張白++周春艷

摘 要 基于CDIO教學(xué)模式和項目驅(qū)動教學(xué)法對智能儀器課程的教學(xué)方法進行改革，形成以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)方法。實踐證明取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 CDIO；智能儀器；項目驅(qū)動教學(xué)法

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）22-0092-03

Research on Application of CDIO Mode in Intelligent Instrument

Teaching//ZHANG Bai， ZHOU Chunyan

Abstract Teaching method of the course of intelligent instrument is reformed based on CDIO mode and project-driven teaching method in this paper， a teaching method which are taking project as the main line， teacher as the guide， the students as the main body is formed. The reform has proved to be having a good teaching result.

Key words CDIO； intelligent instrument； project-driven teaching method

1 引言

智能儀器是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門專業(yè)必修課，內(nèi)容涉及各類微處理器的原理和應(yīng)用、電路設(shè)計技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法及軟件設(shè)計等方面的知識，是一門融合多項技術(shù)且對實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)合驗證性實驗教學(xué)的模式，且實驗設(shè)備多采用基于8位單片機的實驗箱，缺少軟件設(shè)計環(huán)節(jié)，缺少開放性實驗，學(xué)生僅僅是在現(xiàn)有硬件平臺上進行驗證性實驗，缺乏對硬件的認(rèn)識和了解，無法融會貫通相關(guān)理論知識，缺乏綜合應(yīng)用知識開展智能儀器設(shè)計的能力。

因此，如何通過教學(xué)方式的改進，提高學(xué)生對智能儀器課程的興趣，促進學(xué)生掌握智能儀器設(shè)計相關(guān)理論知識，提高實際應(yīng)用開發(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。

CDIO（Conceive，構(gòu)思；Design，設(shè)計；Implement，實現(xiàn)；Operate，運作）作為一種新的工程教育理念，主張以產(chǎn)品研發(fā)的CDIO全過程，旨在重點培養(yǎng)學(xué)生熟練運用專業(yè)基礎(chǔ)知識及應(yīng)用的能力、工程分析和解決問題的能力、團隊協(xié)作和交流的能力[3]。借鑒CDIO工程教育模式，貫徹項目驅(qū)動教學(xué)法、競賽制教學(xué)法，對智能儀器課程教學(xué)的每個環(huán)節(jié)進行改革，期望調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力，達到良好的教學(xué)效果。

2 教學(xué)探索與實踐

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。將班級學(xué)生分成若干小組，并選出組織能力較強、學(xué)習(xí)成績較好的學(xué)生作為組長，由組長負(fù)責(zé)組織、督促小組成員共同學(xué)習(xí)。將小組作為一個小的集體進行共同考核、共同評定成績，如考勤的時候小組中有人沒到，則該組集體記為缺勤，每組進行的項目比賽成績記為大家共同的平時成績。

項目式教學(xué)模式 傳統(tǒng)的教學(xué)模式強調(diào)“以知識為本位”，教師首先在課堂上講授理論知識，然后進行相關(guān)的實驗或?qū)嵺`活動。缺乏應(yīng)用載體的教學(xué)方式很難使學(xué)生對課堂上的研究對象有感性認(rèn)識，導(dǎo)致學(xué)生感到理論知識的抽象與枯燥，而逐漸喪失學(xué)習(xí)興趣；實踐階段嚴(yán)重依賴實驗箱固化的實驗，存在與理論內(nèi)容脫節(jié)、實驗過分依賴實驗指導(dǎo)書以及實驗采用驗證性實驗等問題。因此，這種理論教學(xué)與實踐教學(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)動學(xué)生的主動性、參與性與協(xié)作性，影響學(xué)生專業(yè)技能的提高。

