◆張白 周春艷

作者：張白、周春艷，北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)橹悄苄盘?hào)檢測(cè)與控制（750021）。

1 引言

智能儀器是測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課，內(nèi)容涉及各類(lèi)微處理器的原理和應(yīng)用、電路設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法及軟件設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，是一門(mén)融合多項(xiàng)技術(shù)且對(duì)實(shí)踐性要求很高的核心課程[1-2]。當(dāng)前傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，采用課堂理論教學(xué)結(jié)合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備多采用基于8 位單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)箱，缺少軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，缺少開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生僅僅是在現(xiàn)有硬件平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏對(duì)硬件的認(rèn)識(shí)和了解，無(wú)法融會(huì)貫通相關(guān)理論知識(shí)，缺乏綜合應(yīng)用知識(shí)開(kāi)展智能儀器設(shè)計(jì)的能力。

因此，如何通過(guò)教學(xué)方式的改進(jìn)，提高學(xué)生對(duì)智能儀器課程的興趣，促進(jìn)學(xué)生掌握智能儀器設(shè)計(jì)相關(guān)理論知識(shí)，提高實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)的能力，培養(yǎng)的學(xué)生創(chuàng)造性思維，成為任課教師的研究重點(diǎn)。

CDIO（Conceive，構(gòu)思；Design，設(shè)計(jì)；Implement，實(shí)現(xiàn)；Operate，運(yùn)作）作為一種新的工程教育理念，主張以產(chǎn)品研發(fā)的CDIO 全過(guò)程，旨在重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)用專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用的能力、工程分析和解決問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和交流的能力[3]。借鑒CDIO 工程教育模式，貫徹項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法、競(jìng)賽制教學(xué)法，對(duì)智能儀器課程教學(xué)的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，期望調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

2 教學(xué)探索與實(shí)踐

分組教學(xué) 由于學(xué)生基礎(chǔ)的差異性，為了讓所有的學(xué)生都參與學(xué)習(xí)，培養(yǎng)他們之間的互助合作精神，可通過(guò)組成協(xié)作小組讓學(xué)生在合作中完成學(xué)習(xí)任務(wù)，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督，相互借鑒。將班級(jí)學(xué)生分成若干小組，并選出組織能力較強(qiáng)、學(xué)習(xí)成績(jī)較好的學(xué)生作為組長(zhǎng)，由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織、督促小組成員共同學(xué)習(xí)。將小組作為一個(gè)小的集體進(jìn)行共同考核、共同評(píng)定成績(jī)，如考勤的時(shí)候小組中有人沒(méi)到，則該組集體記為缺勤，每組進(jìn)行的項(xiàng)目比賽成績(jī)記為大家共同的平時(shí)成績(jī)。

項(xiàng)目式教學(xué)模式 傳統(tǒng)的教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)“以知識(shí)為本位”，教師首先在課堂上講授理論知識(shí)，然后進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`活動(dòng)。缺乏應(yīng)用載體的教學(xué)方式很難使學(xué)生對(duì)課堂上的研究對(duì)象有感性認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生感到理論知識(shí)的抽象與枯燥，而逐漸喪失學(xué)習(xí)興趣；實(shí)踐階段嚴(yán)重依賴(lài)實(shí)驗(yàn)箱固化的實(shí)驗(yàn)，存在與理論內(nèi)容脫節(jié)、實(shí)驗(yàn)過(guò)分依賴(lài)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)以及實(shí)驗(yàn)采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題。因此，這種理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相分離的格局很難系統(tǒng)性培養(yǎng)學(xué)生的綜合技能，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、參與性與協(xié)作性，影響學(xué)生專(zhuān)業(yè)技能的提高。

1）項(xiàng)目的選擇及任務(wù)設(shè)定。項(xiàng)目式教學(xué)法是以項(xiàng)目為依托，以任務(wù)為導(dǎo)向進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)[4-5]。首先，將教學(xué)內(nèi)容劃分為若干個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目都有一定的教學(xué)任務(wù)；在進(jìn)行每個(gè)項(xiàng)目時(shí)，由教師先對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分解并示范，在講解過(guò)程中引入若干問(wèn)題，以問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思維，實(shí)現(xiàn)學(xué)生參與項(xiàng)目實(shí)施；然后由小組分工協(xié)作，在規(guī)定時(shí)間完成項(xiàng)目任務(wù)。如可結(jié)合傳感器，設(shè)計(jì)五個(gè)項(xiàng)目：溫度測(cè)試儀、濕度測(cè)試儀、壓力測(cè)試儀、氣體濃度測(cè)試儀、液位高度測(cè)試儀。設(shè)計(jì)內(nèi)容均需涉及數(shù)據(jù)的采集、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理等。

