基于創新能力培養的“智能儀器”課程教學改革研究

黃梅志

武漢華夏理工學院 湖北武漢 430223

“智能儀器”課程是伴隨著智能系統技術發展的一門系統性較強的知識綜合型課程,也是我校測控技術與儀器專業重要的專業課程。通過本課程的學習,旨在使學生建立儀器整機系統的概念,掌握智能儀器軟硬件相結合的基本工作原理、主要技術和設計方法,培養學生綜合運用所學知識與技術進行儀器設計的能力,提高學生靈活性和創新意識。在該課程的傳統教學中,大多停留在以講解教材基礎理論為主,采用傳統的實驗箱教學法來完成驗證性的實驗,缺乏對學生創新思維和創新能力的培養[1]。針對以上情況,通過在理論教學中采用項目驅動教學法,讓學生邊學邊練,在“做中學”。在實驗教學中,通過增加學生自主設計和動手環節,提升學生學習該課程的興趣和動力,培養學生的創新思維和創新能力。

一、目前教學中創新能力培養存在的問題

(一)教學知識點多且分散,缺乏連貫性案例

一方面,“智能儀器”課程教學內容多,課時少,不利于學生對知識點的熟練掌握。我校的“智能儀器”課程為32學時,其中實踐環節為6學時,課時量非常的有限[2]。理論教學通常側重于各種傳統檢測技術、典型數據處理方法、可靠性與抗干擾技術、通信技術等智能儀器軟硬件相結合的基本工作原理和設計方法的基礎理論講解,知識點多且分散。如果將教材中所有的知識點都進行講解,可能教學時間不夠;如果只選取部分內容來講解,可能會影響到學生對知識的理解。這兩種情況都將導致學生在有限的時間內很難熟練掌握預定的教學內容,不利于實現創新型人才培養的教育目標。

另一方面,教材提供的教學案例相互獨立,缺少關聯性和銜接性。在傳統教學中,通常按照教材的知識體系和教材的編排順序來進行教學。教學案例來源于教材,一般是根據每一章節的知識點來進行設計的。該案例只應用于本章節,與后續章節中的案例沒有關聯性。這種案例式的教學方式不利于學生建立起智能儀器整機系統的概念。

(二)教學方法單一

在智能儀器的教學過程中,傳統的教學方式也相對單一,還是以理論為主,采用“填鴨式”的授課方式[3]。課堂教學以教師為主體,教師通過多媒體課件的形式進行講解。在這種教學方式下,學生過度依賴課堂講授,很難接觸到具體的應用實踐項目,因而難以有應用理論知識解決實際問題的機會,不利于創新思維的培養。

(三)實踐教學環節薄弱

“智能儀器”課程是一門實踐性、應用性很強的課程,實踐教學在整個教學過程中尤其重要。在智能儀器實驗教學中,目前大部分高校還采用傳統的箱式實驗系統。學生按照實驗指導書進行接線,調用程序就可以看到實驗結果。在設計性實驗中,學生以試驗箱為依托,通過改寫程序來實現相關功能,幾乎未進行智能儀表的硬件電路設計。這種被動接受的實踐教學模式導致學生缺乏深入思考,無法實現知識點的綜合理解和融會貫通,學生的動手實踐能力也得不到提高,并且不利于學生創新性、研究性思維的培養。

(四)考核方式不盡合理

本課程的考核方式以期末考試為主、過程考核為輔,其中部分過程考核細則不夠明確。我校對本課程的過程考核主要包括出勤率、課堂表現、作業、實驗等。在課堂表現環節,通常以回答問題次數作為考核依據,由于教學內容多而學時少,課堂提問次數較少,使得該項考核難以執行。在實驗考核環節,考核依據一般都是實驗報告,缺少對實驗過程如動手能力、團隊合作等方面的考核,因此不能對學生的綜合實驗成績進行科學、合理的分析。

二、創新能力培養所采取的具體措施

大學生作為建設創新型國家的重要未來力量,其創新意識和創新能力是保持國家核心競爭力的關鍵,而高校是培養高素質創新型人才的搖籃。因此,加強大學生創新能力的培養是教育改革的核心目標,也是提高人才質量的關鍵。為培養符合社會需求的創新型人才,針對上述傳統教學中存在的各種問題,結合“智能儀器”課程的特點和多年的教學經驗,筆者從教學內容、教學方法、實踐教學以及考核方式四個方面進行改革和實踐。具體措施如下:

