CDIO 模式在智能儀器教學中的應用研究*

◆張白 周春艷

作者：張白、周春艷，北方民族大學電氣信息工程學院講師，研究方向為智能信號檢測與控制（750021）。

1 引言

智能儀器是測控技術與儀器專業的一門專業必修課，內容涉及各類微處理器的原理和應用、電路設計技術、數據采集技術、數據處理算法及軟件設計等方面的知識，是一門融合多項技術且對實踐性要求很高的核心課程[1-2]。當前傳統的教學方法中，采用課堂理論教學結合驗證性實驗教學的模式，且實驗設備多采用基于8 位單片機的實驗箱，缺少軟件設計環節，缺少開放性實驗，學生僅僅是在現有硬件平臺上進行驗證性實驗，缺乏對硬件的認識和了解，無法融會貫通相關理論知識，缺乏綜合應用知識開展智能儀器設計的能力。

因此，如何通過教學方式的改進，提高學生對智能儀器課程的興趣，促進學生掌握智能儀器設計相關理論知識，提高實際應用開發的能力，培養的學生創造性思維，成為任課教師的研究重點。

CDIO（Conceive，構思；Design，設計；Implement，實現；Operate，運作）作為一種新的工程教育理念，主張以產品研發的CDIO 全過程，旨在重點培養學生熟練運用專業基礎知識及應用的能力、工程分析和解決問題的能力、團隊協作和交流的能力[3]。借鑒CDIO 工程教育模式，貫徹項目驅動教學法、競賽制教學法，對智能儀器課程教學的每個環節進行改革，期望調動學生學習的積極性，培養學生的團隊協作能力，達到良好的教學效果。

2 教學探索與實踐

分組教學 由于學生基礎的差異性，為了讓所有的學生都參與學習，培養他們之間的互助合作精神，可通過組成協作小組讓學生在合作中完成學習任務，相互學習，相互監督，相互借鑒。將班級學生分成若干小組，并選出組織能力較強、學習成績較好的學生作為組長，由組長負責組織、督促小組成員共同學習。將小組作為一個小的集體進行共同考核、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，每組進行的項目比賽成績記為大家共同的平時成績。

項目式教學模式 傳統的教學模式強調“以知識為本位”，教師首先在課堂上講授理論知識，然后進行相關的實驗或實踐活動。缺乏應用載體的教學方式很難使學生對課堂上的研究對象有感性認識，導致學生感到理論知識的抽象與枯燥，而逐漸喪失學習興趣；實踐階段嚴重依賴實驗箱固化的實驗，存在與理論內容脫節、實驗過分依賴實驗指導書以及實驗采用驗證性實驗等問題。因此，這種理論教學與實踐教學相分離的格局很難系統性培養學生的綜合技能，調動學生的主動性、參與性與協作性，影響學生專業技能的提高。

1）項目的選擇及任務設定。項目式教學法是以項目為依托，以任務為導向進行的教學活動[4-5]。首先，將教學內容劃分為若干個教學項目，每個項目都有一定的教學任務；在進行每個項目時，由教師先對項目進行分解并示范，在講解過程中引入若干問題，以問題引導學生思維，實現學生參與項目實施；然后由小組分工協作，在規定時間完成項目任務。如可結合傳感器，設計五個項目：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。設計內容均需涉及數據的采集、人機交互、數據通信、數據處理等。

另外，將項目要求規定好后，由學生自己撰寫項目開發任務書，工科專業的大學生在系統性理論學習的過程中需要不斷培養工程實踐開發能力，而這首先需要具備項目開發任務書的撰寫與閱讀能力。沒有詳細的項目開發任務書，很難將各章節涉及內容融會貫通。因此，學生需根據項目內容撰寫詳盡的項目任務書。

2）項目的實施。項目分為硬件系統設計與軟件系統設計兩大塊，開發過程采用模塊化設計，實施方式采用小組形式進行開發，每組設備包括一個最小單片機系統、傳感器、面包板等元器件。

硬件系統采用模塊化設計，將每一個項目的硬件電路分為晶振模塊、電源模塊、人機接口模塊、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。每個模塊相應設計若干方案供不同項目組選擇。以常用電源電路為例，分別設計以固定電壓芯片LM7805 構建電源模塊、以三端可調芯片LM317 構建電源模塊、以LM1117-5.0 芯片構建電源模塊。

軟件系統設計同樣采用模塊化設計，將每一個項目的軟件系統分為微處理器初始化模塊、鍵盤訪問模塊、A/D 轉換模塊、數據處理模塊、D/A 轉換模塊、LED 顯示模塊、LCD 顯示模塊、通信模塊以及特殊功能模塊。每一個軟件模塊設計若干方案。以微處理器初始化模塊為例，提供89C51單片機的初始化模塊，提供C8051 系列單片機的初始化模塊，提供STM32 系列單片機初始化模塊，供不同層級、不同需求的學生選擇，豐富學生的知識面，鍛煉學生的綜合應用能力。在實施過程中，評選優秀的學生模塊，加入模塊數據庫，并建立軟件模塊貢獻榮譽榜，表彰學生的貢獻，提高學生學習的熱情與積極性。

