基于雙重PBL的課程實驗教學(xué)改革研究

［摘 要］ “測控系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程是智能測控工程專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課，該課程作為新興的智能測控工程專業(yè)中的重要組成部分，學(xué)習(xí)效果對學(xué)生后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)起到至關(guān)重要的作用，其中實驗教學(xué)部分是該課程的重要教學(xué)部分。針對學(xué)生課業(yè)繁重、課時量少、知識點更新快、課外學(xué)時有限、實驗室有限等現(xiàn)實問題，以問題驅(qū)動和項目學(xué)習(xí)組合的方法為基礎(chǔ)，設(shè)計合理的實驗內(nèi)容，通過對實驗教學(xué)改革的深入研究，使得學(xué)生可以更好地全面掌握和理解知識，提升學(xué)生綜合素質(zhì)，探索符合人才培養(yǎng)要求的教學(xué)改革模式。

［關(guān)鍵詞］ “測控系統(tǒng)原理及應(yīng)用”；雙重PBL；實驗教學(xué)改革

［基金項目］ 2022年度黑龍江省教育廳黑龍江高等教育教學(xué)改革項目“大規(guī)模因材施教理念下輔修專業(yè)‘機器學(xué)習(xí)’課程教學(xué)模式創(chuàng)新與實踐”（SJGY20220017）；2022年度哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究生課程思政教改項目“《嵌入式智能計算》課程思政教改”（XYSZ2023005）

［作者簡介］ 鳳 雷（1978—），男，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院副教授，主要從事自動測試技術(shù)等研究；鄭文斌（1984—），男，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院工程師（通信作者），主要從事測控系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用等研究；付 平（1965—），男，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院教授，主要從事自動測試技術(shù)等研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0045-04 ［收稿日期］ 2023-05-23

引言

教育部發(fā)布《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》，旨在加強高等學(xué)校實驗教學(xué)，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，推動實驗教學(xué)與科研創(chuàng)新的融合。而在智能測控工程專業(yè)中，“測控系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程是核心專業(yè)課，其重要意義不言而喻，本文將以該課程為例，探討教學(xué)改革在實踐課程中的應(yīng)用，并闡述其背景、意義以及具體的目標和方法。

測控系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容是現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域中的重要組成部分，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、信息處理和控制管理等領(lǐng)域中必不可少的重要工具，涉及工業(yè)、軍事、航空航天等眾多領(lǐng)域。在大學(xué)教育中，“測控系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程是培養(yǎng)測控技術(shù)專業(yè)學(xué)生的重要課程之一，涵蓋傳感器、信號處理、數(shù)據(jù)采集、控制算法等多個方面的知識。隨著社會的不斷發(fā)展和技術(shù)的不斷更新，教育領(lǐng)域不斷發(fā)展與變革，使得教學(xué)改革成為培養(yǎng)高素質(zhì)人才的關(guān)鍵所在。為了更好地滿足現(xiàn)代社會對高素質(zhì)人才的需求，在科技快速進步的時代，教學(xué)改革旨在提供更具實踐性和創(chuàng)新性的教育模式，以適應(yīng)學(xué)生的需求和社會的發(fā)展。現(xiàn)代社會對人才的需求日益多樣化和復(fù)雜化，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足學(xué)生全面發(fā)展的要求。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)往往偏重于理論知識的傳授，缺乏與實際應(yīng)用的緊密結(jié)合。這導(dǎo)致學(xué)生在實踐操作和創(chuàng)新思維方面的能力相對薄弱。

為了提高實驗教學(xué)的質(zhì)量，為國家培養(yǎng)合格的高等教育人才以及復(fù)合型的卓越的工程師，本文提出了基于項目學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning， PBL）的實驗教學(xué)改革思路，以“測控系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程改革為例，展示改革思路和改革及應(yīng)用效果，給相關(guān)的實驗教學(xué)教師在后續(xù)課程改革及內(nèi)容設(shè)置上提供新的思路。

一、課程實驗現(xiàn)狀及問題分析

“測控系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程作為測控系統(tǒng)領(lǐng)域的核心課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的測控系統(tǒng)設(shè)計和實踐能力，以滿足社會對測控領(lǐng)域人才的需求。在專業(yè)必修課程的建設(shè)過程中，“測控系統(tǒng)原理及應(yīng)用”在課程體系中起到了重要的作用。在教學(xué)模式方面，本課程屬于理論與實際結(jié)合的課程，采用理論與實驗相結(jié)合的教學(xué)模式，但即便如此，在課程教學(xué)實施過程中仍存在一些問題，尤其是其中的實驗課程，更需要得到廣泛的重視和重新建設(shè)。傳統(tǒng)課程實驗的教學(xué)模式存在以下問題。

