基于雙重PBL的課程實驗教學改革研究

［摘 要］ “測控系統原理及應用”課程是智能測控工程專業本科生的一門專業必修課，該課程作為新興的智能測控工程專業中的重要組成部分，學習效果對學生后續的專業學習起到至關重要的作用，其中實驗教學部分是該課程的重要教學部分。針對學生課業繁重、課時量少、知識點更新快、課外學時有限、實驗室有限等現實問題，以問題驅動和項目學習組合的方法為基礎，設計合理的實驗內容，通過對實驗教學改革的深入研究，使得學生可以更好地全面掌握和理解知識，提升學生綜合素質，探索符合人才培養要求的教學改革模式。

［關鍵詞］ “測控系統原理及應用”；雙重PBL；實驗教學改革

［基金項目］ 2022年度黑龍江省教育廳黑龍江高等教育教學改革項目“大規模因材施教理念下輔修專業‘機器學習’課程教學模式創新與實踐”（SJGY20220017）；2022年度哈爾濱工業大學研究生課程思政教改項目“《嵌入式智能計算》課程思政教改”（XYSZ2023005）

［作者簡介］ 鳳 雷（1978—），男，黑龍江哈爾濱人，工學博士，哈爾濱工業大學電子與信息工程學院副教授，主要從事自動測試技術等研究；鄭文斌（1984—），男，黑龍江哈爾濱人，工學博士，哈爾濱工業大學電子與信息工程學院工程師（通信作者），主要從事測控系統、嵌入式應用等研究；付 平（1965—），男，黑龍江哈爾濱人，工學博士，哈爾濱工業大學電子與信息工程學院教授，主要從事自動測試技術等研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0045-04 ［收稿日期］ 2023-05-23

引言

教育部發布《關于全面提高高等教育質量的若干意見》，旨在加強高等學校實驗教學，提高實驗教學質量，推動實驗教學與科研創新的融合。而在智能測控工程專業中，“測控系統原理及應用”課程是核心專業課，其重要意義不言而喻，本文將以該課程為例，探討教學改革在實踐課程中的應用，并闡述其背景、意義以及具體的目標和方法。

測控系統相關內容是現代技術領域中的重要組成部分，是現代工業生產、科學研究、信息處理和控制管理等領域中必不可少的重要工具，涉及工業、軍事、航空航天等眾多領域。在大學教育中，“測控系統原理及應用”課程是培養測控技術專業學生的重要課程之一，涵蓋傳感器、信號處理、數據采集、控制算法等多個方面的知識。隨著社會的不斷發展和技術的不斷更新，教育領域不斷發展與變革，使得教學改革成為培養高素質人才的關鍵所在。為了更好地滿足現代社會對高素質人才的需求，在科技快速進步的時代，教學改革旨在提供更具實踐性和創新性的教育模式，以適應學生的需求和社會的發展。現代社會對人才的需求日益多樣化和復雜化，傳統的教學模式已經無法滿足學生全面發展的要求。傳統的課堂教學往往偏重于理論知識的傳授，缺乏與實際應用的緊密結合。這導致學生在實踐操作和創新思維方面的能力相對薄弱。

為了提高實驗教學的質量，為國家培養合格的高等教育人才以及復合型的卓越的工程師，本文提出了基于項目學習（Problem-Based Learning， PBL）的實驗教學改革思路，以“測控系統原理及應用”課程改革為例，展示改革思路和改革及應用效果，給相關的實驗教學教師在后續課程改革及內容設置上提供新的思路。

一、課程實驗現狀及問題分析

“測控系統原理及應用”課程作為測控系統領域的核心課程，旨在培養學生的測控系統設計和實踐能力，以滿足社會對測控領域人才的需求。在專業必修課程的建設過程中，“測控系統原理及應用”在課程體系中起到了重要的作用。在教學模式方面，本課程屬于理論與實際結合的課程，采用理論與實驗相結合的教學模式，但即便如此，在課程教學實施過程中仍存在一些問題，尤其是其中的實驗課程，更需要得到廣泛的重視和重新建設。傳統課程實驗的教學模式存在以下問題。

1.傳統實驗教學內容往往比較陳舊，更新較慢，導致學生興趣度低，獲取的實踐知識和能力非常有限，這使得學生在應用所學知識解決實際問題時面臨一定困難。

2.缺乏與工程實踐的緊密結合。學生對測控系統的實際應用場景和工程實踐經驗了解有限，雖然操作的是實驗內容，但仍然屬于紙上談兵，脫離了實驗場景又不具備其拓展性和思考方式。簡單舉例，學電的學生對于電工相關基礎知識竟然無法融會貫通，在學生心目中這是兩回事兒，說明這是高等教育的缺失，更是高等教育中實踐教學的缺失。

