论文部分内容阅读
摘要:现代工程教育要适应21世纪全球经济的发展趋势,具有知识的集成化、学科的交叉性以及工程技术和经济活动紧密结合的特点。现代工程教育更加强调培养人才的实践性、创新性和开放性,核心是提高人才的综合素质。在“传感器原理与应用”精品课程建设中,我们以现代工程教育理念为指导,结合“首要教学原理”,建设系列化教材,改革课程教学内容和教学方法,采用计算机技术和网络教学手段,加强实践教学环节,培养有生命力的、开放的、具有创新思维和创新能力的高素质工程人才。
关键词:现代工程教育;首要教学原理;传感器;教学改革
作者简介:刘晓旻(1973-),女,河南新郑人,郑州大学物理工程学院,讲师,工学博士,主要研究方向:光电检测技术与传感器技术;张晓芳(1982-),女,河南温县人,郑州大学物理工程学院,实验员,理学硕士,主要研究方向:光学检测及传感器应用。(河南 郑州450052)
基金项目:本文系2009年郑州大学教改项目“以先进性、科学性、实践性推进‘传感器原理与应用’课程的精品课程建设”、郑州大学引进人才资助项目的研究成果。
我国高校传统的工程教育侧重培养技术应用型人才,培养他们具有科学思维模式,掌握单纯的工程科学技术。这样的工程教育已经不适应当代社会。因为现代工程面对的是连续的工程链,链中的每个环节都存在大量的技术问题、经济问题和社会问题需要解决。美国麻省理工学院工学院院长布朗教授提出“全球化经济中的工程”(Engineering in Global Economy)概念,认为现代工程教育要适应21世纪全球经济的发展趋势,应该具有知识的集成化、学科的交叉性以及工程技术和经济活动紧密结合的特点。[1]所以现代工程以技术性、社会性、综合性和创造性等为主要特征,除了满足科学技术的需要,还要满足社会需要,同时兼顾地球的可持续发展。如何培养一大批符合现代工程教育理念、高素质的21世纪工程技术人才,是高等院校特别是高等工科院校急需研究解决的现实问题。[2]
“传感器原理与应用”课程的理论性高、实践性强,是一门重要的工科专业基础课。我们以现代工程教育理念为指导,在“传感器原理与应用”课程的精品课程建设过程中,对学生进行全面、生动、有效的现代工程教育。培养学生树立“现代工程”意识,掌握“现代工程”思维,夯实“现代工程”基础,重视“现代工程”实践,强化“现代工程”创新。我们改革了课程的教学内容和方法,运用了多种现代教学手段,训练学生掌握传感器知识和技能的同时,还在培养现代工程技术人才的知识、能力和综合素质等方面进行了一些有益的探索,取得了良好效果。
一、兼顾學理与技术的培养模式,培养具备实践性、创新性和开放性的高素质21世纪现代工程技术人才
人才培养目标和人才培养模式是现代工程教育所要解决的两个根本问题,即培养什么样的工程师和如何培养所需人才来适应21世纪。现代工程教育培养目标更加强调的是人才的实践性、创新性和开放性,培养的核心是提高人才的综合素质。人才的实践性建立在理论的深入和知识的广博基础之上,创新性表现为具有创新意识与创造能力,开放性体现在知识的集成化、国际适应性和新技能的掌握上。21世纪人才综合素质的培养更加注重人文精神和科学素养,也就是说21世纪的工程师首先是身心健康、人性丰富的人才,怀有对各种社会问题的探究心和解决社会问题的创造力,而不是仅仅能够解决工程问题的匠才。我国的现代工程人才培养目标是培养具有厚基础、宽口径、高素质、强能力,特别是具有工程实践能力和创新能力的高级工程技术人才。
“传感器原理与应用”课程集众多现代学科知识、技术为一体,内容更新快,多学科交叉,实践性强,与日常经济生活密切相关。[3]该课程要求学生专业基础知识扎实,涉猎面广,动手能力强,并且能够有机地综合运用知识。郑州大学物理工程学院(以下简称“我院”)根据该课程的特点,以现代工程教育理念为指导,采用兼顾学理与技术的培养模式,重视人文、德育,通过基础理论知识教育、实践能力和创新能力训练,从知识、能力、品德三方面综合培养学生。
(1)掌握与传感器技术相关的自然科学知识、专业技术知识、人文科学和社会科学知识,具备完整知识结构和知识层次;
(2)具有对科学和技术的开发利用能力和创新能力,具备不断自我学习的能力,掌握工程思维方法,能够从社会需要中发现问题,从经济角度、社会角度和工程角度综合解决问题;
(3)具备社会公德,还要具有职业道德,不断进取、团结协作,注重工程素质,具有可持续发展思维。
二、运用现代工程教育理念改革教学内容、方法、手段,生动、有效地进行全面现代工程教育
依据现代工程教育理念,结合确定的培养目标和我院学生的实际情况,我们对“传感器原理与应用”课程的教学内容、教学方法和教学手段进行了一些改革,开拓学生视野与思维,进行实际、生动、有效的现代工程教育。
1.系列化、系统化的教材与实践环节相呼应,全面地体现现代工程理念