1.傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容往往比較陳舊，更新較慢，導(dǎo)致學(xué)生興趣度低，獲取的實踐知識和能力非常有限，這使得學(xué)生在應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題時面臨一定困難。

2.缺乏與工程實踐的緊密結(jié)合。學(xué)生對測控系統(tǒng)的實際應(yīng)用場景和工程實踐經(jīng)驗了解有限，雖然操作的是實驗內(nèi)容，但仍然屬于紙上談兵，脫離了實驗場景又不具備其拓展性和思考方式。簡單舉例，學(xué)電的學(xué)生對于電工相關(guān)基礎(chǔ)知識竟然無法融會貫通，在學(xué)生心目中這是兩回事兒，說明這是高等教育的缺失，更是高等教育中實踐教學(xué)的缺失。

3.學(xué)生不會問問題。學(xué)生除了被動地接受知識以外，對于問題的敏感性較差，無法提出有效的問題，不知道自己哪里不理解，不清楚如何對目前實驗存在的問題進行總結(jié)與分析，并且最終提出有效的解決措施，而這也恰恰是教學(xué)改革的目的，希望學(xué)生可以提高相應(yīng)的能力。

4.需要進一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團隊合作意識，以適應(yīng)復(fù)雜的工程項目需求，而這些都應(yīng)該是在本科階段進一步強化的能力，而不是要等到研究生階段再去培養(yǎng)。

教學(xué)改革的目標是通過將實驗教學(xué)內(nèi)容與測控系統(tǒng)領(lǐng)域深度融合，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力、實驗設(shè)計能力和問題解決能力，以及創(chuàng)新思維和團隊合作能力。因此，教學(xué)改革的背景和意義在于提供一種更具實踐性和應(yīng)用性的教育模式，促使學(xué)生能夠在真實的環(huán)境中學(xué)習(xí)和應(yīng)用知識，培養(yǎng)解決問題和創(chuàng)新的能力。特別是在測控系統(tǒng)領(lǐng)域，通過教學(xué)改革，可以有效提高學(xué)生的實際動手能力、實驗設(shè)計能力以及解決實際工程問題的能力。

二、雙重PBL的教學(xué)模式的提出

PBL是一種以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方法，旨在培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)、批判性思維和解決問題的能力。學(xué)生以小組為單位，每個小組負責(zé)研究和解決一個具體的問題或情境。這種學(xué)習(xí)方法強調(diào)學(xué)生在面臨問題時的自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，旨在提高學(xué)生的學(xué)科知識應(yīng)用能力和解決實際問題的能力［1］。

PBL強調(diào)學(xué)生通過實際項目的設(shè)計、實施和呈現(xiàn)來進行學(xué)習(xí)。學(xué)生根據(jù)項目的要求，進行調(diào)研、分析、解決問題，并產(chǎn)出實際成果，如報告、展示或產(chǎn)品。這種學(xué)習(xí)方法促進了學(xué)生的主動參與、合作和實踐，培養(yǎng)他們的批判性思維、解決問題的能力和團隊合作精神［2-3］。

在這兩種PBL中，一個針對問題通常是開放性的，需要學(xué)生運用已有知識進行自主學(xué)習(xí)和信息搜索，并通過討論和合作來解決問題。學(xué)生在解決問題的過程中，需要運用多學(xué)科知識，收集和分析信息，提出解決方案并進行評估。這種綜合性的學(xué)習(xí)過程有助于學(xué)生將理論知識與實踐應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)他們的綜合能力和創(chuàng)新能力。另一個針對項目驅(qū)動，學(xué)生根據(jù)項目的要求，形成小組并共同制定項目目標和計劃。他們需要調(diào)查研究，收集和分析相關(guān)信息，并與團隊成員合作解決問題。學(xué)生需要運用所學(xué)的知識和技能，提出創(chuàng)新的解決方案，并實際實施項目。整個過程中，學(xué)生主動學(xué)習(xí)，教師充當指導(dǎo)者和資源提供者的角色。