3.學生不會問問題。學生除了被動地接受知識以外，對于問題的敏感性較差，無法提出有效的問題，不知道自己哪里不理解，不清楚如何對目前實驗存在的問題進行總結與分析，并且最終提出有效的解決措施，而這也恰恰是教學改革的目的，希望學生可以提高相應的能力。

4.需要進一步培養學生的創新能力和團隊合作意識，以適應復雜的工程項目需求，而這些都應該是在本科階段進一步強化的能力，而不是要等到研究生階段再去培養。

教學改革的目標是通過將實驗教學內容與測控系統領域深度融合，培養學生的實際動手能力、實驗設計能力和問題解決能力，以及創新思維和團隊合作能力。因此，教學改革的背景和意義在于提供一種更具實踐性和應用性的教育模式，促使學生能夠在真實的環境中學習和應用知識，培養解決問題和創新的能力。特別是在測控系統領域，通過教學改革，可以有效提高學生的實際動手能力、實驗設計能力以及解決實際工程問題的能力。

二、雙重PBL的教學模式的提出

PBL是一種以問題為導向的學習方法，旨在培養學生的主動學習、批判性思維和解決問題的能力。學生以小組為單位，每個小組負責研究和解決一個具體的問題或情境。這種學習方法強調學生在面臨問題時的自主學習和合作學習，旨在提高學生的學科知識應用能力和解決實際問題的能力［1］。

PBL強調學生通過實際項目的設計、實施和呈現來進行學習。學生根據項目的要求，進行調研、分析、解決問題，并產出實際成果，如報告、展示或產品。這種學習方法促進了學生的主動參與、合作和實踐，培養他們的批判性思維、解決問題的能力和團隊合作精神［2-3］。

在這兩種PBL中，一個針對問題通常是開放性的，需要學生運用已有知識進行自主學習和信息搜索，并通過討論和合作來解決問題。學生在解決問題的過程中，需要運用多學科知識，收集和分析信息，提出解決方案并進行評估。這種綜合性的學習過程有助于學生將理論知識與實踐應用相結合，培養他們的綜合能力和創新能力。另一個針對項目驅動，學生根據項目的要求，形成小組并共同制定項目目標和計劃。他們需要調查研究，收集和分析相關信息，并與團隊成員合作解決問題。學生需要運用所學的知識和技能，提出創新的解決方案，并實際實施項目。整個過程中，學生主動學習，教師充當指導者和資源提供者的角色。

相較于傳統的教學方法，第一種PBL注重學生的主動學習和問題解決過程。學生在PBL中扮演著更加積極的角色，他們需要自主學習和思考，參與問題的探究和解決。這種學習方式強調學生的參與度和自主性，培養了他們的批判性思維、創新思維、溝通能力和團隊合作能力。第二種PBL以項目為驅動，與學生的實際生活和興趣相關，能夠激發學生的學習興趣和動機，同時鼓勵學生在項目中運用多學科知識和技能，培養學科整合和綜合應用的能力，而且兩種PBL相結合鼓勵學生提出問題、分析信息、評估解決方案，培養批判性思維和問題解決能力。最后適合培養團隊合作能力，學生在項目中共同努力，合作解決問題，培養團隊合作和溝通能力。

兩種PBL被廣泛應用于教育領域，如果考慮將兩種相結合形成雙重PBL（Dual PBL，DPBL），特別適用于培養學生的批判性思維、問題解決能力和團隊合作精神。它不僅提高了學生的學科知識水平，還培養了學生的自主學習和終身學習的能力，使他們具備面對未知挑戰和復雜問題的能力。

總而言之，DPBL是一種通過讓學生在實際問題情境中進行自主學習和合作學習，以項目學習為驅動，培養他們的學科知識應用能力、解決問題能力和團隊合作能力。這種學習方法不僅提升了學生的學習效果，還培養了他們的綜合能力，使他們更好地適應未來的挑戰和需求。

三、基于雙重PBL理念的現代化混合實踐教學方法設計

本文研究了測控系統實驗教學中如何運用DPBL教學方法，以增強學生的實踐能力和創新意識。通過真實的項目驅動背景作為案例核心，以問題引入后對學生推動為導向，學生可以更好地理解測控系統的應用和社會意義，同時也可以提高他們的批判思維和社會責任感。