近5年以来,我院联合兄弟院校,结合多年的教学和科研成果,系统地编著了《传感器技术》、《传感检测技术例题、习题及试题集》、《传感检测技术实验教程》和《传感器原理与应用课程设计》等教材,并在全国发行。在理论教学、实验教学、课程设计等方面建设系列教材的同时,我们还加强了实践环节建设,构筑了完整的课程体系,全面体现现代工程教育理念。
教材的内容去陈旧,留基本,反映传感器研究和应用的新趋势和新成果,突出工程应用。教材《传感器技术》是超星数字图书馆电子书资源。该书系统地阐述了十三种常用传感器的一般特性、工作原理、结构特点、误差因素、测量电路和实际应用。除了讲述电阻应变式、电感式、电容式、磁电式等传统电学传感器外,还增加了压电式、光纤式、光电式、波式、射线和红外式、气敏、湿敏、离子敏与生物等多种近年广泛使用的传感器。书中专门列出一章介绍了反映当代传感器技术的智能传感器、模糊传感器、网络传感器、虚拟传感器等新型传感器。最后一章介绍了传感器标定的原理和方法。撰写内容在讲清基本原理的同时,注重介绍应用实例。每章都配有例题、思考题和习题,指导学生学习。《传感检测技术例题、习题及试题集》是内容丰富的参考书,指导学生通过练习巩固基本知识,强化理论和实践之间的计算。计算是理论与实践之间的重要联系,借助计算过程,学生还可以进一步了解、熟悉科研实践项目。
我院的实践环节包含实验教学、课程设计和创新项目训练三个部分,教材建设与实践教学训练环节相呼应。教师们挖掘教材内涵,精心组织内容,既注重对学生基本知识、基本技能的培养,也非常强调与学校的优势与特色相结合。把我院在材料物理、核技术应用等方面的优势和长期的经验积累引入课程教学,将教学组成员的科研成果进行改造,引入实践教学中。2009年我们编写出版的《传感器原理与应用课程设计》针对课程设计和毕业设计环节,加强实践环节的指导。实践经验与科研成果应用到课程设计与毕业设计中,进一步改善了教学,不仅解决了以往学生的“学”与“用”间不能良好结合的矛盾,还培养锻炼了学生应用传感器技术解决现代工程技术问题的能力,收到了良好的教学效果。
2.多层次、情境式、承前启后的探索拓展式教学方法,立体地体现现代工程教育
(1)以学生为主体,运用“首要教学原理”,促进学生主动、快乐学习。
实现现代工程教育的目标需要大信息量的课堂教学和训练充分的实践教学。为满足以上两点,高校教师普遍的做法是利用现代教学手段,在有限的理论学时内拼命增大课堂信息量,增加实验内容,演示实验过程,确保教学任务的完成。这样做充分发挥了教师的主体作用,但是课堂也变成了教师的“独角戏”舞台,没有学生思考、研究的空间,容易让他们产生厌恶情绪,结果事与愿违。
我国著名教育家孔子将学习分为“知之、好之和乐之”三个依次递进的层次,进入“乐之”这个阶段的人们会主动进行探索性的学习,学习热情高。如何通过教学活动促使学生“乐之”学习呢?首先,我们应改变教师“满堂灌”,把学生当“存储器”的教学思想,应树立“以学生为主体,以问题为中心,以运用为指导,以创新为目标”的教学观。其次,依据美国犹他州立大学M.DavidMerrill教授提出的“首要教学原理”,[4]把“理论联系实际、温故再知新、学而能至用”作为教学原则,设计“激活已有经验”、“展示知识技能”、“应用知识技能”、“将知识技能整合到实际生活中”四个教学阶段,通过多种教学方法引导学生进入“乐之”阶段学习。将多层次、情境式、承前启后式、探索拓展式等多种教学方法相融合,配合教学内容灵活运用,培养学生结合已有知识和经验,来掌握、运用新知识、新技能的能力,同时注重培养他们主动发现问题、提出问题和解决问题的能力,立体化体现现代工程教育。
(2)灵活应用多种教学方法,体现现代工程教育思想。
1)以问题为中心,就是让学生带着身边的、生活中的问题进行学习,通过解决问题的过程,训练他们综合运用知识的技能,通过检查问题解决的结果,考核他们学习的成果。
2)多层次培养是指实践能力训练划分为实验课、课程设计、毕业设计三个层次,设定基本训练和提高训练两个目标,培养学生能力遵循“由浅入深、从知识掌握到能力培养”的渐进过程。三个训练环节相辅相成,各有侧重。
实验课教学培养学生基本实验能力,在实验过程、数据处理、实验报告及分析等环节严格要求学生。实验教学与课堂教学同步,以验证性实验为主,综合性、创新性实验为辅,基本目标是训练学生们熟悉、掌握各种常用传感器的原理、性能和技术,提高目标是能够解决生活中或是科研中的一些小课题。
课程设计利用理论教学的最后两周进行,训练学生针对特定题目提出方案、解决问题的能力,侧重于训练学生提出问题、系统地思考问题的能力和设计完整解决方案的能力。教学中,首先确定设计课题,由教师结合工程中或是生活中常见的传感器应用的例子提出命题,或者由学生自命题。然后让学生总结各种方法,提出解决方案、调研报告,他们通过查阅课程设计教程、各种书籍、文献来完成。最后是学生提出从传感器选用到电路设计的完整解决方案,并在课堂上报告。比如,学生们提出“语音提示导盲棒”、“压电保暖护膝”和“自动‘抽烟’的烟灰缸”等题目,他们观察细致,题目贴近生活。针对“自动‘抽烟’的烟灰缸”,学生提出了多种设计方案,有的利用空调进行排烟,有的构造有线分布式传感器排列,有的组成无限通讯分布式传感器阵列,还有的提出智能网络传感器设计。最后各种設计方案画出原理图,选定器件,学生、教师进行评价。这样就完成了应用知识技能的基本训练。
