智能儀器課程與實踐教學改革研究

劉 軍， 侯慶明， 饒利民， 方江雄， 楊志超， 楊 鳳

(1. 東華理工大學 地球物理與測控技術(shù)學院 江西 南昌 330013；2. 東華理工大學 建筑工程學院 江西 南昌 330013)

隨著電子技術(shù)、微處理器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代儀器的設計均朝著高度集成化、智能化方向發(fā)展，智能儀器課程也逐漸成為高校儀器類專業(yè)的重要專業(yè)課程。智能儀器課程以電路分析、電子技術(shù)、C語言、單片機原理、嵌入式系統(tǒng)、誤差理論等課程為基礎(chǔ)，從儀器設計的需求分析、軟硬件組成框架、具體實現(xiàn)等出發(fā)，最終上升到系統(tǒng)的誤差處理、自動校正、補償和可靠性設計。

智能儀器課程包括理論課程和實踐課程，實踐課程又包括實驗和課程設計部分。該課程綜合了儀器設計所需的基礎(chǔ)知識，因此要求在具備堅實的電學、微機處理器、嵌入式系統(tǒng)等知識基礎(chǔ)的前提下，進一步通過學習現(xiàn)代智能儀器設計思想，最終讓學生可針對專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的測控儀器與系統(tǒng)進行合理的分析和設計，為工程實踐、創(chuàng)新打下良好的儀器設計基礎(chǔ)。因此，在儀器類專業(yè)中，智能儀器課程是專業(yè)知識的融會貫通、高度凝練，其作用極為重要。但智能儀器課程同時也是一門較難掌握的知識綜合性課程，以筆者所在專業(yè)為例，其教學面臨問題如下：

(1)智能儀器課程中涉及的相關(guān)內(nèi)容、基礎(chǔ)知識眾多，既要求具備良好的電學知識，又要求具備堅實的嵌入式和程序設計基礎(chǔ)。

(2)大規(guī)模集成芯片知識章節(jié)作為課程的重點內(nèi)容，但集成芯片種類繁多，造成教學重點難以確定。

(3)理論課程過于注重知識點的講授，難以形成系統(tǒng)的整體，易導致教學主線不清晰，甚至混亂，對教學造成困難。

(4)實踐課程不系統(tǒng)，實驗單元內(nèi)容零散、課程設計出發(fā)點不明確，最終亦難以達到培養(yǎng)和提升實踐能力的目的。

自2010年開始，創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)型教育是高等教育的重要發(fā)展方向，因此，作為實用性較強的工科專業(yè)還肩負著大學生的應用能力的培養(yǎng)，乃至肩負著創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的職責[1，2]。因此，作為重要的綜合性專業(yè)課程，與時俱進地針對智能儀器及其實踐課程的教學方法的研究也勢在必行。陳建容等探討將智能儀器實驗課程定位為綜合型[3]；呂青等人主要針對理論課程教學，從教學方法、教學內(nèi)容、考核方式等角度提升教學效果[4-6]；劉獻如等則在課程安排、實驗教學內(nèi)容等方面進行改進，同時強調(diào)學習興趣引導的重要性[7，8]；高云紅等從提升仿真技術(shù)能力和實踐教學以工程項目研發(fā)為目標出發(fā)，提升智能儀器課程教學實效[9]。

針對智能儀器課程教學和學習的現(xiàn)狀，在加強對課程內(nèi)容的理解與掌握的基礎(chǔ)上，研究智能儀器及實踐課程體系的教學模式和方法，旨在提高學生對智能儀器設計方法、技術(shù)的掌握，乃至培養(yǎng)、提升學生的創(chuàng)新意識和能力。

