基于CDIO項(xiàng)目式理念的虛擬儀器課程教學(xué)改革

陳　度, 宋正河, 王書茂, 譚　彧

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 北京　100083)

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基于CDIO項(xiàng)目式理念的虛擬儀器課程教學(xué)改革

陳度, 宋正河, 王書茂, 譚彧

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 北京100083)

為了解決傳統(tǒng)教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)多、理論較為抽象、學(xué)生被動(dòng)理解等問(wèn)題,通過(guò)增加實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié),以CDIO項(xiàng)目式理念進(jìn)行課程教學(xué)和課程設(shè)計(jì)體系設(shè)計(jì),充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的主觀能動(dòng)性。同時(shí),通過(guò)知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)性設(shè)計(jì)和項(xiàng)目化管理,使學(xué)生能夠在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中完成關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)理解、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深入掌握、工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、項(xiàng)目文檔撰寫與管理等教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié),充分地實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)際分析解決問(wèn)題的能力。

虛擬儀器； CDIO； 項(xiàng)目式管理； 實(shí)踐教學(xué)

虛擬儀器是利用高性能模塊化硬件,結(jié)合高效靈活軟件進(jìn)行各類測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的新興技術(shù)[1]。近年來(lái),虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)[2]。同時(shí),虛擬儀器作為一項(xiàng)新興技術(shù),也極大地影響著傳統(tǒng)的高?？蒲泻徒逃ぷ鱗3]。在國(guó)外,虛擬儀器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)工作[4-5]。美國(guó)德州A&M大學(xué)為加強(qiáng)儀器儀表類專業(yè)學(xué)生對(duì)數(shù)字通信原理的理解,將虛擬儀器引入測(cè)控儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程,通過(guò)項(xiàng)目式體驗(yàn)學(xué)習(xí),加深學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)采集、總線通信和閉關(guān)控制等知識(shí)點(diǎn)的理解,取得了良好的效果[6]?？死乓叽拇髮W(xué)通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行控制原理課程演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)工作,有效解決了教學(xué)資源緊張的問(wèn)題[7]。在國(guó)內(nèi),清華大學(xué)郝麗等利用計(jì)算機(jī)聲卡,設(shè)計(jì)了基于聲音模擬信號(hào)采集的實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié),有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[8]。華中科技大學(xué)喻紅等以實(shí)際工程案例為主導(dǎo),以虛擬儀器為載體,開(kāi)展工程測(cè)試基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué),取得了良好的效果[9]。同時(shí),虛擬儀器作為高校和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展科研活動(dòng)的重要手段之一,其在科研活動(dòng)中取得的一些實(shí)踐成果,也經(jīng)常作為經(jīng)典案例用于教學(xué)活動(dòng),對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)方式和能力的培養(yǎng)起到了很大的促進(jìn)作用[10-11]。

1　基于項(xiàng)目管理的教學(xué)體系

1.1教學(xué)大綱調(diào)整

虛擬儀器課程及課程設(shè)計(jì)是本科生在完成數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、工程測(cè)試技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)后,進(jìn)行綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)環(huán)節(jié),需要在關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)理解、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深入掌握、工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等方面對(duì)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力進(jìn)行全面提升。以前的教學(xué)大綱中,虛擬儀器設(shè)計(jì)作為以講授和演示為主的課程,缺乏相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)與之對(duì)應(yīng),存在重理論講授、輕動(dòng)手實(shí)踐的現(xiàn)象,與需要在項(xiàng)目中培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的觀念存在較大的偏差。為提升機(jī)電專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器方向?qū)W生的創(chuàng)新實(shí)踐能力,在原有虛擬儀器設(shè)計(jì)課程基礎(chǔ)上,通過(guò)整合調(diào)整其他實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)時(shí),增設(shè)時(shí)長(zhǎng)為2周的虛擬儀器課程設(shè)計(jì),并以CDIO項(xiàng)目式教學(xué)理念,進(jìn)行了課程知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)性設(shè)計(jì)、項(xiàng)目化組織與實(shí)踐等工作見(jiàn)表1。

