“儀器儀表實訓”課程建設與改革實踐

摘要：“儀器儀表實訓”是測控技術與儀器專業一門綜合性的專業實踐課程。提出在該課程的建設與實踐中，以提高學生對專業的綜合認知水平，強化自主學習能力為出發點，通過在實驗系統的構建、實驗內容的組織以及實驗過程的分類指導上，有機地將師生間的教學關系密切結合，充分發揮學生在課程學習中的能動作用，在課程的考核方式上進行創新性的改革，可以提高學生的動手能力、自主學習能力以及分析和解決問題的能力。

關鍵詞：儀器儀表實訓；測控技術；教學改革

作者簡介：仝衛國（1967-），男，河北保定人，華北電力大學自動化系，副教授；楊耀權（1962-），男，河北保定人，華北電力大學自動化系，教授。（河北 保定 071003）

基金項目：本文系華北電力大學教改項目的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）22-0105-02

測控技術與儀器專業學生可以在很寬的領域內從事自動化、智能化儀表及裝置的研發和設計工作。從尖端的載人航天、登月工程，到日常的家用電器、照明系統的測控問題都需要本專業的相關知識和專業人才。因此，本專業學生在四年專業學習中應掌握儀器儀表學、電工電子學、自動化技術、傳感器原理、計算機軟硬件設計、檢測信號處理、計算機技術與應用和網絡技術、測量與控制理論、測控儀器設計等方面的基本理論和基本知識，受到較好的工程實踐的基本訓練。

由于對測控專業學生有著以上諸多方面的要求，使得學生在前三年的本科學習中需要學習大量的相關課程。而這些課程的關聯性以及在專業學習中的作用，學生普遍沒有一個明確的認識，對本專業的工作方向也缺乏清晰的了解。在教學過程中安排了一定量的實踐環節，但這些實踐環節都是針對具體的課程安排，用以完成特定的教學任務。所以，需要開設一門有關專業研究方向、可以綜合運用所學知識解決實際問題的實踐課程。在華北電力大學新版教學計劃中，大四第一學期開設的“儀器儀表實訓”課程，就是這樣一門綜合性實踐課程。[1]

這門課程建設的基本思想就是以提高學生對專業的整體認知水平，強化他們的自主學習能力為出發點，充分發揮不同層次學生在學習中的能動性，提高學生的動手能力和運用所學知識解決實際問題的能力。為了實現以上教學目的，在教學安排上需要在相關實驗的軟硬件系統構建、實驗內容的科學安排、實驗過程的針對性指導、成績考核的合理評判等環節上采取有效措施，提高本課程的教學效果。[2]

一、基本思路

在課程內容的安排上，主要體現了以下幾個方面的考慮。

1.提高學生對專業的整體認知水平

通過本專業的學習可以做什么？這是一直困擾學生的問題，很多學生在畢業求職的過程中非常迷茫、沒有信心，就是這一問題的具體反映。本課程的主要任務就是設計一個具體的小型測控系統。為了完成這一設計任務，需要學生構建相應物理參數的采集與控制系統，完成接口電路的設計與構建，開發相關軟件（包括接口、采集、控制軟件等），部分設計題目還包含有采集模塊電路板的設計與制作。

雖然這些設計任務只是一些小型的測控系統，每個學生完成的工作量有限，而且很多工作是在已有的系統上完成的；但是，“麻雀雖小，五臟俱全”，每個設計任務都是針對實際對象的測控系統及裝置開發，形象、具體且有針對性和實用性，可以很好地提高學生的實際動手能力。通過這樣一個完整的設計過程，學生會對本專業的研究方向和具體的工作流程，產生一個明確的認識；對自己所學專業知識的掌握程度有一個清醒的了解；同時，對自己實際的專業能力產生信心。