1）項目的選擇及任務(wù)設(shè)定。項目式教學(xué)法是以項目為依托，以任務(wù)為導(dǎo)向進行的教學(xué)活動[4-5]。首先，將教學(xué)內(nèi)容劃分為若干個教學(xué)項目，每個項目都有一定的教學(xué)任務(wù)；在進行每個項目時，由教師先對項目進行分解并示范，在講解過程中引入若干問題，以問題引導(dǎo)學(xué)生思維，實現(xiàn)學(xué)生參與項目實施；然后由小組分工協(xié)作，在規(guī)定時間完成項目任務(wù)。如可結(jié)合傳感器，設(shè)計五個項目：溫度測試儀、濕度測試儀、壓力測試儀、氣體濃度測試儀、液位高度測試儀。設(shè)計內(nèi)容均需涉及數(shù)據(jù)的采集、人機交互、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理等。

另外，將項目要求規(guī)定好后，由學(xué)生自己撰寫項目開發(fā)任務(wù)書，工科專業(yè)的大學(xué)生在系統(tǒng)性理論學(xué)習(xí)的過程中需要不斷培養(yǎng)工程實踐開發(fā)能力，而這首先需要具備項目開發(fā)任務(wù)書的撰寫與閱讀能力。沒有詳細的項目開發(fā)任務(wù)書，很難將各章節(jié)涉及內(nèi)容融會貫通。因此，學(xué)生需根據(jù)項目內(nèi)容撰寫詳盡的項目任務(wù)書。

2）項目的實施。項目分為硬件系統(tǒng)設(shè)計與軟件系統(tǒng)設(shè)計兩大塊，開發(fā)過程采用模塊化設(shè)計，實施方式采用小組形式進行開發(fā)，每組設(shè)備包括一個最小單片機系統(tǒng)、傳感器、面包板等元器件。

硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，將每一個項目的硬件電路分為晶振模塊、電源模塊、人機接口模塊、傳感器信號采集模塊、A/D模塊、D/A模塊、濾波模塊、LED顯示模塊、LCD顯示模塊、通信模塊以及專用功能模塊。每個模塊相應(yīng)設(shè)計若干方案供不同項目組選擇。以常用電源電路為例，分別設(shè)計以固定電壓芯片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LM1117-5.0芯片構(gòu)建電源模塊。

軟件系統(tǒng)設(shè)計同樣采用模塊化設(shè)計，將每一個項目的軟件系統(tǒng)分為微處理器初始化模塊、鍵盤訪問模塊、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。每一個軟件模塊設(shè)計若干方案。以微處理器初始化模塊為例，提供89C51單片機的初始化模塊，提供C8051系列單片機的初始化模塊，提供STM32系列單片機初始化模塊，供不同層級、不同需求的學(xué)生選擇，豐富學(xué)生的知識面，鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。在實施過程中，評選優(yōu)秀的學(xué)生模塊，加入模塊數(shù)據(jù)庫，并建立軟件模塊貢獻榮譽榜，表彰學(xué)生的貢獻，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情與積極性。endprint

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

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，學(xué)習(xí)興趣不高，最終造成教學(xué)效果不理想。特別是對于智能儀器這類涉及內(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”，針對每一章最核心的知識點以最精煉的語言及視頻展現(xiàn)出來，然后先動手實踐，在實踐中運用并鞏固理論知識點。如數(shù)據(jù)采集技術(shù)涉及的技術(shù)指標(biāo)很多，諸如信號類型、最大信號幅值、增益、分辨率、轉(zhuǎn)換時間、精度、偏移誤差、增益誤差等，僅通過理論講解，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A/D轉(zhuǎn)換器基本理論進行講解，然后演示一個采集傳感器電壓信號的例子，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行曲線擬合，然后分析A/D轉(zhuǎn)換涉及的各類誤差及技術(shù)指標(biāo)，通過直觀感受，加深學(xué)生對理論概念的理解。課堂采用的教學(xué)示例不再是一個個孤立的例程，而是將一個個孤立的知識點集成在一個完整的項目中，通過在項目中實際應(yīng)用相關(guān)知識，將零散的知識點有機地組織在一起，使得學(xué)生從感性認(rèn)知中重構(gòu)理論知識體系。并且學(xué)生通過實施項目，對項目中涉及的知識點有了進一步的認(rèn)識，對問題的理解也較為深刻，鞏固了理論基礎(chǔ)，鍛煉了實踐應(yīng)用能力。