(一)教學內容的改革

課程內容是一門課程的主體,是教師想要達到教學目的最主要的過程和內容,所以對于學生掌握課程是至關重要的。

要保證教學效果,首先要精選教學內容。該課程總共只有32學時,理論教學比較緊張。任課教師需要根據教學大綱和測控專業特點,結合學生現有知識結構,對教學內容進行精心提煉和組織。對比較陳舊、實際應用價值不大的內容應進行精簡。對學生基礎的知識點,如常見模擬量信號的檢測方法,用的都是電子技術和傳感與檢測技術中學過的知識,可以簡單介紹,或通過留思考題、雨課堂、微課等方式讓學生課后帶著問題去自學了解[4]。對學生基礎比較薄弱的知識點,如智能儀器的接口技術、典型數據處理功能、數據通信技術應重點進行講解。

其次,在教學中引入能貫穿整個教學過程的典型案例,以便于學生建立起智能儀器整機系統的概念。教師在挑選案例時,既要考慮案例與創新能力培養目標的契合度,還要考慮案例與教學內容和學生知識水平的匹配性。最好挑選與學生現有知識結構相匹配、系統結構適中、緊密結合課程內容、突出教學目標的典型案例。完成案例的選擇后,教師要科學分解案例模塊,確定相應的學習要求和討論主題,使每個子模塊與相應章節的教學內容相匹配。

最后,加強預習環節,提高課堂教學效率。教師需要將提前制作的預習課件和微課視頻上傳到學習通,學生在預習后完成在線預習小測試。通過這種方式,一方面可以引導學生完成對課程內容的了解和熟悉,另一方面,可以通過測試情況了解學生存在的問題,教師可據此來調整授課重點。

(二)理論教學方法的改革

在“智能儀器”課程的理論教學過程中引入項目驅動教學法。該教學方法要求將具體的項目引入教學過程中,在基本的知識講解后,用項目來貫通和理解相關章節的知識點。在本課程中,項目驅動采用層次教學的方法來實施,將一個大項目分解為多個子項目。項目驅動教學法具體實施過程如圖1所示。

圖1 項目驅動教學法實施過程

在制訂教學計劃時,教師先要在學習總體目標的框架上,結合課程特點及科研經驗完成項目的設計。這些項目可以是經典案例、競賽題目,也可以是企業的實際項目。同時,根據教學進度對項目進行編排,安排各階段的子項目及相關設計任務。當教師進行課程基本知識的講授后,結合學生前期學習成效、興趣愛好,指導學生進行智能儀器研究項目的考察和調研,每組確定一個不同選題,例如環境溫濕度智能檢測、超市智能稱重、超聲波測距、酒精濃度智能檢測、電機轉速、紅外計數等智能檢測儀表的設計。在此階段,可采用教師提供指定題目和學生自主擬題相結合的方式來實施,鼓勵學有余力的學生對研究內容進行拓展,進行創新性設計。隨著課程的進行以及知識學習的深入,需要學生結合選題,將所學專業知識應用到具體研究當中。例如,在完成智能儀器輸入通道的學習后,學生應完成的子項目設計任務包括控制芯片和傳感器選型、信號放大電路和A/D轉換電路的設計。隨著教學進程的推進,學生還要依次完成輸出通道、人機交互接口電路等相關子項目的設計,最后通過多個子項目組合成一個大項目,從而完成整個項目的設計。

在項目完成過程中,為及早發現學生在設計中存在的問題,避免設計偏離研究目標,教師需要進行階段性的檢查,以此來及時糾正問題。教師可在每個階段性設計完成的結束節點,要求學生利用仿真、PPT、實物展示等方式展示設計成果[5],闡述設計思路及有關理論。在學生展示后,教師要進行點評與總結,對學生探究過程的評價要以正面鼓勵為主,對積極參與合作探究的學生給予表揚,對能創造性完成任務的學生予以鼓勵,對探究中暴露出的錯誤觀點要及時糾正。在項目推進過程中,當遇到困難時,教師要提供幫助,和學生共同參與,相互合作,并隨著專業課程的學習,逐步推進和完善設計方案,保證設計的順利開展。

通過項目式教學,將理論知識轉化為實際應用,實現知識學習和項目推進的同步進行。在學習過程中,學生會感受到新知識的價值,以及問題成功解決的喜悅和成就感。這將使學生能夠由被動學習轉化為主動學習,更加注重研究和創新,從而積極投入課程學習當中,激發創新思維,提升創新能力。