我们把课程设计和实验课结合起来,进行应用知识技能的提高训练。教师选择有代表性、挑战性的题目,指导学生把它设计为综合实验题目,结合已有仪器进行方案验证。比如,利用浙江大学CSY10A综合传感器实验仪,训练学生设计各种精度、各种量程的电子秤,完成性能比较。通过课程设计和实验课的连贯训练,学生受到从理论到实践的完整训练。
作为“知识运用到生活中”的训练,在课程结束后,教师仍然长期指导有兴趣的学生完成课题,延续强化实践教学。我们还把毕业设计环节和国家、省市、校级的创新实验、电子设计竞赛等活动结合起来,提高学生实践和科研能力。
3)情境式教学指让学生仿佛置身于应用场景进行学习,让他们在不同的情境中运用所学的知识。我们安排学生观看传感器应用、制作的录像,组织学生参观工厂,加深学生实践的观念。课堂上,教师讲解传感器应用实例时,不只是单单阐述原理,而是结合该传感器的应用背景、发展过程和应用条件等进行全面的介绍。对于测量同一物理量的传感器,我们设置不同的测量环境,锻炼学生选择合适的传感器进行应用。通过这样的练习,学生经过自我反馈(反思),消化吸收老师的讲解,通过创新锻炼解决实际问题的能力,完成将新学到的知识迁移到日常生活中去的过程。
4)承前启后式教学方法强调学习的课程之间的联系,知识的内在联系。传感器课程的知识涉及内容多,多学科交叉,与前期基础课、后续专业课联系非常紧密。这样的特点容易让学生感到思维跟不上、难以适应,会让课堂变得枯燥。为了改变不利的局面,我们从传感器测量的数学基础、测量原理到实际操作等知识进行打包教授,让学生对“信号与系统”、“模拟电路”、“数字电路”、“检测技术”、“数字信号处理”等课程的知识融会贯通。同样,我们讲解每种传感器的工作原理和应用时,注意比较不同原理传感器的异同,讲授重点是测量方案的根本思路和方法。各种传感器讲授完后,再与传感器的一般特性和标定相联系,促使学生对传感器的基本知识有个完整、深刻的认识。如此讲解,调动了学生的求知欲望和学习热情,训练了他们的工程思维和能力。
5)培养理论、实践双合格的大学毕业生,我们用探索式、拓展式的教学方法对课堂教学进行有效的补充,培养他们自主学习的能力,学习更有生命力。我们给学生介绍利用网络、图书馆、各种期刊、专业网站和专业公司网站查找参考文献、了解前沿和工程应用状况的方法。通过查找资料,让学生提出感兴趣的工程问题,教师从中选择有代表性的3～5个,布置给学生作为课外练习题目,促进学生主动学习扩充性资料,拓宽知识面。学生们可以通过阅读,广泛了解传感器技术的相关知识和信息。
(3)结合实例,培养现代工程思维。
各种教学方法的应用从培养学生浓厚兴趣着手,以兴趣推动学生进行探索,学会自主学习,用工程思维克服困难,在现代工程背景下解决问题。
例如,2009年6月和10月,河南省杞县和广东省广州市分别发生了“钴60”卡源事故,造成了群众的恐慌。我们在讲授射线式传感器时,给学生预先留下了一组问题让他们分成小组讨论解决方法:
1)查看事故发生的背景、经过;
2)结合射线式传感器,介绍“钴60”辐照的原理、辐照机构,评估安全性;
3)如果有事发地的亲人打电话向你咨询,身为大学生,你会给他们怎样的建议?
学生下课查找资料很积极,课堂讨论得非常认真、热烈。学生们从核弹的裂变原理、条件到核辐照设备的结构、安防措施,介绍得非常系统、详细。特别是给亲友的建议,更是展示了80后的机智:他们提出,把政府部门和辐照厂的官员作为观测对象,他们态度坦然,就说明环境安全。
这样一组问题,还让学生认识到,解决工程问题同时还要考虑社会影响,培养了他们具有团队精神、人文精神的现代工程思维。
(4)实践教学突出实践能力与创新能力。
实践教学时,首先,我们对基础实验进行改革,按照某个具体的物理量(如位移),把相关传感器归为一个单元进行验证性实验。每个单元实验做完后,要求学生对所使用的传感器进行综合对比,分析各个传感器的测量精度、测量范围、测量电路、误差原因、应用范围、动态响应等,从而使学生掌握在测同一物理量时不同传感器所具有的不同特性,以便在今后的工作、学习中能正确选择合适的传感器。
其次,我们增加了综合性、设计性实验。综合设计性实验时,给定学生某一个具体的物理量(如质量),要求学生自己选择合适的传感器,设计正确的测量电路,选择实验器件,搭建实验电路,总结实验步骤,通过具体实验操作,得出测量结果,并对实验结果进行分析和总结。在整个过程中,教师可给予一定的指导,指出学生设计中的错误和不足。我们还把课程教学组成员的科研成果进行改造,设计成相应的实验项目,让学生借鉴解决方案,提出新方法、解决新问题。例如,我们设置的演示实验题目是“用面阵CCD测量不规则平面物体的面积”,[5]然后让学生进行拓展锻炼,学生接着完成“植物叶片面积测量系统的设计及应用”和“利用CCD测量液体折射率”等实验。