相較于傳統(tǒng)的教學(xué)方法，第一種PBL注重學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和問題解決過程。學(xué)生在PBL中扮演著更加積極的角色，他們需要自主學(xué)習(xí)和思考，參與問題的探究和解決。這種學(xué)習(xí)方式強調(diào)學(xué)生的參與度和自主性，培養(yǎng)了他們的批判性思維、創(chuàng)新思維、溝通能力和團隊合作能力。第二種PBL以項目為驅(qū)動，與學(xué)生的實際生活和興趣相關(guān)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機，同時鼓勵學(xué)生在項目中運用多學(xué)科知識和技能，培養(yǎng)學(xué)科整合和綜合應(yīng)用的能力，而且兩種PBL相結(jié)合鼓勵學(xué)生提出問題、分析信息、評估解決方案，培養(yǎng)批判性思維和問題解決能力。最后適合培養(yǎng)團隊合作能力，學(xué)生在項目中共同努力，合作解決問題，培養(yǎng)團隊合作和溝通能力。

兩種PBL被廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域，如果考慮將兩種相結(jié)合形成雙重PBL（Dual PBL，DPBL），特別適用于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、問題解決能力和團隊合作精神。它不僅提高了學(xué)生的學(xué)科知識水平，還培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力，使他們具備面對未知挑戰(zhàn)和復(fù)雜問題的能力。

總而言之，DPBL是一種通過讓學(xué)生在實際問題情境中進行自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，以項目學(xué)習(xí)為驅(qū)動，培養(yǎng)他們的學(xué)科知識應(yīng)用能力、解決問題能力和團隊合作能力。這種學(xué)習(xí)方法不僅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還培養(yǎng)了他們的綜合能力，使他們更好地適應(yīng)未來的挑戰(zhàn)和需求。

三、基于雙重PBL理念的現(xiàn)代化混合實踐教學(xué)方法設(shè)計

本文研究了測控系統(tǒng)實驗教學(xué)中如何運用DPBL教學(xué)方法，以增強學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。通過真實的項目驅(qū)動背景作為案例核心，以問題引入后對學(xué)生推動為導(dǎo)向，學(xué)生可以更好地理解測控系統(tǒng)的應(yīng)用和社會意義，同時也可以提高他們的批判思維和社會責(zé)任感。

通過實驗項目的設(shè)計和實踐，學(xué)生可以更好地理解測控系統(tǒng)的原理和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力、實驗設(shè)計能力和問題解決能力，同時也可以提高他們的團隊合作和創(chuàng)新能力。教學(xué)改革的方法包括：（1）引入具有挑戰(zhàn)性和實際意義的實驗設(shè)計，讓學(xué)生在實踐中探索測控系統(tǒng)的原理、算法和技術(shù)，培養(yǎng)他們的實際操作能力。（2）強調(diào)學(xué)生的主動參與和團隊合作，鼓勵學(xué)生在實驗設(shè)計和問題解決中發(fā)揮主動性，通過小組合作解決實際工程問題，培養(yǎng)團隊合作意識和溝通能力。（3）結(jié)合工程實踐和案例分析，通過引入真實的工程案例、實際應(yīng)用場景和具體的問題，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識與實際工程問題相結(jié)合，帶著問題去解決實際項目中的實際困難，增強他們對測控系統(tǒng)的理解和應(yīng)用能力。（4）關(guān)注學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。鼓勵學(xué)生在實驗設(shè)計和項目實施過程中提出新穎的想法和解決方案，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力。

在設(shè)計中需要注意以下幾點：（1）設(shè)計問題驅(qū)動的項目。項目應(yīng)當與學(xué)生的興趣和課程內(nèi)容相關(guān)，具有挑戰(zhàn)性和實踐性，結(jié)合實際科研項目。問題應(yīng)該引發(fā)學(xué)生的思考和探索欲望，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動機。（2）學(xué)生角色。確保學(xué)生在項目中扮演主導(dǎo)角色，負責(zé)制定項目目標、設(shè)計解決方案、分工合作、實施項目并展示成果。（3）跨學(xué)科整合。鼓勵學(xué)生在項目中運用多個學(xué)科的知識和技能。（4）學(xué)生合作。學(xué)生以小組形式合作完成項目，培養(yǎng)團隊合作和溝通能力。（5）教師角色。教師扮演導(dǎo)師和指導(dǎo)者的角色，提供持續(xù)的反饋和指導(dǎo)。（6）提供支持和資源。確保學(xué)生能夠獲得所需的設(shè)備、材料和技術(shù)支持。（7）反思和總結(jié)。鼓勵學(xué)生在項目結(jié)束后進行反思和總結(jié)，評估他們的學(xué)習(xí)成果和經(jīng)驗。

