，也不會感覺全部實驗做完后，沒有什么大的收獲.教研團隊根據大綱及教學實踐安排了6個驗證性實驗，2個綜合設計性實驗(表1)，取得了較好的實驗效果；2)在實驗開展上，采取實驗能力強的同學與實驗能力弱的同學自愿結對幫扶進行[11]，這樣既順利開展了實驗教學，同時也培養了學生的團隊合作精神.

3.2 以專題設計為基礎的實踐教學改革

對于實踐教學問題，以培養學生實際應用能力為目標，采取了專題設計的方式來開展實施.例如：基于壓電傳感器在超聲波測距中的設計性實驗，進一步開展了超聲波測距智能小車專題實踐設計.在具體的實踐實施上，首先讓學生設計電路并指導購買相關器材，如超聲波傳感器和單片機控制模塊等.然后在實驗室進行具體的焊接組裝、編程和調試等，最終形成一個成品智能小車.通過這一套流程，將實踐教學的目的和所要達到的效果完全落到了實處，并有效鍛煉了學生的動手能力和解決實際問題的能力，相應地也提高了學生“學習產出”的潛能，為后續參加省或國家級的電子設計大賽等打下基礎.

4 多元化成績評價體系的構建

在“傳感器與檢測技術”課程評價上，改革前主要采用以平時成績、實驗成績和卷面考試成績為主體，并對各部分分配一定權重，最終得到課程成績的評價方式.這種評價方式有時并不科學合理，不能真正反映出學生的“學習產出”情況.如體現學生能力的電子設計競賽成績，以及體現學生的素質和團隊合作成績等也都應包含到評價體系中去[5].基于這一考慮，教研團隊以OBE為導向，改革構建了多元化成績評價標準體系.總體思路是以原來的平時成績、實驗成績和卷面考試成績為基礎，擴充了與知識、能力和素質等密切相關的競賽成績和團隊合作成績等.具體的構建結果如表2所.

5 改革效果評價及反饋

為評估以OBE為導向的課程教學改革的有效性，教研團隊持續跟進了2019—2021年自動化專業3屆授課學生的課程綜合測評成績，如圖1所示.其中，課程成績的綜合評定是嚴格按照表2的條目給出的.另外，2019年開始第1次OBE教學試點改革，此后上一屆的教學反饋結果將被用來調整下一屆的教學實施.從圖1中見，從2019年到2021年，隨著OBE教學改革的不斷深入和完善，學生的平均課程成績每年大概有5分的增幅，并且在2021年消除了不及格的情況.這些結果表明，在開展以OBE為導向的課程教學改革后，學生的“學習產出”確實得到了明顯提高.

為進一步考察課程改革對學生“學習產出”的促進作用，在2021年課程結束后，教研團隊還通過所在學院督導組對教學班級開展了匿名問卷調查活動.其中問卷中設計的問題為：1)你在學完該門課程后收獲情況如何？2)課程教學內容的安排對你學習本課程及后續課程的幫助性如何？3)你對教師的教學方法認可度如何(包括對多媒體和網絡教學平臺等的使用情況)？4)課程實驗實踐教學對你應用動手能力的提高幫助程度如何？5)你對采用的多元化成績評價體系在提高學習主動性和興趣等方面的認可度如何？在上面5個問題中，每個問題設計分值為1～5分，其中1分表示最差，5分表示最好.

由調查統計結果(圖2)可見，基于OBE的課程改革確實顯著提高了學生的“學習產出”能力.但同時調查結果也表明，改革中仍存在一些問題，如實驗實踐教學滿意度就不是很好.后由督導組反饋的信息獲知，這主要是由于儀器設備陳舊，導致學生對實驗教學不太滿意造成的.對此，在2022年教學中通過向學校教務部門等申請，對相關儀器設備進行了更換，目前該問題已得到較好解決.

圖2 教學問卷調查反饋結果

6 結語

結合“傳感器與檢測技術”課程的教學實踐，對以OBE為導向的課程理論教學、實驗實踐教學、以及成績評價等進行了改革探索，并給出了一些具體的改革方法.教學實踐表明，在開展教學改革后，學生的知識、能力和素質等“學習產出”得到了明顯提高.后續準備進一步擴充完善所給的改革內容和方法，以便為更高層次的工程教育專業認證開展打下基礎.