再次,我们进行课程延续实践教育,课程结束而实践不停。结合各种层次的学科竞赛题目,我们让有兴趣的学生跟随任课教师做科研,直至他们毕业。这样的培养取得了较好的效果,不少学生在各级竞赛中,甚至是国家级竞赛中取得了好成绩。
3.直观化、网络化、开放性的现代化教学手段,有效地体现了现代工程教育
丰富的教学内容、灵活多样的教学方法通过有效的教学手段来体现。我们充分利用现代计算机技术,建设了精品课程网站,提供丰富的网上教学资源。利用网络技术,教师通过QQ软件进行学习辅导,建立QQ群。通过现代教学手段建设的开放性课程,全天24小时在线,有效地体现了工程教育的现代性。
网上教学资源方便了学生预习和复习,内容包括课程大纲、教材介绍、多媒体课件、电子教案、网上习题、实验指导、传感器资源网站汇总等。网站提供的习题为教材的补充习题,通过这些习题的练习,可以检查对课程内容的理解。为了便于学生检查自己对相关知识的掌握程度,网上提供了部分参考答案。实验教学包含实验内容、过程、步骤、方法,学生可以随时进行预习。
我们制作了包含本课程全部教学大纲内容的PPT电子讲稿。PPT电子讲稿教学信息量大,图文并茂,但是如果内容安排不当,会使学生眼花缭乱,把上课当成“电影浏览”。根据教学内容和目标,我们利用PowerPoint软件的强大功能对不同内容用不同形式进行讲解,提高教学效率。理论性强、公式推导比较多的内容,我们将推导过程做成动画显示,教师可以边推导边提问,给学生留出思考时间,避免了“讲解员式”呆板、枯燥的授课。对于抽象的基本原理、传感器工作过程和传感器应用案例,我们制作了Flash动画、视频演示并嵌套到PPT中,直观、生动、形象地展示给学生,使学生易于理解。对于教学的重点和难点,我们利用PowerPoint软件的画笔功能圈圈点点,和学生进行互动式教学,活跃课堂气氛。现代计算机软件的应用达到以图点睛,情境再现,重点突出的效果。
进行开放式教学,我们在课程网站上开辟了网上答疑,还利用即时通讯软件QQ,创建QQ学习群。教师和学生共同参与到群中,教师可以随时解答学生在学习中的问题,了解学习效果,学生也可相互交流经验,进行讨论。这样的学习方式不受时空限制,气氛是自由的,非常受学生欢迎。
利用我院工科实验中心的资源,我们对学生进行综合实践训练,进行开放性实验教学。开放性实验教学针对课程设计、毕业设计和科技制作等,题目开放,各环节自选,实验时间自由安排。训练项目包括查阅(文献和资料)、设计(方案和电路)、开发(硬件和软件)、测试(模块和系统)和处理(故障和结果)等环节,各个实验室资源共享,以完成完整的工程实践训练。
我们还开展了研究,利用虚拟仪器技术实现传感器实验的计算机仿真,进一步丰富网络实验教学资源,方便学生学习。传感器技术发展迅速,计算机辅助实验教学,可以让学生更快了解、熟悉国内外新型传感器的使用,紧随传感器技术的发展,节省实验设备购置经费。
三、现代工程教育理念指导教与学,实现教师、学生、社会“三赢”的教学效果
围绕现代工程教育的培养目标和核心,我们改革对学生的考核方式,引导他们用工程思想学习。平时作业我们一改过去一味以教科书与书本知识问答、套用公式计算等为主的作业形式,增加一些和科研项目相关的数据计算、与前后衔接课程相关的计算。另外向学生提供与课程相关的国内外著名技术期刊的名称和网址、国内外著名公司的网址,让学生们浏览、查阅,并撰写一些学科最新发展方面的“资料检索及综述”报告。理论考核采用分段考核的办法,考试成绩由平时作业成绩、随堂练习成绩、实验成绩、期末考试成绩等多项成绩综合评定,实验(实践)成绩单独占1.5个学分。
我们改革教学内容、教学方法、教学手段,加强教材建设、实践教学等环节。这些措施使学生对课程产生浓厚的兴趣,充分调动学生的学习积极性和潜能,形成了良好的學风。教学效果良好,得到了国内专家们和学生们的肯定与好评。学生实践能力训练效果显著,就业时极具竞争力,这种培养模式受到社会的欢迎。
教学相长,教学改革也促进了教师的教学、科研水平,教师的科研成果充实了课程内容,提高了讲课内容的知识性和趣味性,更加促进了教学。
我们培养学生具有完整的知识结构和知识层次,从理论、计算和实践三个方面进行训练,使他们能够定量、定性地分析问题,用系统工程的思想分析问题,与高技术结合,熟练运用计算机技术解决问题。从工科教育、人文教育两个方面进行工程实践,既注重知识的传授,又注重人的培养,让学生学会严格的工程思维方式。在现代工程理念指导下,突出创新性,为21世纪培养生命力旺盛的高素质工程技术人才。
参考文献:
[1]田逸.试论高等工程教育的培养目标[J].华北水利水电学院学报(社科版),2007,23(1):83-84,91.
[2]罗福午,于吉太.以现代工程为背景,进行生动有效的工程教育[J].高等工程教育研究,2004,(2):51-54.
[3]蒋全胜,吕家云.“传感器与检测技术”课程教学改革初探[J].巢湖学院学报,2009,11(3):144-146.
