以大作業(yè)為驅(qū)動力的《智能儀器設(shè)計》課程教學(xué)改革

摘要：通過建立以大作業(yè)為中心的教學(xué)模式，把智能儀器設(shè)計課程的三個相對獨立的教學(xué)環(huán)節(jié)（課堂教學(xué)、實驗、和課程設(shè)計）有機融合在一起，不再明顯地區(qū)分3個環(huán)節(jié)。通過教學(xué)改革為學(xué)生提供施展自己創(chuàng)造能力的空間，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

關(guān)鍵詞：智能儀器；實踐實訓(xùn)；大作業(yè)

中圖分類號：G642.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0568（2014）14-0054-01

作者簡介：呂青，博士，副教授，主要從事智能儀器設(shè)計課程的教學(xué)和智能儀器開發(fā)的科研工作。

基金項目：本文系山西省高等學(xué)校教學(xué)改革重點項目“以大作業(yè)為驅(qū)動力的智能儀器設(shè)計課程教學(xué)改革與探索”（編號：800104-02100458）的研究成果。

智能儀器設(shè)計是對微機原理、單片機、嵌入式系統(tǒng)和傳感器與檢測技術(shù)等課程的內(nèi)容進行深化、延伸、補充的課程，它融合多項新技術(shù)，對實踐性要求很高。學(xué)生通過該門課和課程設(shè)計的學(xué)習(xí)，應(yīng)該掌握智能儀器的開發(fā)、設(shè)計方面的專業(yè)知識，具有很強的動手能力。在實際教學(xué)中，現(xiàn)有教學(xué)模式與這門課程教學(xué)要求存在很多矛盾，為了保證和提高教學(xué)效果，各個學(xué)校都在不斷地對智能儀器設(shè)計課程教學(xué)進行改革，以期更加適應(yīng)這門課程的特點。筆者在教學(xué)工作中參與了這門課程的一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，對于該課程的教學(xué)有一些思考，認(rèn)為可實施以“大作業(yè)”為驅(qū)動力的教學(xué)改革。

一、改革思路

智能儀器設(shè)計課程分為三部分：課堂教學(xué)24學(xué)時，8學(xué)時的實驗和1周的課程設(shè)計。原有教學(xué)模式中這三個環(huán)節(jié)相對獨立，教學(xué)各環(huán)節(jié)的安排存在不合理的地方，具體表現(xiàn)在：①課程設(shè)計環(huán)節(jié)，課程設(shè)計一周時間內(nèi)，要完成一個測量儀表的設(shè)計、原理圖和印刷電路板圖的繪制、PCB制板、焊接、調(diào)試基本不可能，即使是不做PCB板，在面包板上插件調(diào)試時間也是不夠的，所以課程設(shè)計環(huán)節(jié)的質(zhì)量無法保證；②實驗環(huán)節(jié)，要求學(xué)生用Keil軟件編程調(diào)試C51程序完成幾個簡單的功能，在后續(xù)的課程設(shè)計中，一個測量儀表的系統(tǒng)軟件涵蓋了實驗階段的這些簡單程序的功能，實驗和課程設(shè)計內(nèi)容重疊；③課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，課堂教學(xué)24學(xué)時，介紹的內(nèi)容有限，學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)。

改變智能儀器課程的教學(xué)模式，建立以大作業(yè)為中心的教學(xué)模式，把智能儀器設(shè)計課程的3個相對獨立的教學(xué)環(huán)節(jié)，即課堂教學(xué)、實驗和課程設(shè)計有機融合在一起，不再明顯地區(qū)分3個環(huán)節(jié)。突出大作業(yè)（Course work）在課程教學(xué)中所扮演的角色，整個教學(xué)活動的主線是學(xué)生圍繞大作業(yè)開展自主學(xué)習(xí)，完成教師布置的課題任務(wù)，課堂教學(xué)主要起輔導(dǎo)、答疑的作用。

二、改革教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)改革的核心是以大作業(yè)為驅(qū)動力，大作業(yè)應(yīng)富有創(chuàng)意和特色，合適的大作業(yè)能保證教學(xué)內(nèi)容的豐富性和新穎性。大作業(yè)的內(nèi)容、每組學(xué)生應(yīng)完成大作業(yè)的數(shù)量、大作業(yè)的難易程度是教學(xué)改革首先要考慮的問題。

大作業(yè)的內(nèi)容設(shè)置有體現(xiàn)理論基礎(chǔ)知識的和實踐實訓(xùn)的。例如，一個配用熱電偶的溫度測量智能儀表項目，需要對毫伏級電壓信號進行定時采集、信號調(diào)理等硬件電路運算放大器的選型電阻的計算，要運用數(shù)字濾波、非線性特性線性化、零點及量程自動校正、標(biāo)度變換等技術(shù)，這些涉及到基礎(chǔ)理論知識。將配用熱電偶的溫度測量智能儀表用Protel畫出硬件部分原理圖、PCB圖、制版、焊板、調(diào)試板就屬于實踐實訓(xùn)了。