表1　新舊大綱對(duì)比

考慮學(xué)生已經(jīng)完成電子技術(shù)、工程測(cè)試技術(shù)、微機(jī)原理等基礎(chǔ)課程,將原來(lái)虛擬儀器課程理論教學(xué)中與先修課程有交叉的內(nèi)容,以上機(jī)實(shí)驗(yàn)或項(xiàng)目培訓(xùn)的方式完成,在沒(méi)有縮短重點(diǎn)內(nèi)容學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上,加入了項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目分組討論等與完成項(xiàng)目相關(guān)的內(nèi)容,并通過(guò)增設(shè)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),有機(jī)地將課堂教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)施相融合。

1.2教學(xué)方案設(shè)計(jì)

新的教學(xué)體系在對(duì)教學(xué)大綱進(jìn)行調(diào)整并增設(shè)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上,主要由課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和項(xiàng)目實(shí)踐3個(gè)部分組成。在課程講授和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段,通過(guò)關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)學(xué)生利用有限時(shí)間完成對(duì)理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深入理解。同時(shí),指導(dǎo)教師結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施需要,和學(xué)生一起完成需求分析、可行性研究、方案設(shè)計(jì)等工作。在此環(huán)節(jié)中,教師和學(xué)生存在不同角色的轉(zhuǎn)換,教師不僅起到指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)的作用,還將從使用者的視角對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行質(zhì)詢。在進(jìn)入課程設(shè)計(jì)階段,將完全以學(xué)生為主體,根據(jù)課程教學(xué)階段設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)容的具體實(shí)施,并最終通過(guò)教師的考核。新的教學(xué)方案及任務(wù)管理流程如圖1所示。

圖1　教學(xué)實(shí)施方案及任務(wù)管理流程

2　課程知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)

虛擬儀器課程是工程測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)控原理等課程的延伸,在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中需要圍繞虛擬儀器硬件技術(shù)、軟件結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)規(guī)范與編程等幾個(gè)方面展開(kāi),還需要與之前課程中的信號(hào)分析技術(shù)、傳感器測(cè)量原理、測(cè)試信號(hào)調(diào)理與分析等內(nèi)容相關(guān)聯(lián)。在引入項(xiàng)目式管理后,對(duì)理論課時(shí)進(jìn)行了壓縮,因此,在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí),充分考慮了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課程知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的靈活性等因素,通過(guò)選用美國(guó)國(guó)家儀器公司的myDAQ教學(xué)平臺(tái)和miniSystems教學(xué)套件,既實(shí)現(xiàn)了知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的匹配,又可以不受時(shí)間和空間的限制。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)如圖2所示。學(xué)生可以根據(jù)自身情況,在充分了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,通過(guò)查閱資料分析、理解,自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告,解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受時(shí)間和空間限制的問(wèn)題。

(1) myTemp與傳感器測(cè)量。myTemp是用于溫度傳感和過(guò)程控制的微實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)完成本實(shí)驗(yàn),學(xué)習(xí)熱敏電阻作為溫度傳感測(cè)量的基本原理,加深對(duì)模擬采樣基礎(chǔ)概念的理解,并掌握利用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析的基本方法,為進(jìn)行溫度過(guò)程控制提供技術(shù)手段。

(2) myQuake與信號(hào)時(shí)頻域分析。myQuake是用于加速度信號(hào)測(cè)量和分析的微實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),學(xué)生可以利用該系統(tǒng)進(jìn)行加速度計(jì)信號(hào)的采集和分析,通過(guò)調(diào)節(jié)偏心電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)度的目的。在該過(guò)程中,學(xué)生可以學(xué)習(xí)并掌握加速度時(shí)域信號(hào)的處理和分析,掌握傅里葉變換、數(shù)字濾波等常見(jiàn)信號(hào)處理分析的應(yīng)用。