[4]M.DavidMerrill.首要教学原理[J].盛群力,马兰,译.远程教育杂志,2003,(4):20-27.
[5]张全法,等.用面阵CCD测量不规则平面物体的面积[J].仪表技术与传感器,2000,(2):36-39.
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:现代工程教育;首要教学原理;传感器;教学改革
作者简介:刘晓旻(1973-),女,河南新郑人,郑州大学物理工程学院,讲师,工学博士,主要研究方向:光电检测技术与传感器技术;张晓芳(1982-),女,河南温县人,郑州大学物理工程学院,实验员,理学硕士,主要研究方向:光学检测及传感器应用。(河南 郑州450052)
基金项目:本文系2009年郑州大学教改项目“以先进性、科学性、实践性推进‘传感器原理与应用’课程的精品课程建设”、郑州大学引进人才资助项目的研究成果。
我国高校传统的工程教育侧重培养技术应用型人才,培养他们具有科学思维模式,掌握单纯的工程科学技术。这样的工程教育已经不适应当代社会。因为现代工程面对的是连续的工程链,链中的每个环节都存在大量的技术问题、经济问题和社会问题需要解决。美国麻省理工学院工学院院长布朗教授提出“全球化经济中的工程”(Engineering in Global Economy)概念,认为现代工程教育要适应21世纪全球经济的发展趋势,应该具有知识的集成化、学科的交叉性以及工程技术和经济活动紧密结合的特点。[1]所以现代工程以技术性、社会性、综合性和创造性等为主要特征,除了满足科学技术的需要,还要满足社会需要,同时兼顾地球的可持续发展。如何培养一大批符合现代工程教育理念、高素质的21世纪工程技术人才,是高等院校特别是高等工科院校急需研究解决的现实问题。[2]
“传感器原理与应用”课程的理论性高、实践性强,是一门重要的工科专业基础课。我们以现代工程教育理念为指导,在“传感器原理与应用”课程的精品课程建设过程中,对学生进行全面、生动、有效的现代工程教育。培养学生树立“现代工程”意识,掌握“现代工程”思维,夯实“现代工程”基础,重视“现代工程”实践,强化“现代工程”创新。我们改革了课程的教学内容和方法,运用了多种现代教学手段,训练学生掌握传感器知识和技能的同时,还在培养现代工程技术人才的知识、能力和综合素质等方面进行了一些有益的探索,取得了良好效果。
一、兼顾學理与技术的培养模式,培养具备实践性、创新性和开放性的高素质21世纪现代工程技术人才
人才培养目标和人才培养模式是现代工程教育所要解决的两个根本问题,即培养什么样的工程师和如何培养所需人才来适应21世纪。现代工程教育培养目标更加强调的是人才的实践性、创新性和开放性,培养的核心是提高人才的综合素质。人才的实践性建立在理论的深入和知识的广博基础之上,创新性表现为具有创新意识与创造能力,开放性体现在知识的集成化、国际适应性和新技能的掌握上。21世纪人才综合素质的培养更加注重人文精神和科学素养,也就是说21世纪的工程师首先是身心健康、人性丰富的人才,怀有对各种社会问题的探究心和解决社会问题的创造力,而不是仅仅能够解决工程问题的匠才。我国的现代工程人才培养目标是培养具有厚基础、宽口径、高素质、强能力,特别是具有工程实践能力和创新能力的高级工程技术人才。
“传感器原理与应用”课程集众多现代学科知识、技术为一体,内容更新快,多学科交叉,实践性强,与日常经济生活密切相关。[3]该课程要求学生专业基础知识扎实,涉猎面广,动手能力强,并且能够有机地综合运用知识。郑州大学物理工程学院(以下简称“我院”)根据该课程的特点,以现代工程教育理念为指导,采用兼顾学理与技术的培养模式,重视人文、德育,通过基础理论知识教育、实践能力和创新能力训练,从知识、能力、品德三方面综合培养学生。
(1)掌握与传感器技术相关的自然科学知识、专业技术知识、人文科学和社会科学知识,具备完整知识结构和知识层次;
(2)具有对科学和技术的开发利用能力和创新能力,具备不断自我学习的能力,掌握工程思维方法,能够从社会需要中发现问题,从经济角度、社会角度和工程角度综合解决问题;
(3)具备社会公德,还要具有职业道德,不断进取、团结协作,注重工程素质,具有可持续发展思维。
二、运用现代工程教育理念改革教学内容、方法、手段,生动、有效地进行全面现代工程教育
依据现代工程教育理念,结合确定的培养目标和我院学生的实际情况,我们对“传感器原理与应用”课程的教学内容、教学方法和教学手段进行了一些改革,开拓学生视野与思维,进行实际、生动、有效的现代工程教育。
1.系列化、系统化的教材与实践环节相呼应,全面地体现现代工程理念
近5年以来,我院联合兄弟院校,结合多年的教学和科研成果,系统地编著了《传感器技术》、《传感检测技术例题、习题及试题集》、《传感检测技术实验教程》和《传感器原理与应用课程设计》等教材,并在全国发行。在理论教学、实验教学、课程设计等方面建设系列教材的同时,我们还加强了实践环节建设,构筑了完整的课程体系,全面体现现代工程教育理念。
