項目驅動教學法在研究生工程實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應用

張海寧，任安虎，郭和平

（1.西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，陜西西安 710021；2.西安中星測控有限公司，陜西西安 710075）

在以往的教學過程中，如果學生參與導師的科研項目，其實踐能力會提高很快，學生在項目研發(fā)過程中，學會了在實踐中學習新的知識并很快應用于實踐（為用而學），繼而進行創(chuàng)新。因此我們引入一個真實的工程項目，將應用型人才的培養(yǎng)落實在實踐教學中，采用項目驅動教學的方式[1]，對4 名工程碩士進行實踐教學，以提高其實踐能力和創(chuàng)新意識[2,3]。

1 項目選擇與方案設計

我們選擇一個企業(yè)需求的實際項目“壓力變送器批量自動標定系統(tǒng)”[4]，該項目是壓力變送器生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)線上的標定裝備，實現(xiàn)一次自動標定多個壓力變送器的功能，解決了過去手工標定且只能標定一個的缺點，極大地提高了生產(chǎn)效率。

首先，對用戶需求進行分析，將用戶需求轉化為實施方案，在這階段以教師為主，現(xiàn)階段學生的能力還達不到要求，教師主要引導學生如何將需求功能轉化為知識技術，解決用戶的實際問題，比如提高標定自動化和標定速度（效率）的思路方法。

過去是人工控制壓力控制器，人工讀取儀表的電流（電壓），讀數(shù)，輸入計算機，長時間工作容易出錯，而且每次只能標定一個變送器，效率低的主要原因是壓力控制器加壓、降壓的時間比較長。所以改為由計算機代替人來做這些工作，計算機控制壓力控制器、智能儀表，長時間工作也不會出錯；在加減一次壓力的情況下，對多個變送器進行控制，大大節(jié)省了時間，效率提高了數(shù)倍；但計算機的數(shù)據(jù)無法和變送器直接通信，所以需要接口裝置（下位機），將計算機與變送器數(shù)據(jù)進行轉換。

經(jīng)過與企業(yè)的多次交流，本次設計的壓力變送器自動標定系統(tǒng)分為上位機軟件和下位機（硬件與軟件）兩部分，總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

在這個過程中，第一輪，首先讓學生自己提出方案，然后開會討論，肯定正確的，否定錯誤的。再進行第二輪、第三輪……直至獲得可行的方案。讓學生了解科研開發(fā)的過程，逐漸進入科研的狀態(tài)。

上位機軟件主要負責批量自動標定過程的流程控制和對壓力變送器輸出電流的調節(jié)任務。

上位機的標定軟件通過控制壓力控制器產(chǎn)生相應的壓力，使壓力變送器產(chǎn)生相應的輸出電流。然后上位機控制下位機切換至對應通道進行標定。上位機通過控制下位機將智能儀表接入電路，并使用智能儀表采集相應通道壓力變送器的輸出電流[5]。通過實際電流輸出值，通過標定算法計算壓力變送器所需輸出調節(jié)的具體數(shù)值[6]，并將結果經(jīng)由下位機，寫入對應壓力變送器內(nèi)部的輸出增益和偏移調節(jié)芯片，然后上位機再通過檢測不同壓力下輸出電流是否符合滿足精度要求，滿足要求則完成標定，否則繼續(xù)調節(jié)壓力變送器輸出，一般需要多次才能滿足精度要求。

下位機硬件部分主要負責接收上位機指令，實現(xiàn)將上位機指定的壓力變送器導入標定通道和將智能儀表接入電路實現(xiàn)標定過程。下位機利用嵌入式技術，將指定通道壓力變送器導入下位機電路，再將多用表接入下位機電路，由上位機讀取多用表采集的電流數(shù)據(jù)，計算壓力變送器所需的輸出調節(jié)信息，最后將計算結果經(jīng)由下位機寫入壓力變送器增益和偏移調節(jié)芯片。

2 項目驅動教學的實施

通過上面的過程，讓學生了解到如何將用戶的需求轉化為項目方案。面對這個方案，如何進行實踐教學？下面將實現(xiàn)各模塊功能所需的知識點、技術點、現(xiàn)有的技術儲備、所具有的能力、下一步學習的方向羅列出來，如表1所示。

從表1可以看出，學生學習過大部分的知識技術，但不具備實現(xiàn)這些功能的能力，這就是典型的有知識（紙面上），沒有能力（工程實現(xiàn)）。所以知識要轉化為實踐能力，還需要在實踐中學習。

如何在實踐中學習？在表1的最后一列，列出了需要學習的內(nèi)容，可以看出，僅有課本知識是不夠的，與實際的需求相差甚遠，甚至有些知識從書本上是學不到的，必須在實踐中學習，這是將來進入工作崗位的常態(tài)，學校只是進行基礎理論、基礎實驗的講授，學生進入工作崗位，須進行二次有效的學習。