另外，將項(xiàng)目要求規(guī)定好后，由學(xué)生自己撰寫(xiě)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù)書(shū)，工科專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生在系統(tǒng)性理論學(xué)習(xí)的過(guò)程中需要不斷培養(yǎng)工程實(shí)踐開(kāi)發(fā)能力，而這首先需要具備項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù)書(shū)的撰寫(xiě)與閱讀能力。沒(méi)有詳細(xì)的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù)書(shū)，很難將各章節(jié)涉及內(nèi)容融會(huì)貫通。因此，學(xué)生需根據(jù)項(xiàng)目?jī)?nèi)容撰寫(xiě)詳盡的項(xiàng)目任務(wù)書(shū)。

2）項(xiàng)目的實(shí)施。項(xiàng)目分為硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大塊，開(kāi)發(fā)過(guò)程采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)施方式采用小組形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，每組設(shè)備包括一個(gè)最小單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器、面包板等元器件。

硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將每一個(gè)項(xiàng)目的硬件電路分為晶振模塊、電源模塊、人機(jī)接口模塊、傳感器信號(hào)采集模塊、A/D 模塊、D/A 模塊、濾波模塊、LED 顯示模塊、LCD 顯示模塊、通信模塊以及專(zhuān)用功能模塊。每個(gè)模塊相應(yīng)設(shè)計(jì)若干方案供不同項(xiàng)目組選擇。以常用電源電路為例，分別設(shè)計(jì)以固定電壓芯片LM7805 構(gòu)建電源模塊、以三端可調(diào)芯片LM317 構(gòu)建電源模塊、以L(fǎng)M1117-5.0 芯片構(gòu)建電源模塊。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣采用模塊化設(shè)計(jì)，將每一個(gè)項(xiàng)目的軟件系統(tǒng)分為微處理器初始化模塊、鍵盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、LED 顯示模塊、LCD 顯示模塊、通信模塊以及特殊功能模塊。每一個(gè)軟件模塊設(shè)計(jì)若干方案。以微處理器初始化模塊為例，提供89C51單片機(jī)的初始化模塊，提供C8051 系列單片機(jī)的初始化模塊，提供STM32 系列單片機(jī)初始化模塊，供不同層級(jí)、不同需求的學(xué)生選擇，豐富學(xué)生的知識(shí)面，鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。在實(shí)施過(guò)程中，評(píng)選優(yōu)秀的學(xué)生模塊，加入模塊數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立軟件模塊貢獻(xiàn)榮譽(yù)榜，表彰學(xué)生的貢獻(xiàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情與積極性。

學(xué)生根據(jù)自己的項(xiàng)目需要，選擇不同的軟硬件模塊實(shí)現(xiàn)模塊化集成設(shè)計(jì)，最終焊接、調(diào)試實(shí)現(xiàn)不同的項(xiàng)目功能。

課堂教學(xué)方法 傳統(tǒng)的課堂通常是教師的“一言堂”，屬于填鴨式教學(xué)方式，教學(xué)方式與教學(xué)內(nèi)容固定，學(xué)生學(xué)習(xí)方式被動(dòng)，學(xué)習(xí)興趣不高，最終造成教學(xué)效果不理想。特別是對(duì)于智能儀器這類(lèi)涉及內(nèi)容多且繁雜的綜合性課程，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)更難提升學(xué)生的興趣與學(xué)習(xí)欲望。因此，本次改革將課件及授課“微小化”，針對(duì)每一章最核心的知識(shí)點(diǎn)以最精煉的語(yǔ)言及視頻展現(xiàn)出來(lái)，然后先動(dòng)手實(shí)踐，在實(shí)踐中運(yùn)用并鞏固理論知識(shí)點(diǎn)。如數(shù)據(jù)采集技術(shù)涉及的技術(shù)指標(biāo)很多，諸如信號(hào)類(lèi)型、最大信號(hào)幅值、增益、分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、精度、偏移誤差、增益誤差等，僅通過(guò)理論講解，學(xué)生很難掌握這些指標(biāo)的含義與區(qū)別。