教材的内容去陈旧,留基本,反映传感器研究和应用的新趋势和新成果,突出工程应用。教材《传感器技术》是超星数字图书馆电子书资源。该书系统地阐述了十三种常用传感器的一般特性、工作原理、结构特点、误差因素、测量电路和实际应用。除了讲述电阻应变式、电感式、电容式、磁电式等传统电学传感器外,还增加了压电式、光纤式、光电式、波式、射线和红外式、气敏、湿敏、离子敏与生物等多种近年广泛使用的传感器。书中专门列出一章介绍了反映当代传感器技术的智能传感器、模糊传感器、网络传感器、虚拟传感器等新型传感器。最后一章介绍了传感器标定的原理和方法。撰写内容在讲清基本原理的同时,注重介绍应用实例。每章都配有例题、思考题和习题,指导学生学习。《传感检测技术例题、习题及试题集》是内容丰富的参考书,指导学生通过练习巩固基本知识,强化理论和实践之间的计算。计算是理论与实践之间的重要联系,借助计算过程,学生还可以进一步了解、熟悉科研实践项目。
我院的实践环节包含实验教学、课程设计和创新项目训练三个部分,教材建设与实践教学训练环节相呼应。教师们挖掘教材内涵,精心组织内容,既注重对学生基本知识、基本技能的培养,也非常强调与学校的优势与特色相结合。把我院在材料物理、核技术应用等方面的优势和长期的经验积累引入课程教学,将教学组成员的科研成果进行改造,引入实践教学中。2009年我们编写出版的《传感器原理与应用课程设计》针对课程设计和毕业设计环节,加强实践环节的指导。实践经验与科研成果应用到课程设计与毕业设计中,进一步改善了教学,不仅解决了以往学生的“学”与“用”间不能良好结合的矛盾,还培养锻炼了学生应用传感器技术解决现代工程技术问题的能力,收到了良好的教学效果。
2.多层次、情境式、承前启后的探索拓展式教学方法,立体地体现现代工程教育
(1)以学生为主体,运用“首要教学原理”,促进学生主动、快乐学习。
实现现代工程教育的目标需要大信息量的课堂教学和训练充分的实践教学。为满足以上两点,高校教师普遍的做法是利用现代教学手段,在有限的理论学时内拼命增大课堂信息量,增加实验内容,演示实验过程,确保教学任务的完成。这样做充分发挥了教师的主体作用,但是课堂也变成了教师的“独角戏”舞台,没有学生思考、研究的空间,容易让他们产生厌恶情绪,结果事与愿违。
我国著名教育家孔子将学习分为“知之、好之和乐之”三个依次递进的层次,进入“乐之”这个阶段的人们会主动进行探索性的学习,学习热情高。如何通过教学活动促使学生“乐之”学习呢?首先,我们应改变教师“满堂灌”,把学生当“存储器”的教学思想,应树立“以学生为主体,以问题为中心,以运用为指导,以创新为目标”的教学观。其次,依据美国犹他州立大学M.DavidMerrill教授提出的“首要教学原理”,[4]把“理论联系实际、温故再知新、学而能至用”作为教学原则,设计“激活已有经验”、“展示知识技能”、“应用知识技能”、“将知识技能整合到实际生活中”四个教学阶段,通过多种教学方法引导学生进入“乐之”阶段学习。将多层次、情境式、承前启后式、探索拓展式等多种教学方法相融合,配合教学内容灵活运用,培养学生结合已有知识和经验,来掌握、运用新知识、新技能的能力,同时注重培养他们主动发现问题、提出问题和解决问题的能力,立体化体现现代工程教育。
(2)灵活应用多种教学方法,体现现代工程教育思想。
1)以问题为中心,就是让学生带着身边的、生活中的问题进行学习,通过解决问题的过程,训练他们综合运用知识的技能,通过检查问题解决的结果,考核他们学习的成果。
2)多层次培养是指实践能力训练划分为实验课、课程设计、毕业设计三个层次,设定基本训练和提高训练两个目标,培养学生能力遵循“由浅入深、从知识掌握到能力培养”的渐进过程。三个训练环节相辅相成,各有侧重。
实验课教学培养学生基本实验能力,在实验过程、数据处理、实验报告及分析等环节严格要求学生。实验教学与课堂教学同步,以验证性实验为主,综合性、创新性实验为辅,基本目标是训练学生们熟悉、掌握各种常用传感器的原理、性能和技术,提高目标是能够解决生活中或是科研中的一些小课题。
课程设计利用理论教学的最后两周进行,训练学生针对特定题目提出方案、解决问题的能力,侧重于训练学生提出问题、系统地思考问题的能力和设计完整解决方案的能力。教学中,首先确定设计课题,由教师结合工程中或是生活中常见的传感器应用的例子提出命题,或者由学生自命题。然后让学生总结各种方法,提出解决方案、调研报告,他们通过查阅课程设计教程、各种书籍、文献来完成。最后是学生提出从传感器选用到电路设计的完整解决方案,并在课堂上报告。比如,学生们提出“语音提示导盲棒”、“压电保暖护膝”和“自动‘抽烟’的烟灰缸”等题目,他们观察细致,题目贴近生活。针对“自动‘抽烟’的烟灰缸”,学生提出了多种设计方案,有的利用空调进行排烟,有的构造有线分布式传感器排列,有的组成无限通讯分布式传感器阵列,还有的提出智能网络传感器设计。最后各种設计方案画出原理图,选定器件,学生、教师进行评价。这样就完成了应用知识技能的基本训练。