表1 各模塊功能所需知識技術

如A 研究生的標定、復檢功能任務，書本上沒有，學生不知道怎么做，必須到企業(yè)現(xiàn)場了解標定工藝過程，學習芯片手冊，設計出可用的標定方法，才能設計出符合生產(chǎn)要求的軟件。

B 研究生的任務：計算機控制壓力控制器、智能多用儀表，學生僅大概知道可以這么做，但不知道具體怎么做，僅會軟件設計是不夠的，必須學習儀表的手冊，掌握具體的控制方法和命令，才能設計能用的軟件。

C 研究生的任務是采用嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字電路實現(xiàn)所需的功能，主控及周邊接口電路與軟件基本能實現(xiàn)，這些技術儲備都有（因為學校實驗都是基礎實驗，面向應用靈活發(fā)揮的較少），但協(xié)議轉換不知如何實現(xiàn)，還需要仔細學習芯片手冊，根據(jù)芯片手冊的要求進行設計。

D 研究生的任務需要嵌入式軟件、模擬電路、數(shù)字電路、電源技術儲備，與課本的知識接近，學生能夠完成大部分功能，但與實際應用還有距離，主要是看不懂芯片的資料。

總體而言，有兩個現(xiàn)象：一是學生有知識技術儲備，但不會運用，所以要培養(yǎng)學生在實踐中學習的能力；二是學生沒有知識技術儲備，不知如何在大量的信息中快速學習并掌握對自己有用的信息，所以需要學生以完成項目為目的地去學習，而不能像平時課堂教學那樣按部就班地學習，這兩點需要加強。

將以上各模塊的任務分配給每個學生，每人負責若干功能模塊，按照項目管理方式，制定時間進度節(jié)點，按節(jié)點進行檢查驗收。以完成項目任務為目的，發(fā)揮個人的主觀能動性，自學為主，教師進行引導，學生進行有效的學習，通過邊學習邊實踐、再實踐再學習的過程，將知識變?yōu)槟芰Α?/p>

學習的形式多樣，包括自我學習、查閱資料、學生間交流、開會討論、與教師交流等，主要目的是培養(yǎng)學生掌握從事科學研究的學習方法，獲取（已知和未知領域）知識的能力及實踐能力，形成創(chuàng)新意識。

這個過程包括用戶需求分析、方案設計、詳細設計、模塊調試、系統(tǒng)調試、交付用戶的完整過程。在需求分析和方案設計階段，需要廣博的知識，對目前的學生而言有難度，需要學生經(jīng)過較長時間的學習鍛煉，本次只是為了讓學生了解方法和思路；在詳細設計和模塊調試階段，有知識方面和實踐方面的內(nèi)容，技術面比較具體，經(jīng)驗積累也容易，學生進步比較快；而在后面的階段需要豐富的經(jīng)驗和綜合技術，需要積累，如可靠性設計、可維護性設計、可安裝性設計的意識，本次也主要是為了培養(yǎng)學生具備這方面的意識。

3 項目驅動課程教學法的效果

通過這次近一年的項目鍛煉，學生進步明顯，主要體現(xiàn)在四個方面：

（1）學習能力和效率明顯提高。掌握了在實踐中學習的方法，能夠根據(jù)實際需求快速獲取所需的知識解決問題。比如變送器的標定方法，學生沒有學過，通過這個項目，學生掌握了學習新知識的方法和能力。

（2）實踐能力明顯提高。學生知道怎么開展實際的工程項目，對一個工程項目有思路。比如學過嵌入式系統(tǒng)，但是不知道怎么應用，通過這個項目學會應用嵌入式系統(tǒng)。

（3）解決實際問題的能力提高。開展實際項目會遇到各種困難（錯誤），關鍵是要能夠找到解決的方法和思路。比如單個模塊調試好，放到系統(tǒng)就有問題；在實驗室調好，到生產(chǎn)車間就有問題；標定幾個樣品工作正常，但進行批量標定時就出現(xiàn)問題；通過解決這些問題，大大提高了學生解決問題的能力，形成了對產(chǎn)品開發(fā)過程的正確認識。

（4）知道團隊協(xié)作合作精神的重要性。項目是由多人合作完成的，只有協(xié)作才能順利完成系統(tǒng)聯(lián)調，克服短板，否則不能保證系統(tǒng)的整體進度。

4 結語

為了在研究生期間培養(yǎng)工程碩士的實踐能力，采用項目驅動的教學方法，引入實際的工程項目，讓研究生參與項目的全部過程，包括用戶需求分析、方案設計、詳細設計、模塊調試、系統(tǒng)調試、交付用戶的完整過程，4 名研究生的學習能力、實踐能力都得到了很大的提升，對實際項目的研制過程有了真實客觀的認識，更加接近實際的項目開發(fā)，有利于他們畢業(yè)后更快適應企業(yè)工作。