測控類專業課程教學中的交互式創新實踐教學法

張登攀 朱紅麗

河南理工大學機械與動力工程學院 河南焦作 454000

1 研究背景

大學生培養是一個系統工程，只提高基礎課程教學水平是不夠的，專業課教學和專業課實踐教學水平低，成為制約大學生整體培養質量提高的短板。從歐美國家的高等教育改革來看，高等教育的主流是強調“由傳授知識向傳授學習知識的方法轉變”，注重對學生自主式學習能力、創新能力的培養，按照自主性、開放性、研究性學習來設計課程內容和體系已成為世界各國教育改革的突出特征，在教學中，注重培養學生獲取知識的能力和創新意識[1,2]。

在我國，教育部于2000年啟動了“新世紀高等教育教學改革工程”，之后又實施了高等教育質量工程，并明確將“實踐教學與人才培養模式改革創新”作為一個工作重點。在教育部的推動下，我國文科、理科、工科的教學改革全面展開，資助了一大批教學改革項目，但與歐美國家相比，國內的研究多數停留在高等教育理論研究階段，與實際專業課程結合并成功應用的項目還不多。

測控類專業培養中的主體課程是測控技術與儀器、電氣自動化以及機械工程等，內容涉及微型計算機技術、信號處理技術、測試技術、控制技術等，該類課程比較抽象。傳統教學模式強調對理論知識的掌握，學生理解深度有限，難以將所學知識應用到工業實踐中。筆者結合目前測控類專業課堂教學計劃的特點和教學過程中存在的問題[3-5]，采用交互式創新實踐教學方法，用實例、創新設計以及實踐操作從工程應用的角度強化創新實踐，調動學生的學習主動性和積極性，提高學生綜合素質。

本教學方法在測控技術與儀器專業課程教學中進行了初步推廣，實施效果良好。

2 基于互動和實踐的課程教學設計

2.1 課程特點分析

測控類專業的專業課以計算機控制、電子技術以及信號處理等相關內容為主，從理論層面看，課程涉及比較深奧的計算機原理、電子技術以及信號分析與處理理論，內容比較抽象且難懂；從應用層面看，則涉及如何把測控技術理論與實際應用結合的問題。課堂教學的難點在于理論抽象且難以與工業現場聯系，學生課程學習的難點在于如何把抽象的課堂理論與動手實踐和現場工程實際問題的解決方法統一起來，把深奧的課堂理論知識轉變成解決實際問題的能力。

2.2 課程教學模式設計

根據課堂教學中加強教與學互動和學生主動創新實踐的教學指導思想以及教學計劃和教學大綱規定的教學要求，把基于互動和實踐的教學理論貫穿于課程教學的各個階段。提出理論教學—結合工程—動手實踐的循環式交互課程教學模式。

用理論及其應用啟發學生思考，提高學習興趣。針對檢測類、故障診斷類及計算機控制類課程在工程中的應用案例進行分析，利用所建設的教學平臺進行實際研討和操作，進一步引出理論分析方法。

教師可通過課堂理論教學為學生提供基本知識框架和自主學習線索，補充相關知識點，做到“寬”基礎，彌補學生基礎知識面的不足，通過開放式問題提高學生發散性思維能力。

在課堂教學中，教師可結合工程應用，展開理論知識分組討論，引導學生針對實際問題思考并提出自己的見解和看法，從而提高學生對知識的把握程度，進而啟發學生進行創新思考，鞏固和加強理論教學效果。同時，通過實踐過程和匯報提高學生的團隊協作能力。

基于課堂教學目標，教師自主開發或設計課堂教學實驗輔助系統，如開發網絡實驗平臺，學生可以自主登錄進行網上實驗；通過構建單片機資源庫，由學生自主裝配、測試，然后結合工程實際，指導學生分組實踐，提高學生實踐和協作的能力。

該課堂教學模式讓教師和學生在專業課程教學環節置身于實踐環境中，一方面可指導學生針對實踐環節中的項目開發問題開展技術資料查閱和設計方案擬定，并對主要技術難點和技術實現方法進行分組討論；另一方面同步強化理論知識，組織學生展示各小組的實踐成果，對學生知識掌握程度進行綜合評價，優秀率在90%以上。

3 教學實踐中存在的問題及解決方案

在課堂教學中，結合大量應用實例和演示實例，在理論教學基礎上以學生動手實踐為目標的教學方法是有效的，但不能適用于測控類課程的所有教學內容，必須結合內容的具體情況區別處理。在該類課程的教學過程中，采用本文所述的方法也遇到了不少問題，在解決問題的過程中，筆者逐步積累了一定的經驗。

3.1 理論教學與教學輔助系統相結合

針對抽象的信號處理類教學內容，基礎工程數學類課程已經完成，單一地進行數學理論闡釋導致學生的學習興趣較低。在教學過程中，筆者制作教學實驗材料輔助教學，把抽象的理論形象化。課堂教學中開發了網絡實驗平臺、單片機綜合實驗系統、測試和信號處理軟件平臺，可在課堂教學中開展在線實驗，也可在課后開展學生分組拓展實驗。

3.2 課堂教學、教學討論和動手實踐內容相結合

本文提出的課程教學模式通過理論教學剖析知識點的科學和數學原理，然后輔以分組項目化實踐討論并輔以考核交流來完成知識點學習。筆者在講述微機控制課程時，將理論分析—電路設計—程序編寫—展示相結合，通過討論和學生動手焊接電路板，達到理論與實踐的統一，然后布置小項目，讓學生分組協作完成。