通過實驗項目的設計和實踐，學生可以更好地理解測控系統的原理和應用，培養學生的實際動手能力、實驗設計能力和問題解決能力，同時也可以提高他們的團隊合作和創新能力。教學改革的方法包括：（1）引入具有挑戰性和實際意義的實驗設計，讓學生在實踐中探索測控系統的原理、算法和技術，培養他們的實際操作能力。（2）強調學生的主動參與和團隊合作，鼓勵學生在實驗設計和問題解決中發揮主動性，通過小組合作解決實際工程問題，培養團隊合作意識和溝通能力。（3）結合工程實踐和案例分析，通過引入真實的工程案例、實際應用場景和具體的問題，使學生能夠將所學知識與實際工程問題相結合，帶著問題去解決實際項目中的實際困難，增強他們對測控系統的理解和應用能力。（4）關注學生的創新能力培養。鼓勵學生在實驗設計和項目實施過程中提出新穎的想法和解決方案，培養他們的創新思維和創造力。

在設計中需要注意以下幾點：（1）設計問題驅動的項目。項目應當與學生的興趣和課程內容相關，具有挑戰性和實踐性，結合實際科研項目。問題應該引發學生的思考和探索欲望，激發他們的學習動機。（2）學生角色。確保學生在項目中扮演主導角色，負責制定項目目標、設計解決方案、分工合作、實施項目并展示成果。（3）跨學科整合。鼓勵學生在項目中運用多個學科的知識和技能。（4）學生合作。學生以小組形式合作完成項目，培養團隊合作和溝通能力。（5）教師角色。教師扮演導師和指導者的角色，提供持續的反饋和指導。（6）提供支持和資源。確保學生能夠獲得所需的設備、材料和技術支持。（7）反思和總結。鼓勵學生在項目結束后進行反思和總結，評估他們的學習成果和經驗。

四、以“基于PXI總線自動測試系統設計”實驗為例進行基于雙重PBL的試驗改革闡述

基于雙重PBL的試驗改革是一種將項目學習和問題導向的教學模式相結合的方法。

以“基于PXI總線自動測試系統設計”實驗為例，我們可以詳細闡述這種雙重PBL的教學模式的應用和效果。

在這個實驗中，學生將被分成多個小組，每個小組構建合適的組織架構，有組長、組員，由組長和組員分工協作，每人負責不同的部分，最終完成設計和構建一個基于PXI總線的自動測試系統的任務。通過項目學習的方式，學生將有機會運用所學的專業課程知識和相關的技能解決實際問題，并培養解決問題和團隊合作的能力。

首先，通過項目學習的階段，學生將在教師指導下設定項目目標、制訂項目計劃，并進行相關背景知識的學習，完成應用于工業現場即新能源汽車動力電池的測試系統這一實際任務，項目要求學生采用PXI總線設計測試系統。學生將運用所學的測控系統知識、電子技術知識和信號處理技術，設計并搭建自動測試系統的硬件部分。同時，他們還需要編寫相應的軟件代碼，實現測試系統的自動化控制和數據分析功能。

在問題導向的教學模式中，學生將面臨一系列與實驗相關的問題，例如如何選擇合適的測試儀器、如何優化測試算法、如何處理測試數據等。這些問題將激發學生的思考和探索欲望，并促使他們深入理解和運用所學的知識。學生將通過研究和討論來解決這些問題，發展批判性思維和創新能力。

在項目實驗過程中，教師扮演導師和指導者的角色，在項目學習中設定合適的問題，引導學生尋找解決方案，并對學生的進展和成果進行評估和反饋。

通過雙重PBL的教學模式，學生在這個實驗中不僅能夠學習到與PXI總線自動測試系統相關的理論知識和技術應用，還能夠培養解決問題、團隊合作和創新能力。

綜上所述，基于雙重PBL的試驗改革將項目學習和問題導向的教學模式有機地融合在一起，通過實踐中的項目學習和問題導向的學習，學生能夠獲得更深入的學習體驗和綜合能力的提升。

結語

綜上所述，教學改革在“測控系統原理及應用”課程中的應用具有重要的意義。通過將實踐教學與測控系統領域結合，培養學生的實際動手能力、實驗設計能力和創新思維，教學改革為培養適應社會需求的高素質測控人才奠定了堅實基礎。在實踐課程中實施教學改革的經驗和成果也可以為其他領域的教育改革提供有益的借鑒。

參考文獻

［1］桑曉光，王錦霞，孟皓，等.“碳達峰碳中和”中的無機化學問題探究：PBL教學實踐［J］.大學化學，2023，38（3）：75-79.

［2］劉玙佳.基于PBL教學法的產品設計課程實踐教學研究：以材料與生產工藝課程為例［J］.現代教育論壇，2022，5（2）：48-50.

［3］劉慧玲，譚定英，陳平平.“PBL+BOPPPS”教學模式在醫院信息系統課程教學中的應用［J］.西部素質教育，2023，9（1）：150-153.