個性化任務(wù)在《測控儀器設(shè)計》教學(xué)中的應(yīng)用

吳思進(jìn) 李偉仙 金超琦

摘要：針對《測控儀器設(shè)計》課程教學(xué)存在課程知識缺乏有效載體、難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的問題，提出了個性化任務(wù)輔助的教學(xué)方法。通過設(shè)置個性化任務(wù)，以特定儀器設(shè)備為任務(wù)載體，使課程知識在任務(wù)載體上得到有機融合，加深學(xué)生對理論知識的認(rèn)識并激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：測控儀器設(shè)計；任務(wù)驅(qū)動；測控技術(shù)與儀器

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）23-0093-04

一、引言

《測控儀器設(shè)計》是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的核心課程，是體現(xiàn)專業(yè)內(nèi)涵和支撐專業(yè)培養(yǎng)體系的重要課程[1]。該課程主要講授測控儀器的基本設(shè)計原則和設(shè)計原理，說明現(xiàn)代測控儀器的設(shè)計特點和要求。課程的最終目的是使學(xué)生具備現(xiàn)代測控儀器設(shè)計的基本知識和初步能力，為未來設(shè)計科學(xué)或工程測控儀器打下基礎(chǔ)。該課程的綜合性強，既包括精度設(shè)計理論，又涉及機械、電子、軟件和光學(xué)等各方面專業(yè)知識，課程內(nèi)容與專業(yè)課程體系中的多數(shù)課程存在交叉[2]，因此在教學(xué)內(nèi)容的組織和教學(xué)方法的應(yīng)用方面均存在不小的難度。綜合作者教學(xué)經(jīng)歷、調(diào)研結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)論，可以看出該門課程（或相似課程）的教學(xué)目前主要存在理論與實踐脫節(jié)、課程知識缺乏有效載體、教學(xué)方法單一、學(xué)生參與度低等一系列問題，問題的詳細(xì)分析將在本文的第二部分討論。

針對這些問題的解決，目前已進(jìn)行了不少有益的嘗試，所采用的方法主要包括案例式教學(xué)、項目/任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)和實踐輔助教學(xué)三大類。案例教學(xué)法以典型儀器或測控系統(tǒng)為例，將抽象的課程知識融入實際例子中，有利于學(xué)生理解和掌握。比如，Zhifang Li等人以光學(xué)相干層析成像儀為案例，講解光電儀器的原理和設(shè)計[3]；吳冠豪等人將光電儀器分成計量儀器、分析儀器和觀測儀器，分別以干涉儀、光譜儀和顯微鏡作為這三類儀器的代表，進(jìn)行案例式教學(xué)[4]；李貝貝等人將案例式教學(xué)法與專題教學(xué)法結(jié)合起來，以擺脫課程知識體系整體性對傳統(tǒng)案例教學(xué)的限制[5]；孟憲慧等人同樣采用了專題式的教學(xué)方法，以畢設(shè)課題和科研課題作為案例進(jìn)行講解，增強教學(xué)效果[6]；張宏杰等人以案例為基礎(chǔ)，同時在課堂、試驗、實踐等各個環(huán)節(jié)設(shè)計研討主題，提高學(xué)生的參與度[7]。案例式教學(xué)能夠?qū)⒊橄罄碚摼唧w化，有助于加強學(xué)生對知識內(nèi)容的理解；且合適的案例有助于引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強課堂教學(xué)效果。然而案例式教學(xué)也存在知識體系凌亂、個別案例難以概括所有知識點的缺陷，容易造成教學(xué)內(nèi)容不夠系統(tǒng)、學(xué)生認(rèn)知不夠深入等問題。項目/任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法以某個項目為主線，將相關(guān)知識點融入項目的各個環(huán)節(jié)中，在加深學(xué)生對課程知識理解的同時鍛煉學(xué)生的應(yīng)用能力。項目/任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)在多種課程教學(xué)中都有應(yīng)用，在測控儀器課程教學(xué)中也有嘗試，比如戴金橋等人[8]和蔣彥等人[9]均對此方法進(jìn)行了實踐。總體來說，這種方法能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，但同樣存在項目內(nèi)容難以概括課程內(nèi)容的不足。而且從以往的實踐內(nèi)容來看，通常項目/任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)選用難度較低的項目，這些項目往往難以體現(xiàn)測控儀器精密測量等特點；而較難的項目則容易超出學(xué)生甚至教師的能力范圍，因此難以實施。實踐教學(xué)是《測控儀器設(shè)計》課程教學(xué)常規(guī)的組成部分，但受學(xué)校經(jīng)費和教師接觸面的限制，該模塊教學(xué)內(nèi)容往往比較陳舊，難以適應(yīng)課程教學(xué)的要求，因此郝群等人提出讓專業(yè)測控儀器展覽走入課程的課外實踐中，以擴展學(xué)生視野，加強理論聯(lián)系實踐，加快知識內(nèi)容更新[10]。但該模式目前只適用于大城市，多數(shù)地方目前并沒有專業(yè)的測控儀器展覽。