我们把课程设计和实验课结合起来,进行应用知识技能的提高训练。教师选择有代表性、挑战性的题目,指导学生把它设计为综合实验题目,结合已有仪器进行方案验证。比如,利用浙江大学CSY10A综合传感器实验仪,训练学生设计各种精度、各种量程的电子秤,完成性能比较。通过课程设计和实验课的连贯训练,学生受到从理论到实践的完整训练。
作为“知识运用到生活中”的训练,在课程结束后,教师仍然长期指导有兴趣的学生完成课题,延续强化实践教学。我们还把毕业设计环节和国家、省市、校级的创新实验、电子设计竞赛等活动结合起来,提高学生实践和科研能力。
3)情境式教学指让学生仿佛置身于应用场景进行学习,让他们在不同的情境中运用所学的知识。我们安排学生观看传感器应用、制作的录像,组织学生参观工厂,加深学生实践的观念。课堂上,教师讲解传感器应用实例时,不只是单单阐述原理,而是结合该传感器的应用背景、发展过程和应用条件等进行全面的介绍。对于测量同一物理量的传感器,我们设置不同的测量环境,锻炼学生选择合适的传感器进行应用。通过这样的练习,学生经过自我反馈(反思),消化吸收老师的讲解,通过创新锻炼解决实际问题的能力,完成将新学到的知识迁移到日常生活中去的过程。
4)承前启后式教学方法强调学习的课程之间的联系,知识的内在联系。传感器课程的知识涉及内容多,多学科交叉,与前期基础课、后续专业课联系非常紧密。这样的特点容易让学生感到思维跟不上、难以适应,会让课堂变得枯燥。为了改变不利的局面,我们从传感器测量的数学基础、测量原理到实际操作等知识进行打包教授,让学生对“信号与系统”、“模拟电路”、“数字电路”、“检测技术”、“数字信号处理”等课程的知识融会贯通。同样,我们讲解每种传感器的工作原理和应用时,注意比较不同原理传感器的异同,讲授重点是测量方案的根本思路和方法。各种传感器讲授完后,再与传感器的一般特性和标定相联系,促使学生对传感器的基本知识有个完整、深刻的认识。如此讲解,调动了学生的求知欲望和学习热情,训练了他们的工程思维和能力。
5)培养理论、实践双合格的大学毕业生,我们用探索式、拓展式的教学方法对课堂教学进行有效的补充,培养他们自主学习的能力,学习更有生命力。我们给学生介绍利用网络、图书馆、各种期刊、专业网站和专业公司网站查找参考文献、了解前沿和工程应用状况的方法。通过查找资料,让学生提出感兴趣的工程问题,教师从中选择有代表性的3～5个,布置给学生作为课外练习题目,促进学生主动学习扩充性资料,拓宽知识面。学生们可以通过阅读,广泛了解传感器技术的相关知识和信息。
(3)结合实例,培养现代工程思维。
各种教学方法的应用从培养学生浓厚兴趣着手,以兴趣推动学生进行探索,学会自主学习,用工程思维克服困难,在现代工程背景下解决问题。
例如,2009年6月和10月,河南省杞县和广东省广州市分别发生了“钴60”卡源事故,造成了群众的恐慌。我们在讲授射线式传感器时,给学生预先留下了一组问题让他们分成小组讨论解决方法:
1)查看事故发生的背景、经过;
2)结合射线式传感器,介绍“钴60”辐照的原理、辐照机构,评估安全性;
3)如果有事发地的亲人打电话向你咨询,身为大学生,你会给他们怎样的建议?
学生下课查找资料很积极,课堂讨论得非常认真、热烈。学生们从核弹的裂变原理、条件到核辐照设备的结构、安防措施,介绍得非常系统、详细。特别是给亲友的建议,更是展示了80后的机智:他们提出,把政府部门和辐照厂的官员作为观测对象,他们态度坦然,就说明环境安全。
这样一组问题,还让学生认识到,解决工程问题同时还要考虑社会影响,培养了他们具有团队精神、人文精神的现代工程思维。
(4)实践教学突出实践能力与创新能力。
实践教学时,首先,我们对基础实验进行改革,按照某个具体的物理量(如位移),把相关传感器归为一个单元进行验证性实验。每个单元实验做完后,要求学生对所使用的传感器进行综合对比,分析各个传感器的测量精度、测量范围、测量电路、误差原因、应用范围、动态响应等,从而使学生掌握在测同一物理量时不同传感器所具有的不同特性,以便在今后的工作、学习中能正确选择合适的传感器。
其次,我们增加了综合性、设计性实验。综合设计性实验时,给定学生某一个具体的物理量(如质量),要求学生自己选择合适的传感器,设计正确的测量电路,选择实验器件,搭建实验电路,总结实验步骤,通过具体实验操作,得出测量结果,并对实验结果进行分析和总结。在整个过程中,教师可给予一定的指导,指出学生设计中的错误和不足。我们还把课程教学组成员的科研成果进行改造,设计成相应的实验项目,让学生借鉴解决方案,提出新方法、解决新问题。例如,我们设置的演示实验题目是“用面阵CCD测量不规则平面物体的面积”,[5]然后让学生进行拓展锻炼,学生接着完成“植物叶片面积测量系统的设计及应用”和“利用CCD测量液体折射率”等实验。
再次,我们进行课程延续实践教育,课程结束而实践不停。结合各种层次的学科竞赛题目,我们让有兴趣的学生跟随任课教师做科研,直至他们毕业。这样的培养取得了较好的效果,不少学生在各级竞赛中,甚至是国家级竞赛中取得了好成绩。