四、以“基于PXI總線自動測試系統(tǒng)設(shè)計”實驗為例進行基于雙重PBL的試驗改革闡述

基于雙重PBL的試驗改革是一種將項目學(xué)習(xí)和問題導(dǎo)向的教學(xué)模式相結(jié)合的方法。

以“基于PXI總線自動測試系統(tǒng)設(shè)計”實驗為例，我們可以詳細闡述這種雙重PBL的教學(xué)模式的應(yīng)用和效果。

在這個實驗中，學(xué)生將被分成多個小組，每個小組構(gòu)建合適的組織架構(gòu)，有組長、組員，由組長和組員分工協(xié)作，每人負責(zé)不同的部分，最終完成設(shè)計和構(gòu)建一個基于PXI總線的自動測試系統(tǒng)的任務(wù)。通過項目學(xué)習(xí)的方式，學(xué)生將有機會運用所學(xué)的專業(yè)課程知識和相關(guān)的技能解決實際問題，并培養(yǎng)解決問題和團隊合作的能力。

首先，通過項目學(xué)習(xí)的階段，學(xué)生將在教師指導(dǎo)下設(shè)定項目目標、制訂項目計劃，并進行相關(guān)背景知識的學(xué)習(xí)，完成應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場即新能源汽車動力電池的測試系統(tǒng)這一實際任務(wù)，項目要求學(xué)生采用PXI總線設(shè)計測試系統(tǒng)。學(xué)生將運用所學(xué)的測控系統(tǒng)知識、電子技術(shù)知識和信號處理技術(shù)，設(shè)計并搭建自動測試系統(tǒng)的硬件部分。同時，他們還需要編寫相應(yīng)的軟件代碼，實現(xiàn)測試系統(tǒng)的自動化控制和數(shù)據(jù)分析功能。

在問題導(dǎo)向的教學(xué)模式中，學(xué)生將面臨一系列與實驗相關(guān)的問題，例如如何選擇合適的測試儀器、如何優(yōu)化測試算法、如何處理測試數(shù)據(jù)等。這些問題將激發(fā)學(xué)生的思考和探索欲望，并促使他們深入理解和運用所學(xué)的知識。學(xué)生將通過研究和討論來解決這些問題，發(fā)展批判性思維和創(chuàng)新能力。

在項目實驗過程中，教師扮演導(dǎo)師和指導(dǎo)者的角色，在項目學(xué)習(xí)中設(shè)定合適的問題，引導(dǎo)學(xué)生尋找解決方案，并對學(xué)生的進展和成果進行評估和反饋。

通過雙重PBL的教學(xué)模式，學(xué)生在這個實驗中不僅能夠?qū)W習(xí)到與PXI總線自動測試系統(tǒng)相關(guān)的理論知識和技術(shù)應(yīng)用，還能夠培養(yǎng)解決問題、團隊合作和創(chuàng)新能力。

綜上所述，基于雙重PBL的試驗改革將項目學(xué)習(xí)和問題導(dǎo)向的教學(xué)模式有機地融合在一起，通過實踐中的項目學(xué)習(xí)和問題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠獲得更深入的學(xué)習(xí)體驗和綜合能力的提升。

結(jié)語

綜上所述，教學(xué)改革在“測控系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程中的應(yīng)用具有重要的意義。通過將實踐教學(xué)與測控系統(tǒng)領(lǐng)域結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力、實驗設(shè)計能力和創(chuàng)新思維，教學(xué)改革為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的高素質(zhì)測控人才奠定了堅實基礎(chǔ)。在實踐課程中實施教學(xué)改革的經(jīng)驗和成果也可以為其他領(lǐng)域的教育改革提供有益的借鑒。

參考文獻

［1］桑曉光，王錦霞，孟皓，等.“碳達峰碳中和”中的無機化學(xué)問題探究：PBL教學(xué)實踐［J］.大學(xué)化學(xué)，2023，38（3）：75-79.

［2］劉玙佳.基于PBL教學(xué)法的產(chǎn)品設(shè)計課程實踐教學(xué)研究：以材料與生產(chǎn)工藝課程為例［J］.現(xiàn)代教育論壇，2022，5（2）：48-50.

［3］劉慧玲，譚定英，陳平平.“PBL+BOPPPS”教學(xué)模式在醫(yī)院信息系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.西部素質(zhì)教育，2023，9（1）：150-153.