本文提出一種基于個性化任務(wù)的《測控儀器設(shè)計》教學(xué)方法，當(dāng)前主要以院、系、相關(guān)重點實驗室在用的近百種儀器為載體，通過設(shè)置個性化的任務(wù)作為作業(yè)，將課程知識落實到任務(wù)載體上，做到理論聯(lián)系實際，加深學(xué)生對理論知識的理解，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。實踐證明，實施本方法后，原本所存在的課程教學(xué)問題得到很大的改善，學(xué)習(xí)效果得到提升。

二、課程教學(xué)問題分析

當(dāng)前，多數(shù)高校在《測控儀器設(shè)計》教學(xué)中依然采用以講授為主的教學(xué)模式，在部分知識點結(jié)合案例進(jìn)行講解，然后設(shè)置部分實踐環(huán)節(jié)。這種教學(xué)方法效率較高、知識體系清晰，但也存在以下問題。

（一）教學(xué)方法單調(diào)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

該課程屬于測控技術(shù)與儀器專業(yè)的綜合專業(yè)課，通常設(shè)置在最后一個學(xué)年，采用大班授課，修課學(xué)生較多。采取的教學(xué)方法主要是課堂講授和課堂討論；實驗課程由于通常涉及昂貴的精密儀器，因此主要采用演示和講解的方式進(jìn)行授課，學(xué)生動手環(huán)節(jié)少。這種教學(xué)方法效率較高，但是學(xué)生的接受度較差，學(xué)習(xí)積極性不高，尤其在就業(yè)和考研的沖擊下出現(xiàn)了一定程度的“出工不出力”的現(xiàn)象。而且傳統(tǒng)上《測控儀器設(shè)計》課程主要以幾何量精密測量儀器為背景講授測控儀器設(shè)計的基本方法和特點，在目前學(xué)生就業(yè)方向多元化的背景下，部分學(xué)生興趣不高、動力不足。

（二）課程知識缺乏有效載體，學(xué)生學(xué)習(xí)效果一般

本課程涉及的知識面非常廣，既包括測控儀器設(shè)計的基本設(shè)計原則和原理，也包括精度理論、機械、電路、軟件和光學(xué)知識在測控儀器設(shè)計中的體現(xiàn)。盡管在課堂教學(xué)中采用大量的儀器例子來解釋理論知識，但是由于學(xué)生對這些儀器的背景知識和原理方法不熟悉，因此難以真正理解和接受所學(xué)知識，影響學(xué)習(xí)的效果。

（三）實驗課程內(nèi)容單一陳舊，理論與實踐之間依然有較大的差距

傳統(tǒng)上實驗課程采用昂貴的幾何量精密測量儀器進(jìn)行演示，覆蓋面較窄。另外由于教學(xué)經(jīng)費和教師知識面的限制，通常情況下所用的演示儀器都較為陳舊，無法體現(xiàn)測控儀器最新的發(fā)展趨勢和特點，因此難以支持理論教學(xué)中與時俱進(jìn)的教學(xué)理念，也無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（四）實驗開設(shè)周期較短，無法和理論課程有機結(jié)合

由于實驗室管理上的難度，通常情況下實驗課程集中在某一段時間集中進(jìn)行，整個教學(xué)過程較短。然而理論課程多個知識點需要實驗課程的支撐，這些知識點貫穿于理論課程的整個過程，因此，如何設(shè)計教學(xué)計劃以合理安排實驗課程的進(jìn)程成為一個兩難的問題，無法使實驗課與理論課進(jìn)行有機的結(jié)合。

（五）作業(yè)難以支持理論課程的復(fù)習(xí)，作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重