(3) myVTOL與測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。myVTOL是用于測(cè)量與控制原理教學(xué)的微實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),內(nèi)含控制懸停的直流風(fēng)扇,學(xué)生通過(guò)軟件編程,利用霍爾傳感器測(cè)量風(fēng)扇飛行距離,然后通過(guò)設(shè)計(jì)PID控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),達(dá)到控制單自由度裝置上升力大小的目的。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的學(xué)習(xí),學(xué)生可以深入掌握閉環(huán)測(cè)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成,可以進(jìn)行簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖2　利用myDAQ與微系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

3　項(xiàng)目環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

將項(xiàng)目管理機(jī)制引入教學(xué),就需要從時(shí)間角度將課程教學(xué)和課程設(shè)計(jì)劃分為若干個(gè)階段,每個(gè)階段的任務(wù)相對(duì)獨(dú)立,易于控制。每個(gè)階段需要有嚴(yán)密的計(jì)劃,并在階段結(jié)束時(shí)按照要求進(jìn)行嚴(yán)格的檢查。采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行工程測(cè)控項(xiàng)目的開(kāi)發(fā),其核心任務(wù)是軟件開(kāi)發(fā)[12],因此,在設(shè)計(jì)項(xiàng)目式教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)引入軟件工程學(xué)的方法對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行管理,有助于提高工作效率,保證項(xiàng)目的完成質(zhì)量?；陧?xiàng)目的課程管理環(huán)節(jié)及階段性成果可以分為以下幾個(gè)方面:

(1) 任務(wù)理解與可行性報(bào)告。不同于傳統(tǒng)教學(xué)方式,在引入項(xiàng)目式教學(xué)理念后,需要學(xué)生進(jìn)行開(kāi)放思考,對(duì)教師提出的課程任務(wù)進(jìn)行仔細(xì)分析,并通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料、分組討論提出可行性方案,并對(duì)該項(xiàng)目的需求進(jìn)行分析,然后結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研結(jié)果撰寫可行性報(bào)告。

(2) 總體方案與設(shè)計(jì)說(shuō)明書。學(xué)生將在總體設(shè)計(jì)說(shuō)明書、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面開(kāi)展工作,應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通信設(shè)備等的選型或開(kāi)發(fā),同時(shí),需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行框架設(shè)計(jì),明確軟件各功能模塊的主要任務(wù),并采用由頂向下細(xì)化的方法,形成軟件的層次結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上,撰寫總體設(shè)計(jì)說(shuō)明書,對(duì)軟硬件各個(gè)部分的功能及技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)描述。

(3) 詳細(xì)設(shè)計(jì)與過(guò)程記錄。在完成前期項(xiàng)目調(diào)研和設(shè)計(jì)說(shuō)明書撰寫后,當(dāng)學(xué)生進(jìn)入課程設(shè)計(jì)階段時(shí)已經(jīng)擁有充分的準(zhǔn)備時(shí)間,可以直接進(jìn)入硬件制作和軟件開(kāi)發(fā)階段,且教師已經(jīng)在前期完成了設(shè)備材料的購(gòu)置,節(jié)省了項(xiàng)目實(shí)施的準(zhǔn)備時(shí)間。在該環(huán)節(jié)中,學(xué)生不僅需要完成硬件制作與代碼編寫,還需要對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方案進(jìn)行詳細(xì)記錄,為后期項(xiàng)目報(bào)告的撰寫提供素材。

(4) 系統(tǒng)測(cè)試與項(xiàng)目報(bào)告。在完成軟硬件設(shè)計(jì)后,應(yīng)進(jìn)行必要的系統(tǒng)測(cè)試,并按在理論課程階段測(cè)試系統(tǒng)特性部分的要求,對(duì)研制的虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,在此基礎(chǔ)上撰寫項(xiàng)目執(zhí)行情況報(bào)告,按照學(xué)術(shù)論文撰寫規(guī)范,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析進(jìn)行科學(xué)的描述。

(5) 成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)與項(xiàng)目答辯。在完成所有項(xiàng)目環(huán)節(jié)后,將以團(tuán)隊(duì)為單位,對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程和實(shí)施結(jié)果進(jìn)行總結(jié),并制作答辯材料,教師最終通過(guò)項(xiàng)目完成情況、文檔材料完整性和答辯效果進(jìn)行項(xiàng)目考核,并根據(jù)團(tuán)隊(duì)成員的表現(xiàn),對(duì)個(gè)體進(jìn)行評(píng)分。