1 教學主線

本文針對智能儀器課程的特點，設計教學主線如圖1所示。首先，在開課之前，進行專業(yè)課程體系的課程教育，讓學生認識該門課程對于專業(yè)知識體系的重要性的同時，了解學習該課程需要的知識準備；其次，對重要知識內(nèi)容采取“翻轉(zhuǎn)式”課堂形式，重視課下學習、練習與積累；再者，充分利用實踐課程將所學的理論知識落實于實驗和課程設計論題的分析、設計中，最終使得學生對所學知識從理論到實際皆有深入理解、掌握。

圖1 教學主線示意圖

2 教學安排與方法

目前，筆者所在專業(yè)智能儀器課程的理論與實踐教學尚不系統(tǒng)，從學生反饋來看，重點不明確、知識點過多且難以掌握。針對課程教學現(xiàn)狀，智能儀器及實踐教學方法改革包括教學計劃、教學內(nèi)容、教學手段、學習效果評價方式等，各部分之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 教學方法各部分間的關(guān)系

2.1 統(tǒng)籌安排的教學計劃

為使學生認識到智能儀器課程的重要性，在課程學習之前開展課程體系教育，督促學生針對性復習電子技術(shù)、微處理器、高級語言程序設計等知識。筆者所在專業(yè)每一學期期末統(tǒng)一安排下學期的課程計劃，根據(jù)教學大綱提前將智能儀器課程安排在“單片機原理”和“嵌入式系統(tǒng)”等課程之后，一方面，讓學生具備一定的儀器設計基礎(chǔ)；另一方面，針對重要知識單元設計實驗課程，將實驗課程開設時間與理論課程講授內(nèi)容緊密結(jié)合，“即學即做”，以達到知識的同步消化、掌握。

2.2 重點突出的教學內(nèi)容

智能儀器課程為系統(tǒng)性較強的課程，與其相關(guān)的基礎(chǔ)知識眾多、知識面跨度廣，這對系統(tǒng)性理解并應用造成困難。因此，本文將專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的重要且知識綜合性、系統(tǒng)性較強的智能儀器設計案例所涉及的知識作為重點教學內(nèi)容，在強調(diào)知識系統(tǒng)性的同時，明確教學重點。例如，在眾多智能系統(tǒng)的微處理器中，著重并深入學習stm32系列單片機，系統(tǒng)的自動校正則重點以線性系統(tǒng)為例。

2.3 層次遞進的實踐環(huán)節(jié)

作為智能儀器課程極為重要的組成部分，實踐課程分為實驗課程和課程設計。實驗課程目的在于及時將理論知識轉(zhuǎn)化為應用，并通過實際應用分析、驗證，進一步加強對理論知識的消化吸收。本文結(jié)合重要理論教學設計實驗課程，具體分為仿真和實物兩種類型。課程設計則在課程末期進行，體現(xiàn)其對整門課程乃至整體專業(yè)課程的知識的綜合性、系統(tǒng)性。本文將課程設計按層次分為驗證型、設計型和創(chuàng)新型，同時將實驗室申請為開放實驗室，便于學生自主實驗。驗證型設計重點針對智能儀器設計案例進行驗證分析，如用Multisim、keil和Protues等仿真軟件對智能儀器系統(tǒng)進行仿真計算、驗證分析；設計型為根據(jù)既定的設計任務和要求，自主完成系統(tǒng)仿真或?qū)嵨镌O計，提高儀器設計實踐能力；創(chuàng)新型設計則為按照學生能力強弱、意愿合理搭配，將學生分成小組(設計能力和組織能力強的學生擔任小組組長)，利用所學知識，根據(jù)自身興趣自由選題，從構(gòu)思設計、購買器件、焊接到最終的系統(tǒng)調(diào)試實現(xiàn)都由小組集體完成。此外，將有應用價值和發(fā)展前景的選題，指導申請大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題，并應用于社會需求和工程實踐。另外，通過系統(tǒng)的理論知識和實踐學習后，鼓勵學生參與老師的科研課題，以提升學生的創(chuàng)新和團隊協(xié)作能力。