3.直观化、网络化、开放性的现代化教学手段,有效地体现了现代工程教育
丰富的教学内容、灵活多样的教学方法通过有效的教学手段来体现。我们充分利用现代计算机技术,建设了精品课程网站,提供丰富的网上教学资源。利用网络技术,教师通过QQ软件进行学习辅导,建立QQ群。通过现代教学手段建设的开放性课程,全天24小时在线,有效地体现了工程教育的现代性。
网上教学资源方便了学生预习和复习,内容包括课程大纲、教材介绍、多媒体课件、电子教案、网上习题、实验指导、传感器资源网站汇总等。网站提供的习题为教材的补充习题,通过这些习题的练习,可以检查对课程内容的理解。为了便于学生检查自己对相关知识的掌握程度,网上提供了部分参考答案。实验教学包含实验内容、过程、步骤、方法,学生可以随时进行预习。
我们制作了包含本课程全部教学大纲内容的PPT电子讲稿。PPT电子讲稿教学信息量大,图文并茂,但是如果内容安排不当,会使学生眼花缭乱,把上课当成“电影浏览”。根据教学内容和目标,我们利用PowerPoint软件的强大功能对不同内容用不同形式进行讲解,提高教学效率。理论性强、公式推导比较多的内容,我们将推导过程做成动画显示,教师可以边推导边提问,给学生留出思考时间,避免了“讲解员式”呆板、枯燥的授课。对于抽象的基本原理、传感器工作过程和传感器应用案例,我们制作了Flash动画、视频演示并嵌套到PPT中,直观、生动、形象地展示给学生,使学生易于理解。对于教学的重点和难点,我们利用PowerPoint软件的画笔功能圈圈点点,和学生进行互动式教学,活跃课堂气氛。现代计算机软件的应用达到以图点睛,情境再现,重点突出的效果。
进行开放式教学,我们在课程网站上开辟了网上答疑,还利用即时通讯软件QQ,创建QQ学习群。教师和学生共同参与到群中,教师可以随时解答学生在学习中的问题,了解学习效果,学生也可相互交流经验,进行讨论。这样的学习方式不受时空限制,气氛是自由的,非常受学生欢迎。
利用我院工科实验中心的资源,我们对学生进行综合实践训练,进行开放性实验教学。开放性实验教学针对课程设计、毕业设计和科技制作等,题目开放,各环节自选,实验时间自由安排。训练项目包括查阅(文献和资料)、设计(方案和电路)、开发(硬件和软件)、测试(模块和系统)和处理(故障和结果)等环节,各个实验室资源共享,以完成完整的工程实践训练。
我们还开展了研究,利用虚拟仪器技术实现传感器实验的计算机仿真,进一步丰富网络实验教学资源,方便学生学习。传感器技术发展迅速,计算机辅助实验教学,可以让学生更快了解、熟悉国内外新型传感器的使用,紧随传感器技术的发展,节省实验设备购置经费。
三、现代工程教育理念指导教与学,实现教师、学生、社会“三赢”的教学效果
围绕现代工程教育的培养目标和核心,我们改革对学生的考核方式,引导他们用工程思想学习。平时作业我们一改过去一味以教科书与书本知识问答、套用公式计算等为主的作业形式,增加一些和科研项目相关的数据计算、与前后衔接课程相关的计算。另外向学生提供与课程相关的国内外著名技术期刊的名称和网址、国内外著名公司的网址,让学生们浏览、查阅,并撰写一些学科最新发展方面的“资料检索及综述”报告。理论考核采用分段考核的办法,考试成绩由平时作业成绩、随堂练习成绩、实验成绩、期末考试成绩等多项成绩综合评定,实验(实践)成绩单独占1.5个学分。
我们改革教学内容、教学方法、教学手段,加强教材建设、实践教学等环节。这些措施使学生对课程产生浓厚的兴趣,充分调动学生的学习积极性和潜能,形成了良好的學风。教学效果良好,得到了国内专家们和学生们的肯定与好评。学生实践能力训练效果显著,就业时极具竞争力,这种培养模式受到社会的欢迎。
教学相长,教学改革也促进了教师的教学、科研水平,教师的科研成果充实了课程内容,提高了讲课内容的知识性和趣味性,更加促进了教学。
我们培养学生具有完整的知识结构和知识层次,从理论、计算和实践三个方面进行训练,使他们能够定量、定性地分析问题,用系统工程的思想分析问题,与高技术结合,熟练运用计算机技术解决问题。从工科教育、人文教育两个方面进行工程实践,既注重知识的传授,又注重人的培养,让学生学会严格的工程思维方式。在现代工程理念指导下,突出创新性,为21世纪培养生命力旺盛的高素质工程技术人才。
参考文献:
[1]田逸.试论高等工程教育的培养目标[J].华北水利水电学院学报(社科版),2007,23(1):83-84,91.
[2]罗福午,于吉太.以现代工程为背景,进行生动有效的工程教育[J].高等工程教育研究,2004,(2):51-54.
[3]蒋全胜,吕家云.“传感器与检测技术”课程教学改革初探[J].巢湖学院学报,2009,11(3):144-146.
[4]M.DavidMerrill.首要教学原理[J].盛群力,马兰,译.远程教育杂志,2003,(4):20-27.
[5]张全法,等.用面阵CCD测量不规则平面物体的面积[J].仪表技术与传感器,2000,(2):36-39.
(责任编辑:麻剑飞)