CDIO 模式在智能儀器教學(xué)中的應(yīng)用研究*

◆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)橹悄苄盘枡z測與控制（750021）。

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(xiàng)技術(shù)且對實(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)計環(huán)節(jié)，缺少開放性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生僅僅是在現(xiàn)有硬件平臺上進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，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(jìn)，提高學(xué)生對智能儀器課程的興趣，促進(jìn)學(xué)生掌握智能儀器設(shè)計相關(guān)理論知識，提高實(shí)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(diǎn)。

CDIO（Conceive，構(gòu)思；Design，設(shè)計；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 全過程，旨在重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)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(tuán)隊協(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(jìn)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(tuán)隊協(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(qiáng)、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(jìn)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(jìn)行的項(xiàng)目比賽成績記為大家共同的平時成績。

項(xiàng)目式教學(xué)模式 傳統(tǒng)的教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)“以知識為本位”，教師首先在課堂上講授理論知識，然后進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)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(shí)踐階段嚴(yán)重依賴實(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)過分依賴實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書以及實(shí)驗(yàn)采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)等問題。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(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[4-5]。首先，將教學(xué)內(nèi)容劃分為若干個教學(xué)項(xiàng)目，每個項(xiàng)目都有一定的教學(xué)任務(wù)；在進(jìn)行每個項(xiàng)目時，由教師先對項(xiàng)目進(jìn)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(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)定時間完成項(xiàng)目任務(wù)。如可結(jié)合傳感器，設(shè)計五個項(xiàng)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(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)生自己撰寫項(xiàng)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(shí)踐開發(fā)能力，而這首先需要具備項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)書的撰寫與閱讀能力。沒有詳細(xì)的項(xiàng)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(xiàng)目內(nèi)容撰寫詳盡的項(xiàng)目任務(wù)書。

2）項(xiàng)目的實(shí)施。項(xiàng)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(shí)施方式采用小組形式進(jìn)行開發(fā)，每組設(shè)備包括一個最小單片機(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，將每一個項(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(xiàng)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(xiàng)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(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、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(shí)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(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，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，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(diǎn)以最精煉的語言及視頻展現(xiàn)出來，然后先動手實(shí)踐，在實(shí)踐中運(yùn)用并鞏固理論知識點(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(jìn)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(jìn)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(diǎn)集成在一個完整的項(xiàng)目中，通過在項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用相關(guān)知識，將零散的知識點(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)理論知識體系。并且學(xué)生通過實(shí)施項(xiàng)目，對項(xiàng)目中涉及的知識點(diǎn)有了進(jìn)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(shí)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(shí)施方案并驗(yàn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(qiáng)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(yù)，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(yáng)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(xiàng)目會留下深刻印象，最終實(shí)現(xiàn)理論知識的鞏固與實(shí)踐能力的提升。本課程將每次的項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(qiáng)團(tuán)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(xiàn)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(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，精簡教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計“項(xiàng)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(jìn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性有顯著改觀，學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和團(tuán)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。

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