本課程的知識點比較廣泛和綜合，難以通過小作業(yè)來進(jìn)行復(fù)習(xí)。多數(shù)學(xué)生主動完成作業(yè)的動力不足，完成作業(yè)的目的不純，致使作業(yè)流于形式，不能體現(xiàn)作業(yè)的價值。作業(yè)個性化程度低、雷同程度高。

總之，目前的教學(xué)方法陳舊，無法調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也不能進(jìn)行系統(tǒng)化的知識傳授，導(dǎo)致教學(xué)效果一般，因此亟需進(jìn)行教學(xué)方法的改革。

三、以個性任務(wù)為載體的教學(xué)方法

以個性化任務(wù)為載體的教學(xué)方法屬于項目/任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)的一種類型，但不同于傳統(tǒng)的項目/任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法采用單一簡單的任務(wù)，這種方法讓學(xué)生組成2—4人小組，以本單位在用的儀器作為載體，根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)程，進(jìn)行相應(yīng)的分析和設(shè)計任務(wù)。本方法的具體實施步驟如下。

第一步，由學(xué)生自由組成2—4人小組，小組成員可以根據(jù)每一期作業(yè)進(jìn)行合理分工，并在每一期作業(yè)上注明各自的貢獻(xiàn)。采用人數(shù)較少的小組模式既有助于培養(yǎng)合作精神，也減少了部分學(xué)生“抱大腿”的現(xiàn)象。

第二步，根據(jù)院、系和重點實驗室的資源，同時也可以包括合作單位/部門的資源，選擇合適的儀器作為載體，制定儀器目錄。需要說明的是，根據(jù)所用資源的變化，該目錄可動態(tài)更新，從而使教學(xué)資源能夠跟上相關(guān)儀器的當(dāng)前發(fā)展水平。

第三步，根據(jù)報名順序，由各小組從目錄中選擇一種儀器作為載體。需要說明的是，每個小組選擇的儀器載體必須不一樣，以避免任務(wù)雷同。

第四步，設(shè)計任務(wù)內(nèi)容。任務(wù)內(nèi)容包括調(diào)研、分析和設(shè)計等形式。根據(jù)教學(xué)進(jìn)程，將相應(yīng)任務(wù)分配給各小組。各小組需基于所選擇的任務(wù)載體來完成對應(yīng)的任務(wù)。

第五步，對完成的任務(wù)進(jìn)行評價，給每個學(xué)生打分。

本方法具有以下顯著特點。

（一）能夠體現(xiàn)儀器的最新發(fā)展水平

當(dāng)今社會科技發(fā)展日新月異，儀器集成眾多技術(shù)，因此其變化也是迅速的。受限于教師個人精力和經(jīng)歷，傳統(tǒng)的案例式教學(xué)、實踐式教學(xué)和項目/任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)所采用的資源容易變得陳舊、過時。本方法采用科研實驗室在用的儀器，大部分儀器本身屬于最新式的儀器類型。另外，儀器目錄是動態(tài)更新的，保證了所選用的儀器載體能夠基本反映同類儀器的最新發(fā)展水平。

（二）能夠有效利用科研資源

儀器種類繁多，原理各異，授課教師不可能對每一種儀器都非常熟悉。因此，當(dāng)采用項目/任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)模式時，授課教師往往只選擇一個或少數(shù)幾個自己熟悉的項目進(jìn)行教學(xué)，容易導(dǎo)致選擇不當(dāng)或者難以杜絕抄襲現(xiàn)象等。本方法有效利用科研資源，結(jié)合學(xué)院“開發(fā)實驗室”政策，讓本科生進(jìn)入實驗室，不但可以有效利用實驗室的儀器資源，還可以讓學(xué)生接觸該儀器在科研項目中的應(yīng)用情況，并且可以就相關(guān)問題與使用儀器的教師和研究生進(jìn)行交流，能夠使學(xué)生獲得非常專業(yè)的指導(dǎo)，加深其對課程知識的理解。

（三）能夠結(jié)合學(xué)生的個人興趣

采用傳統(tǒng)的案例式教學(xué)或項目/任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)，由于所采用的儀器資源往往比較單一，通常不能符合大部分學(xué)生的個人興趣，導(dǎo)致教學(xué)效果大打折扣。本方法采用個性化的儀器載體和任務(wù)，提供充足的儀器種類來讓學(xué)生自由選擇感興趣的儀器，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，保障教學(xué)效果。