4　實(shí)踐與效果分析

按照修改后大綱的要求,對(duì)我校2012級(jí)機(jī)械電子工程專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器方向本科學(xué)生進(jìn)行了項(xiàng)目式培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐。根據(jù)現(xiàn)有條件和學(xué)生的實(shí)際情況,將項(xiàng)目任務(wù)分為學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目、教師指定項(xiàng)目和學(xué)生自擬項(xiàng)目3種類型,給不同層次學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)新能力的空間。從整體實(shí)施效果來(lái)看,通過(guò)實(shí)施課程的項(xiàng)目化管理,能夠更大限度地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,有效加深了學(xué)生對(duì)于課程理論知識(shí)的理解。

(1) 在可行性報(bào)告完成階段,主要培養(yǎng)學(xué)生理解問(wèn)題的能力。通過(guò)文獻(xiàn)查閱,深入分析項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中可能存在的問(wèn)題,鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考的能力,同時(shí)通過(guò)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的討論,培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力。

(2) 在方案設(shè)計(jì)階段,主要培養(yǎng)學(xué)生邏輯思考和文檔管理能力。在進(jìn)行項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中,學(xué)生需要自主學(xué)習(xí)課外知識(shí)解決軟硬件設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題,并以項(xiàng)目說(shuō)明書為載體,將方案設(shè)計(jì)階段遇到的問(wèn)題及解決方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

(3) 在詳細(xì)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試階段,以學(xué)生為主體完成項(xiàng)目的實(shí)施,主要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐動(dòng)手能力。在完成工程項(xiàng)目過(guò)程中,針對(duì)同一對(duì)象或問(wèn)題,可以采用多種方法解決,學(xué)生可以充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性,在脫離教師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行關(guān)鍵問(wèn)題的處理,能夠更加有效地鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力。

(4) 項(xiàng)目驗(yàn)收和答辯階段,主要培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)變和語(yǔ)言表達(dá)能力。在做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟硬件制作的基礎(chǔ)上,與客戶(教師)進(jìn)行有效溝通,解答客戶存在的疑惑和問(wèn)題,能夠進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)于項(xiàng)目實(shí)施的理解。

另外,對(duì)于具有創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生,在完成課程學(xué)習(xí)的同時(shí),能夠以參加學(xué)科競(jìng)賽的方式提前參與更高層次的學(xué)習(xí)和科研活動(dòng),從一定程度上為科研工作持續(xù)開(kāi)展培養(yǎng)了后備人才。

5　結(jié)語(yǔ)

利用CDIO項(xiàng)目式教育理念進(jìn)行了虛擬儀器課程的教學(xué)實(shí)踐改革,以項(xiàng)目實(shí)施為主線,充分發(fā)揮教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)理念,通過(guò)小團(tuán)隊(duì)的形式,在深入掌握課程知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣,提升了學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、動(dòng)手實(shí)踐、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面的能力,并以項(xiàng)目化管理方式培養(yǎng)了學(xué)生溝通表達(dá)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)人員必備的人才素養(yǎng)。

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Practice on reform of virtual instrument teaching coursebased on CDIO project learning concept

Chen Du,Song Zhenghe,Wang Shumao,Tan Yu

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083,China)

In order to solve the problem of excessive knowledge points and students’ passive learning habits, the course syllabus is reformed based on CDIO project-based concept with practical training. The developed syllabus aims to encourage the students’ engagement by active learning,collaborative work,problem-based learning to complete all learning aspects including mastery of knowledge,system design and project document preparation. The newly designed course is considered as an efficient and appropriate approach for project-based education.

virtual instrument; CDIO; project based management; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.041

2016-03-14

北京高等學(xué)校教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2014-ms043)

陳度(1981—),男,重慶萬(wàn)州,博士,高級(jí)工程師,主要從事機(jī)電一體化與測(cè)控技術(shù)方向的教學(xué)和研究工作.

E-mail：tchendu@cau.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)9-0159-04