2.4 多元優(yōu)化的教學形式

智能儀器課程理論知識內(nèi)容豐富，既有復雜的電路分析，又包括原理講解，宜采用多媒體和板書相結(jié)合的教學方式。對于系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)分析，采用多媒體課件的方式主導教學，豐富的多媒體資源可在提高教學效率(節(jié)省繪制電路框圖、原理圖的時間)的同時，適當?shù)貙⑷の缎匀谌虢虒W過程，提升學生的學習興趣；而對于原理性為主導的教學過程，則以板書為主，板書的詳細推演過程既有利于師生之間實時互動，又有利于突出重點，便于學生對知識整體和結(jié)構(gòu)的把握。此外，在實驗教學過程中，利用自主開發(fā)的視覺系統(tǒng)對教學過程的仿真與實物演示進行實時拍攝投影，可讓每一位學生清晰地觀看教師的實驗演示過程，進而提升實驗參與程度。

2.5 綜合式學習效果評價方式

智能儀器課程對于學生學習效果采用過程評價為主和總結(jié)性評價相結(jié)合(各占考核總分的50%)的綜合式評價方式。過程評價內(nèi)容包括平時作業(yè)、實踐答辯、課堂表現(xiàn)、學習能力、參與程度和合作精神等?？偨Y(jié)性評價則為傳統(tǒng)評價方式，包括期末考試、實驗報告成績和課程設計報告成績等。綜合式評價方式在對學生學習效果進行全面分析、考核的同時，對教學方法進行反饋，促使教學方法和教學效果的持續(xù)改進與提升。

3 實施與效果

本專業(yè)教學計劃中，智能儀器課程在第七學期(即畢業(yè)設計之前)開設，理論課程為36學時，實驗為10學時，課程設計為1周。該學期開設的課程還有“嵌入式系統(tǒng)”、“虛擬儀器”等課程，因智能儀器課程建立在以上課程的基礎(chǔ)之上，所以在安排課程計劃時，協(xié)調(diào)將智能儀器課程排在上述課程結(jié)課之后。

在合理安排課程計劃后，將本文教學方法實施于智能儀器及實踐課程教學中，針對教學方法實施效果，本文以課堂互動、作業(yè)完成情況、學生期末成績、課程設計總體效果等為觀測點統(tǒng)計教學方法實施前后情況，如表1所示。

表1 教學方法實施前后效果

從表1 中的觀測點反饋可知：教學方法實施后課堂互動、作業(yè)完成、期末成績整體情況較之前均有較大程度改善；同時，課程設計的參與程度和層次均有很大提高。

此外，基于智能儀器課程教學改革方法的實施，在實踐教學中，學生在教師指導下，自主研究設計出一批諸如“橋梁預應力張拉自動參數(shù)檢測儀”、“精確標準工業(yè)電流環(huán)通信的設計”、“智能核輻射γ能譜分析儀”等具有實用價值的智能儀器，其中共有6項申請并得到全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃資助，2項受到企業(yè)關(guān)注，共同開發(fā)，已成功轉(zhuǎn)化為實際應用。

4 結(jié)語

針對系統(tǒng)性和綜合性較強的智能儀器課程的教學，采取以課程教育為先導、多元化理論與實踐課程為教學主線，對教學計劃、教學內(nèi)容、教學手段等方面進行改進，并實施于課程教學，得出結(jié)論如下：

(1)智能儀器課程教學改革的研究，在課程計劃合理安排的前提下，根據(jù)典型智能儀器設計案例規(guī)劃課程重點教學內(nèi)容。

(2)教學過程中，充分結(jié)合多種教學方法的優(yōu)點，設計多層次遞進的實踐課程，促進學生投入課程的學習中，進一步啟發(fā)和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、能力。

(3)以綜合式評價方式作為學習效果與教學改革研究反饋，為教學方法研究和持續(xù)改進提供了科學、客觀的依據(jù)。

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