2.滿足學生不同層次的需求

作為一門綜合性的實踐課程，在內容安排上需要滿足不同層次學生的需求。由于課程內容涉及“儀器儀表”、“傳感器原理”、“計算機軟硬件設計”、“檢測信號處理”以及“電工電子學”等多門課程的內容，學生在學習這些課程時，掌握的程度存在差異；綜合運用所學知識從事工程實踐的能力各不相同。所以，在課程內容安排上需兼顧不同層次學生，有針對性地分配設計任務，從而使每一個學生都能通過本課程的學習最大程度的取得收獲。在實驗內容安排上，將每一個題目分割成硬件設計、軟件設計、接口設計等不同的子任務，學生由2～3人組成一組，根據自己的特長完成不同的子任務，最后全組的設計內容整合成一個完整的設計項目。由于各個子任務之間存在著銜接與聯系，學生在完成自己設計任務的同時，必須兼顧和了解其他同學的設計內容。這種方式可以使每個學生在短時間內完成特定的設計任務，同時對整體設計過程及要求也會產生一個明確的認識。既加強了學生之間的團隊協作能力，也使不同層次的學生有了實際的動手機會，并可以從完成任務的喜悅中產生一定的成就感。

此外，有些學生有從事科技制作、參加各級別科技發明比賽等科研活動的經歷。這些學生動手能力強，上手快，因此，在設計任務時針對這些學生，也安排了一些程度較深的設計任務。

3.提高學生解決實際問題的能力

每組學生接受的設計任務主要包括：測控系統的整體設計，數據采集、數據處理以及測控接口的設計等。這些任務的目的就是設計一個完整的測控系統；如果可能，學生的設計結果完全可以移植到一個實際的測控系統中進行應用。這些設計任務中，有部分就是往屆我們指導學生進行創新型實驗的開發項目，與實際應用存在密切的聯系。學生在設計中遇到的技術問題，在實際工作很可能會遇到，具有一定的普遍性，從課程的設計過程中學生也會學到一定的實用性技能。通過具體問題的解決，使學生運用所學知識真正做到有的放矢，不但積累了一定的實際工作經驗，而且可以提高學生的自信心，為今后的就業打下良好基礎。

總之，通過本課程學習，每個學生都可以不同程度的提高自己的動手能力，不再有其他設計課程中出現的一組學生中“一人做，眾人看”的情況，每個人的專業知識都能得到提高，同時也提高了學生解決實際問題的能力。

二、實驗平臺的基本架構

要實現以上教學目的，構建一個開放性和實用性的實驗平臺是課程建設的關鍵。

1.硬件平臺的基本構成

實驗系統采用啟東計算機公司開發的DICE-5210K多功能單片機綜合實驗儀及其數據采集模塊，結合我們自己開發的一些數據采集模塊構成硬件開發平臺。

DICE-5210K多功能單片機綜合實驗儀的突出特點是小系統、多功能、易擴展，系統的地址總線、數據總線、控制總線全部引出，對用戶開放，并留有擴展單元（區），從而可以提供一個良好的實驗開發環境。

根據具體需要，可以靈活選配各種擴展模塊，構建出不同的測控系統。該公司提供的單片機項目實訓包，很多都適合測控專業學生的課程設計要求，如可燃氣體報警儀，水位流量紅外控制實驗，環境測試儀，超聲波倒車雷達，超聲波霧化濕度控制模塊，電子稱，交通燈控制系統，數字式多路溫度采集系統，溫度壓力模塊實驗等。我們在此基礎上整合現有資源，對以上實驗項目進行完善和針對性的改造，形成適合測控專業學生特點的實踐設計系統。

2.測試軟件的設計與調試

軟件平臺采用學生熟悉的MCS-51指令系統，方便學生軟件設計、仿真與程序調試。

測試軟件系統包括主程序、數據采集、信號處理、接口等部分；需要完成的功能包括鍵盤操作，數值顯示，數據的采集、存儲與處理，控制算法，控制信號的輸出與驅動等；其他的輔助功能還包括量程選擇、標度變換、信號濾波、報警功能等。[3]

在接口軟件設計部分包括人機接口、測控接口和通信的軟件設計。本課程采用的實驗平臺可以采用多種通信方式，如常規的RS232/422/485串口、USB通用串行總線、以太網接口等，[4]需要學生根據不同的任務，對不同的通信方式有所了解，同時，對通信功能在測控系統設計中起到的重要作用有所體會。