3.3 實踐課題要與教學內容相適應

布置實踐課題應圍繞知識點，盡可能減少知識外延。課外時間通常安排兩部分內容：一是課后作業，二是協作實踐課題。課后作業的完成一般沒有太大的問題，教師應進行監督考核，盡量減少學生抄襲作業。實踐性課題的選擇應慎重，要緊密結合課程進度引出課題，課題太小達不到訓練目標，太大則無法完成。例如：測控系統設計課題需要安排在中斷和串口通信等知識點學習之后；頻譜分析儀的設計，需要在離散信號FT變換，DFT和FFT等時域—頻域變換內容結束后安排。適時提出和適當開展課題研究，可以提高題目的趣味性和應用性，強化學生對實踐的熱情和興趣。

3.4 協作學習和自主展示

以小組協作的方式完成實踐課題非常重要，它為學生提供了一個相互交流和自我展示的學習環境，可利用小組之間的競爭和組內學生之間的相互激勵和支持提高學生學習的熱情和實踐信心。通常由3～5名學生組成一個小組，學生可根據分工查閱資料和進行相關模塊的開發。實踐課題融合了課程內容和拓展訓練，學生可結合教師的推薦自由選擇開發工具。在研發過程中，通過分組討論與班級集體討論，各組學生可有效地了解本組及個人在創新實踐環節中的不足，對優化設計方案起到積極的作用。

經過實踐環節的學習，學生的學習思維基本上跳出了抽象的數學思維模式，以形象、生動而又有趣的創新實踐模式取代了傳統的以死記硬背信號分析數學公式為特征的強化記憶學習模式，避免了平時學習一知半解，考前抓緊突擊的學習方法。實現了把學習的黃金時間放在平時，即把課堂教學、交互實踐和監督檢驗放在平時，簡化課程結課考試，促進了學生學習效率的提高，又使得教學時段得以充分利用，提高了學生綜合創新實踐素質。

4 教學改革成果

結合筆者提出的交互式主動創新實踐教學方法，從網絡實踐平臺、教學案例分析和學生成果等角度分析該方法的實施及效果。

4.1 測試信號分析網絡平臺

網絡式實踐平臺在國內外教育教學模式中并不少見，但是大多以視頻和教學材料為主，筆者在教學過程中開發了網絡化在線實驗平臺(如圖1所示)。學生注冊后，可以下載課程學習材料和實踐指導文件，通過在線實驗板塊對課程重要內容進行實驗。

圖1 網絡在線實驗系統

學生可通過校園無線網絡隨時隨地登錄網站，針對課堂所學理論進行應用實驗，不僅提高了學習興趣，同時也提高了對問題本質的理解和掌握。

4.2 交互式信號分析與處理平臺

利用軟件開發的信號處理平臺，可運行在手機和PC機等工具上(如圖2所示)。信號處理平臺利用教學信號處理算法，對典型信號、實時音頻信號和現場采集的振動等工程信號進行分析。在教與學的過程中，典型信號的分析可以使學生掌握信號的特點、時頻特性以及處理算法，輔以工程實際數據分析，從而解決從典型信號分析向工程實際數據分析的過渡，通過討論，全面掌握相關算法。

圖2 利用軟件平臺和手機移動平臺開發的教學輔助系統

4.3 學生實踐作品—六足搶險救援機器人

圖3所示的六足搶險救援機器人是測控技術與儀器專業學生的作品。采用本文提出的教學模式，學生具備一定的單片機、控制和傳感器技術等相關知識運用能力后，開發了本作品，榮獲河南省第九屆挑戰杯二等獎和河南省最具投資價值創意獎。

圖3 六足搶險救災機器人及其獲獎獎杯

5 結束語

培養高素質的科技創新人才是測控技術與儀器專業及其相關專業永恒的追求。為提高測控類課程的教學水平和質量，筆者提出了交互式創新實踐型教學法，依托于專業教學計劃和大綱，融工程項目案例庫與理論教學于一體，實現了教、學、用的有機統一，提高了學生綜合創新實踐能力。目前，該教學法已在測控技術與儀器專業教學中得到推廣，教師和學生反映良好。

[1] 郭麗萍,韓良.國外工科新生教學實例分析與人才培養模式探討[J].高等工程教育研究,2013(1):170-176.

[2] 唐孝云,劉京誠.測控技術與儀器本科專業創新人才培養新模式探索與實踐[J].中國大學教學,2009(6):30-32.

[3] 趙忠,劉彬讓.準確把握現代高等教育質量內涵 大力推進本科人才培養模式創新[J].中國大學教學,2013(1):23-26.

[4] 張學敏,倪虹霞,呂曉麗.電子信息工程專業信號類課程教學改革實踐探索[J].長春工程學院學報,2009(1):106-109.

[5] 李天倩,陽小明.信號處理相關課程結構探討[J].高等教育研究,2009,26(1):87-88,93.

[6] 秦祖贈,文衍宣.工程案例討論與分析在《化學反應工程》教學中的應用[J].廣州化工,2013,41(16):208-209.

[7] 張登攀,李長有.基于互動—實踐—創新模式的課程教學改革探索[J].科技信息,2009(23):573-574.