(三)實踐教學的改革

實踐教學的改革包括實驗教學內容改革和實驗教學方法的改革。

(1)針對實驗教學過度依賴試驗箱,驗證性實驗過多,缺乏設計性和綜合性實驗的問題,筆者對每個實驗項目進行了二次開發。在原有驗證性實驗項目的基礎上,依據教學目標和學生的知識水平,以學生創新能力培養為導向,引入軟件工具Proteus和keilC,增加軟件編程和硬件電路的自主設計環節,使每個實驗均具有驗證性、設計性與綜合性。其具體的實驗實施過程如圖2所示。

圖2 實驗實施過程

例如,在智能儀器輸入通道實驗中,學生先利用試驗箱完成單通道數據的采集和顯示,然后用Proteus完成多通道數據采集電路的設計,利用keilC編寫控制程序,實現多路信號的采集和顯示。在此過程中,學生自行選擇采集對象和相應的傳感器,根據傳感器的輸出信號設計信號處理電路。在此設計基礎上,后續可依次完成輸出通道、人機接口實驗中硬件電路的設計和軟件編程。通過對原有實驗的改進,使每個實驗由淺到深、由驗證到設計,循序漸進式地進行,這樣充分調動了學生的積極性和主動性,有利于培養學生的創新思維和創新能力[6]。

(2)在實驗教學中,引入啟發式、提問式、討論式等多種教學方法。以智能儀器人機接口實驗為例,可以以實驗室常見的示波器引導學生理解人機交互對智能儀表的意義和重要性。在人機接口設計環節,教師可以給出部分方案或模板,通過提問和分組討論來改進和完善設計方案。在這個過程中,學生可以從中找到創新思路,完成接下來的設計任務。

(四)考核方式的改革

在考核方式上,提升過程性考核比例,設計多元化的過程考核評定形式,細致量化考核標準,做好考核環節的把控。

首先,將項目完成情況納入課堂表現的考核指標當中。為避免評價的片面性,增加評價的真實性,考核方式可采用教師點評、組內自評及組間互評三者相結合的方式來進行考核。在整個項目驅動教學環節中,通過制定系統完整的考評手段,讓全部學生參與到題目研究與考核中。例如,在任務分配階段,嚴格要求每個學生承擔一定的研究任務,避免部分學生參與過少或沒有真正參與到項目研究當中。在項目推進過程中,要求團隊所有成員依據不同的分工,分別進行不同部分的答辯。這樣既有分工又有合作,同時還會激勵各組之間相互競爭。在每次成果展示及匯報時,要求每個同學都要提出意見,并納入考核范圍,最終激勵并推動學生變被動學習為主動學習。

其次,在實驗考核中,考核標準由原來的實驗結果評價轉變為向實驗過程評價,實驗報告不再是考核的唯一依據。在改革后的實驗考核體系中,成績評價由實驗預習、實驗操作、數據處理、結果分析、實驗報告等幾部分構成,每項占一定比例。通過對每個環節的考核,可以對學生的整個實驗過程進行科學、合理的分析。通過加強對實驗過程的考核和對學生學習的引導,既可激發學生的學習興趣,又可有效提升其綜合能力;同時教師也能夠根據學生的考核結果充分了解學生在本次實驗教學中相關知識的掌握程度。

三、教學成效與存在問題

在我校2018級和2019級測控專業兩個年級的教學實踐中,通過在理論教學中引入項目驅動教學法,對實驗教學項目進行改進,激發了學生的學習興趣,讓學生體會到了本門課的實際應用價值。通過設計多元化考核形式,量化考核指標,使學生更加積極參與到課堂討論和實踐項目當中,提升了對學生創新思維和創新能力的培養。

項目研究成果在應用于教學實踐的過程中,雖然取得了比較好的教學效果,但尚有不足之處。例如:目前實驗項目是原有實驗的二次開發,實驗內容可擴展性較小,后期可通過引用新技術、新研究內容來強化實驗項目;在考核形式上,可以在平時的課程作業中適量加入難度適宜的項目案例,豐富考核形式的同時更有利于學生知識的掌握和運用。

結語

“智能儀器”是測控專業的核心專業課,如何在有限的學時內讓學生在掌握理論知識的同時,創新實踐能力得到提升一直是困擾任課教師的難題。筆者在分析傳統教學不足的基礎上,從教學內容、教學方法、實踐教學、考核標準四個方面進行了探究,希望能夠為“智能儀器”課程教學改革提供幫助。