對小組無法解決的問題，采用師生互動的方式，教師幫助設(shè)計解決方案，學(xué)生負(fù)責(zé)實施方案并驗證結(jié)果。對于學(xué)生共同存在的問題，可以采用小型專題講座的形式進行系統(tǒng)講解，認(rèn)真聽取學(xué)生的意見，有針對性地開展相關(guān)講座，必將收到意想不到的效果。

競賽制教學(xué)模式 競爭是個體或群體為了達到目標(biāo)與對方爭勝的行為，在課堂小組間組織競賽制教學(xué)，可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和進取拼搏精神[6]。合理設(shè)計競賽模式，將有效激發(fā)學(xué)生爭強好勝的心理，并將其轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)動力，從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。為了集體與個人的榮譽，學(xué)生的注意力較平時會更集中，在取得一定成績后及時給予表揚就會產(chǎn)生成就感，這種成就感將轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)在的動力，促使他們更加努力學(xué)習(xí)。同時，由于競賽式學(xué)習(xí)是以學(xué)生為主體，學(xué)生對自己解決的問題、做過的項目會留下深刻印象，最終實現(xiàn)理論知識的鞏固與實踐能力的提升。本課程將每次的項目開發(fā)都設(shè)計為組間競賽活動，可根據(jù)全組成員考勤情況、相互協(xié)作情況、PPT講解情況、成果展示等幾個方面評選出最優(yōu)小組，并給出競賽成績。

3 考核方式

借鑒“翻轉(zhuǎn)課堂”多維度、多方式的評價體制[7]，本課程的考核方式包含平時成績和項目競賽成績兩部分，各占50%。其中，平時成績包括上課出勤占20分，個人表現(xiàn)占30分。在考核標(biāo)準(zhǔn)中，小組考勤及項目成績總共35分，該分必須是小組成員共同努力協(xié)作得來的，以此督促全體學(xué)生都參與到學(xué)習(xí)中來，增強團體協(xié)作意識及自我約束能力。另外15分是個人得分，主要取決于學(xué)生個人在小組中的貢獻及對知識的掌握程度。該成績可以有效激勵學(xué)習(xí)較好的學(xué)生得到更高的成績，以示公平性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)智能儀器課程綜合性、實踐性強等特點，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，精簡教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計“項目式教學(xué)法”“競賽制教學(xué)法”等課堂活動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。筆者通過這些教學(xué)方法和評價方法的改進，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性有顯著改觀，學(xué)生實踐創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力得到培養(yǎng)，綜合應(yīng)用知識的能力得到提升?！?/p>

參考文獻

[1]劉獻如.智能儀器課程教學(xué)改革探索[J].計算機教育，

2010（19）：45-47.

[2]蔡自興.智能控制原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]姜大志，孫浩軍.基于CDIO的主動式項目驅(qū)動學(xué)習(xí)方法研究：以Java類課程教學(xué)改革為例[J].高等工程教育研究，2012（4）：159-164.

[4]呂萍.基于項目的多課程協(xié)同教學(xué)理念和實踐[J].高等工程教育研究，2012（4）：171-175.

[5]李妍.項目化教學(xué)在嵌入式系統(tǒng)實踐課程中的探索[J].實驗室科學(xué)，2012（5）：27-29.

[6]許慧.積極情緒對工程學(xué)生創(chuàng)新能力影響研究[J].高等工程教育研究，2015（2）：94-99.

[7]丁建英，黃煙波.翻轉(zhuǎn)課堂研究及其教學(xué)設(shè)計[J].中國教育技術(shù)裝備，2013（21）：88-91.endprint