因此，可首先在課堂對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換器基本理論進(jìn)行講解，然后演示一個(gè)采集傳感器電壓信號(hào)的例子，并在MATLAB 或Origin 等數(shù)據(jù)處理軟件中將采集到的值和理論值進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，然后分析A/D 轉(zhuǎn)換涉及的各類(lèi)誤差及技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)直觀(guān)感受，加深學(xué)生對(duì)理論概念的理解。課堂采用的教學(xué)示例不再是一個(gè)個(gè)孤立的例程，而是將一個(gè)個(gè)孤立的知識(shí)點(diǎn)集成在一個(gè)完整的項(xiàng)目中，通過(guò)在項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用相關(guān)知識(shí)，將零散的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地組織在一起，使得學(xué)生從感性認(rèn)知中重構(gòu)理論知識(shí)體系。并且學(xué)生通過(guò)實(shí)施項(xiàng)目，對(duì)項(xiàng)目中涉及的知識(shí)點(diǎn)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)問(wèn)題的理解也較為深刻，鞏固了理論基礎(chǔ)，鍛煉了實(shí)踐應(yīng)用能力。

對(duì)小組無(wú)法解決的問(wèn)題，采用師生互動(dòng)的方式，教師幫助設(shè)計(jì)解決方案，學(xué)生負(fù)責(zé)實(shí)施方案并驗(yàn)證結(jié)果。對(duì)于學(xué)生共同存在的問(wèn)題，可以采用小型專(zhuān)題講座的形式進(jìn)行系統(tǒng)講解，認(rèn)真聽(tīng)取學(xué)生的意見(jiàn)，有針對(duì)性地開(kāi)展相關(guān)講座，必將收到意想不到的效果。

競(jìng)賽制教學(xué)模式 競(jìng)爭(zhēng)是個(gè)體或群體為了達(dá)到目標(biāo)與對(duì)方爭(zhēng)勝的行為，在課堂小組間組織競(jìng)賽制教學(xué)，可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和進(jìn)取拼搏精神[6]。合理設(shè)計(jì)競(jìng)賽模式，將有效激發(fā)學(xué)生爭(zhēng)強(qiáng)好勝的心理，并將其轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)動(dòng)力，從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。為了集體與個(gè)人的榮譽(yù)，學(xué)生的注意力較平時(shí)會(huì)更集中，在取得一定成績(jī)后及時(shí)給予表?yè)P(yáng)就會(huì)產(chǎn)生成就感，這種成就感將轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)在的動(dòng)力，促使他們更加努力學(xué)習(xí)。同時(shí)，由于競(jìng)賽式學(xué)習(xí)是以學(xué)生為主體，學(xué)生對(duì)自己解決的問(wèn)題、做過(guò)的項(xiàng)目會(huì)留下深刻印象，最終實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的鞏固與實(shí)踐能力的提升。本課程將每次的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)都設(shè)計(jì)為組間競(jìng)賽活動(dòng)，可根據(jù)全組成員考勤情況、相互協(xié)作情況、PPT 講解情況、成果展示等幾個(gè)方面評(píng)選出最優(yōu)小組，并給出競(jìng)賽成績(jī)。

3 考核方式

借鑒“翻轉(zhuǎn)課堂”多維度、多方式的評(píng)價(jià)體制[7]，本課程的考核方式包含平時(shí)成績(jī)和項(xiàng)目競(jìng)賽成績(jī)兩部分，各占50%。其中，平時(shí)成績(jī)包括上課出勤占20 分，個(gè)人表現(xiàn)占30 分。在考核標(biāo)準(zhǔn)中，小組考勤及項(xiàng)目成績(jī)總共35 分，該分必須是小組成員共同努力協(xié)作得來(lái)的，以此督促全體學(xué)生都參與到學(xué)習(xí)中來(lái)，增強(qiáng)團(tuán)體協(xié)作意識(shí)及自我約束能力。另外15 分是個(gè)人得分，主要取決于學(xué)生個(gè)人在小組中的貢獻(xiàn)及對(duì)知識(shí)的掌握程度。該成績(jī)可以有效激勵(lì)學(xué)習(xí)較好的學(xué)生得到更高的成績(jī)，以示公平性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)智能儀器課程綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，本著以學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)的方針，借鑒CDIO 工程教學(xué)模式，精簡(jiǎn)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)“項(xiàng)目式教學(xué)法”“競(jìng)賽制教學(xué)法”等課堂活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。筆者通過(guò)這些教學(xué)方法和評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性有顯著改觀(guān)，學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到培養(yǎng)，綜合應(yīng)用知識(shí)的能力得到提升。

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