軟件編制完成后，可以通過匯編或C51編寫程序在實驗平臺上進行仿真與實際調試。由于每個設計任務都是針對實際的對象，學生在進行軟件設計時更有針對性，從中可以得到更大的收獲。

3.新型實驗平臺的特點

（1）實驗平臺采用了主流的單片機實驗系統，具有先進性、實用性、開放性、多功能性等特點。它的總線系統對用戶全部開放，并預留擴展單元，從而使用戶便于擴展出自己需要的功能，構建自己功能各異的小型測控系統。

（2）實驗平臺采用模塊化設計，便于學生采用不同模塊的組合設計不同功能的測控系統，從而可以構建出多層次、多功能的實驗體系，整個實驗平臺結構緊湊、易于擴展，實用方便，便于維護。

（3）實驗平臺實現了教學與實踐的有機統一。每個設計任務都是一個實際的小型測控系統，可以實現一個完整的測控任務；而每個任務又將測控系統劃分為不同的組成部分，便于學生根據自己的特點和需要，有針對性地對特定知識進行學習，同時又對測控系統的整體設計有一個清晰的了解。

三、創新實踐教學體系的實現

1.開放式的指導模式

采用開放式的指導模式是達到課程設置目的的必要條件。指導教師給出若干設計題目后，學生可以根據自己情況自由結組、自主選擇題目。指導教師在布置設計任務時主要介紹題目的要求、達到的設計目的，具體的實施方法由學生自己選擇。在設計進程中，對學生的指導以方向性的提示為主，鼓勵學生自己查閱相關資料，結合已學知識分析遇到的問題，最終完成設計任務。

2.多層次的培養模式

采用多層次的培養模式。學生自身能力相差很大，學習態度也參差不齊。因此，設計題目的難度分成了“難、中、易”三個層次，具體要求也有所不同。這種差別化的培養模式，為優秀學生提供發揮潛能的機會，同時也為程度稍差的學生提供適合自己的鍛煉機會。

3.互動式的考核體系

合理的課程考核體系是促進學生學習積極性，提高教學效果的有機組成部分。結合多層次培養模式，將成績評定與設計題目的難度相聯系，不同難度的題目規定了不同的成績上限（優秀、良好、及格），最終的成績采用四級評分（優秀、良好、及格和不及格）。在最后的成績評定中，學生首先給自己打分；然后，教師根據學生完成質量、平時表現、設計報告及答辯結果，當場給出最后的成績。

這種考核體系的優點在于，學生可以對自己取得的成績有一定的了解，并有了一定的話語權；教師通過互動的方式給出成績，有理有據，也減少了師生之間的矛盾。這種考核方式一定程度上激發了學生的學習積極性。

四、結束語

通過對“儀器儀表實訓”課程的設計與實踐，構建了具有先進性和多功能性的實驗平臺；基于創新的教學理念，提出了開放式的教學體系，實現了學生對所學儀器儀表類課程知識的綜合實踐目的，并使學生對自己所學專業有了明確的了解。通過上學期期末的實踐，取得了良好的教學效果。

經過對學生反饋意見和實踐中存在問題的總結，我們提出以下改進意見：第一，增加課程學時數，由一周設計時間增加到兩周較為合適。第二，課程不要安排在期末期間，盡量提前，使學生可以更加專心地投入課程學習。第三，可以采用分散進行方式代替集中方式，便于學生根據自己情況更有效的安排時間。由于實驗系統采用模塊化的組合方式，教師的指導工作量并不會因此而增加太多，這種方式也適合本課程的特點。

參考文獻：

[1]李運紅，張習如，李占賢.機械工程測試技術試驗教學改革的實踐與體會[J].實驗室科學，2011，14(5):24-26.

[2]王春風，李旭春，薛文軒，等.電力電子技術實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30(9):127-129.

[3]王祁.智能儀器設計基礎[M].北京:機械工業出版社，2009.

[4]唐鴻儒，黃亞忠，等.“智能儀表設計基礎”課程教學實踐[J].電氣電子教學學報，2009，6(3):27-28.

（責任編輯：孫晴）