大作業(yè)的內(nèi)容還考慮了實踐性、真實性、前沿性。大作業(yè)貼近或者盡量模擬實際工程問題，使學(xué)生能夠?qū)W以致用，從而激發(fā)學(xué)生的興趣。大作業(yè)要接觸本專業(yè)最先進技術(shù)。如鑒于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，大作業(yè)題目中增加了利用虛擬儀器實驗平臺設(shè)計開發(fā)智能儀器的內(nèi)容。

學(xué)生的個體差異不同，大作業(yè)的難易程度也有所不同。為了使不同的學(xué)生均得到一次完整的鍛煉機會，可將大作業(yè)分成難、中、易三類。難是指涉及內(nèi)容多、綜合性強的設(shè)計題目，如設(shè)計中包括信號調(diào)理電路的設(shè)計、A/D通道設(shè)計、數(shù)字濾波、非線性特性線性化、標(biāo)度變換、人機接口設(shè)計等。中等難度的占多數(shù)，如在上述內(nèi)容中去掉數(shù)字濾波或非線性特性線性化等要求。少量較容易做的題，在內(nèi)容上只是完成了智能儀表的某一部分功能，如鍵盤/顯示設(shè)計、時鐘設(shè)計、數(shù)字I/O等。

三、改革教學(xué)方法

課堂集中教學(xué)學(xué)時壓縮到6～8學(xué)時，選擇一個具有典型功能且相對完整的智能儀器的產(chǎn)品，以此為例，介紹該產(chǎn)品的整體設(shè)計思路及相關(guān)知識點，同時結(jié)合教師的科研介紹實際開發(fā)的經(jīng)驗。實例講解后，公布任課教師設(shè)立的大作業(yè)題目，學(xué)生可以從中選擇，或者選擇其導(dǎo)師科研項目中與智能儀器系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容，甚至是選擇由教師審核通過的自己感興趣想設(shè)計的智能儀器系統(tǒng)。其后兩個月的課程學(xué)習(xí)時間，就是自主查閱資料，進行項目獨立設(shè)計，完成仿真、調(diào)試電路及相應(yīng)的軟件、組裝等過程。在此期間，學(xué)生自主學(xué)習(xí)比重較大，教師答疑、解惑起指導(dǎo)督促作用，鼓勵學(xué)生盡可能多地開展討論和交流。

四、改革學(xué)生成績考核體系

課程教學(xué)改革是一個系統(tǒng)工程，學(xué)生成績考核體系是整個教學(xué)模式開展的指揮棒，起著折射教學(xué)重點、督促學(xué)生學(xué)習(xí)和檢驗教學(xué)效果的重要作用。缺乏科學(xué)的考核體系督促，學(xué)生沒有動力，不積極，致使很多教改項目流于形式，沒有達到應(yīng)該達到的目的。改變一紙試卷定成績的做法，就需要建立公正公平的課程成績評價體系。

新的成績考核體系中可引入學(xué)生評價，考核由三部分組成：教師的評價、外組學(xué)生的評價和同組的學(xué)生互評，最后的課程成績是三部分的評價乘以相應(yīng)權(quán)重的結(jié)果。

教師的評價考慮的因素主要有：大作業(yè)的完成質(zhì)量、設(shè)計思想的創(chuàng)新性和大作業(yè)題目的難易程度。大作業(yè)完成程度上分為幾個層次：①用Proteus及其它相關(guān)仿真軟件實現(xiàn)功能；②用學(xué)校提供的或者自購的實驗開發(fā)板實現(xiàn)要求；③在面包板或洞洞板上實現(xiàn)電路；④繪制印刷電路板圖，在定制好的PCB板上焊接、調(diào)試完成項目。其中，創(chuàng)新思想尤為重要，盡管有些方案不完全成熟，或者受到器件限制沒有完成，但對學(xué)生具有的創(chuàng)新意識老師應(yīng)給予充分的考慮。

最后，大作業(yè)本身的難易程度也是顯然要考慮的問題。大作業(yè)過程中的開題和答辯環(huán)節(jié)要面向全體同學(xué)。大作業(yè)項目的申請書、設(shè)計總結(jié)報告、項目演示及是否完成預(yù)期目標(biāo)等因素，都是外組學(xué)生評價的依據(jù)。大作業(yè)一般都由多個同學(xué)共同完成的，同組學(xué)生之間最了解相互的工作情況，他們之間的互評也是非常有價值的。

五、改革效果

筆者在我校自動化09、10級學(xué)生實施了智能儀器設(shè)計課程的教學(xué)改革，激發(fā)學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動學(xué)習(xí)。兩個月的課程學(xué)習(xí)時間，學(xué)生不僅僅是設(shè)計，還能完成制作一個智能儀表的全過程，達到了鍛煉實踐動手能力的目的。

參考文獻：

[1]夏路易.單片機原理及應(yīng)用——基于51與高速SoC51[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]凌振寶，等.智能儀器課程實驗內(nèi)容改革的實踐與探索[J].實驗技術(shù)與管理， 2004， 21（1）： 128-140.

（編輯：秦俊嫄）