學生根據自己的項目需要，選擇不同的軟硬件模塊實現模塊化集成設計，最終焊接、調試實現不同的項目功能。

課堂教學方法 傳統的課堂通常是教師的“一言堂”，屬于填鴨式教學方式，教學方式與教學內容固定，學生學習方式被動，學習興趣不高，最終造成教學效果不理想。特別是對于智能儀器這類涉及內容多且繁雜的綜合性課程，傳統的課堂教學更難提升學生的興趣與學習欲望。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以最精煉的語言及視頻展現出來，然后先動手實踐，在實踐中運用并鞏固理論知識點。如數據采集技術涉及的技術指標很多，諸如信號類型、最大信號幅值、增益、分辨率、轉換時間、精度、偏移誤差、增益誤差等，僅通過理論講解，學生很難掌握這些指標的含義與區別。

因此，可首先在課堂對A/D 轉換器基本理論進行講解，然后演示一個采集傳感器電壓信號的例子，并在MATLAB 或Origin 等數據處理軟件中將采集到的值和理論值進行曲線擬合，然后分析A/D 轉換涉及的各類誤差及技術指標，通過直觀感受，加深學生對理論概念的理解。課堂采用的教學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集成在一個完整的項目中，通過在項目中實際應用相關知識，將零散的知識點有機地組織在一起，使得學生從感性認知中重構理論知識體系。并且學生通過實施項目，對項目中涉及的知識點有了進一步的認識，對問題的理解也較為深刻，鞏固了理論基礎，鍛煉了實踐應用能力。

對小組無法解決的問題，采用師生互動的方式，教師幫助設計解決方案，學生負責實施方案并驗證結果。對于學生共同存在的問題，可以采用小型專題講座的形式進行系統講解，認真聽取學生的意見，有針對性地開展相關講座，必將收到意想不到的效果。

競賽制教學模式 競爭是個體或群體為了達到目標與對方爭勝的行為，在課堂小組間組織競賽制教學，可有效激發學生的學習積極性和進取拼搏精神[6]。合理設計競賽模式，將有效激發學生爭強好勝的心理，并將其轉化為學習動力，從被動學習轉變為主動學習。為了集體與個人的榮譽，學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就會產生成就感，這種成就感將轉變為內在的動力，促使他們更加努力學習。同時，由于競賽式學習是以學生為主體，學生對自己解決的問題、做過的項目會留下深刻印象，最終實現理論知識的鞏固與實踐能力的提升。本課程將每次的項目開發都設計為組間競賽活動，可根據全組成員考勤情況、相互協作情況、PPT 講解情況、成果展示等幾個方面評選出最優小組，并給出競賽成績。

3 考核方式

借鑒“翻轉課堂”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，個人表現占30 分。在考核標準中，小組考勤及項目成績總共35 分，該分必須是小組成員共同努力協作得來的，以此督促全體學生都參與到學習中來，增強團體協作意識及自我約束能力。另外15 分是個人得分，主要取決于學生個人在小組中的貢獻及對知識的掌握程度。該成績可以有效激勵學習較好的學生得到更高的成績，以示公平性。

4 結論

本文根據智能儀器課程綜合性、實踐性強等特點，本著以學生為主體、教師為引導的方針，借鑒CDIO 工程教學模式，精簡教學內容，設計“項目式教學法”“競賽制教學法”等課堂活動，激發學生的學習積極性和主動性。筆者通過這些教學方法和評價方法的改進，學生學習的積極性有顯著改觀，學生實踐創新能力和團隊協作能力得到培養，綜合應用知識的能力得到提升。

[1]劉獻如.智能儀器課程教學改革探索[J].計算機教育,2010(19):45-47.

[2]蔡自興.智能控制原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2009.

[3]姜大志,孫浩軍.基于CDIO 的主動式項目驅動學習方法研究:以Java 類課程教學改革為例[J].高等工程教育研究,2012(4):159-164.

[4]呂萍.基于項目的多課程協同教學理念和實踐[J].高等工程教育研究,2012(4):171-175.

[5]李妍.項目化教學在嵌入式系統實踐課程中的探索[J].實驗室科學,2012(5):27-29.

[6]許慧.積極情緒對工程學生創新能力影響研究[J].高等工程教育研究,2015(2):94-99.

[7]丁建英,黃煙波.翻轉課堂研究及其教學設計[J].中國教育技術裝備,2013(21):88-91.