（四）個性化任務(wù)能夠避免抄襲

本方法采用個性化任務(wù)，各小組儀器載體各不相同，任務(wù)也存在差異，因此無法相互抄襲。且任務(wù)內(nèi)容與課程知識點密切相關(guān)，學(xué)生也無法從網(wǎng)上抄襲。在實施過程中，盡量避免相鄰兩屆采用相同的儀器載體和任務(wù)內(nèi)容，很大程度上可以防止學(xué)生抄襲上屆學(xué)生報告。因此本方法天然上具有避免抄襲的屬性。

（五）有利于客觀評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況

由于任務(wù)內(nèi)容與課程內(nèi)容相關(guān)性高，且很大程度上考查了學(xué)生對課程知識的理解和掌握，因此，基于所布置任務(wù)的報告將能夠比較客觀地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。當(dāng)采用本方法進(jìn)行授課時，可以將學(xué)生的任務(wù)報告作為主要的評價材料，另外結(jié)合考試等其他評價方式，客觀有效地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

四、實踐和效果討論

目前該方法已經(jīng)過兩輪課程的實踐?？偟膩碚f，效果良好。

在第一輪教學(xué)中，共有91名學(xué)生修課，自由組成30組。根據(jù)院、系、重點實驗室等資源，擬出了一個包含84臺科研用的儀器目錄，供學(xué)生選擇。不同組不能選擇同一種儀器，且先組隊的小組具有優(yōu)先選擇權(quán)。從選擇的結(jié)果可以看出，學(xué)生們偏好一些傳統(tǒng)的、大眾的儀器，比如，前面幾組分別選擇了圓度儀、自準(zhǔn)直儀、萬能工具顯微鏡和雙頻激光測長儀等。通過與學(xué)生的交流了解到，對于一些專業(yè)的儀器，尤其是一些進(jìn)口儀器，學(xué)生難以通過網(wǎng)絡(luò)和圖書館檢索到足夠的信息，在任務(wù)開始前對其缺乏了解，因此影響他們的選擇。確定每一組的任務(wù)載體后，即根據(jù)教學(xué)進(jìn)程安排相應(yīng)的任務(wù)，這些任務(wù)包括調(diào)研、分析、設(shè)計等。比如，調(diào)研所選儀器的基本工作原理和典型應(yīng)用等，尋找誤差源并進(jìn)行誤差分析，討論儀器設(shè)計原則和原理在所選儀器中如何體現(xiàn)，對儀器某個部件或功能模塊進(jìn)行升級或優(yōu)化設(shè)計等。以上任務(wù)均作為課外作業(yè)，以報告的形式呈交。從任務(wù)的完成程度來看，任務(wù)完成率約為75%，未完成的原因既有學(xué)生自身的因素，也有考研沖擊等因素；從任務(wù)完成質(zhì)量來看，總體情況比較好，可以看出大部分學(xué)生既有充分的文獻(xiàn)檢索，也進(jìn)行實地了解，甚至實際操作。

在第二輪教學(xué)中，共有87名學(xué)生修課，共分成29組，儀器目錄擴充到93臺，但扣除了部分上輪已實施的儀器?？紤]到上輪學(xué)生在選擇時缺乏對儀器的了解，特地增加了對儀器的介紹，因此部分學(xué)生可以根據(jù)興趣進(jìn)行選擇。同時對任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化和細(xì)化，以更好地支撐課程知識點的教學(xué)。從學(xué)生的訪談結(jié)果來看，多數(shù)參與訪談的學(xué)生盡管認(rèn)為任務(wù)量偏重，但確實有助于更好地理解課程知識，對儀器特點和儀器設(shè)計有更加深刻的認(rèn)識。

五、結(jié)論

本文提出在《測控儀器設(shè)計》課程教學(xué)中應(yīng)用個性化任務(wù)，目的在于給理論知識提供一個載體，有助于使各知識在任務(wù)載體上進(jìn)行有機結(jié)合，加深學(xué)生對理論知識的認(rèn)識的同時激發(fā)學(xué)生對枯燥理論知識的學(xué)習(xí)興趣。而且由于任務(wù)載體為能夠反映當(dāng)今科技水平和市場特點的高端儀器，因此還可以培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)的熱愛，有助于培養(yǎng)他們對學(xué)科前沿的思考?？傮w來說，本方法是對傳統(tǒng)項目/任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)的一種有效改進(jìn)，是符合《測控儀器設(shè)計》課程特點的一種教學(xué)方法。

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