基于创新能力培养的“智能仪器”课程教学改革研究

黄梅志

武汉华夏理工学院 湖北武汉 430223

“智能仪器”课程是伴随着智能系统技术发展的一门系统性较强的知识综合型课程,也是我校测控技术与仪器专业重要的专业课程。通过本课程的学习,旨在使学生建立仪器整机系统的概念,掌握智能仪器软硬件相结合的基本工作原理、主要技术和设计方法,培养学生综合运用所学知识与技术进行仪器设计的能力,提高学生灵活性和创新意识。在该课程的传统教学中,大多停留在以讲解教材基础理论为主,采用传统的实验箱教学法来完成验证性的实验,缺乏对学生创新思维和创新能力的培养[1]。针对以上情况,通过在理论教学中采用项目驱动教学法,让学生边学边练,在“做中学”。在实验教学中,通过增加学生自主设计和动手环节,提升学生学习该课程的兴趣和动力,培养学生的创新思维和创新能力。

一、目前教学中创新能力培养存在的问题

(一)教学知识点多且分散,缺乏连贯性案例

一方面,“智能仪器”课程教学内容多,课时少,不利于学生对知识点的熟练掌握。我校的“智能仪器”课程为32学时,其中实践环节为6学时,课时量非常的有限[2]。理论教学通常侧重于各种传统检测技术、典型数据处理方法、可靠性与抗干扰技术、通信技术等智能仪器软硬件相结合的基本工作原理和设计方法的基础理论讲解,知识点多且分散。如果将教材中所有的知识点都进行讲解,可能教学时间不够;如果只选取部分内容来讲解,可能会影响到学生对知识的理解。这两种情况都将导致学生在有限的时间内很难熟练掌握预定的教学内容,不利于实现创新型人才培养的教育目标。

另一方面,教材提供的教学案例相互独立,缺少关联性和衔接性。在传统教学中,通常按照教材的知识体系和教材的编排顺序来进行教学。教学案例来源于教材,一般是根据每一章节的知识点来进行设计的。该案例只应用于本章节,与后续章节中的案例没有关联性。这种案例式的教学方式不利于学生建立起智能仪器整机系统的概念。

(二)教学方法单一

在智能仪器的教学过程中,传统的教学方式也相对单一,还是以理论为主,采用“填鸭式”的授课方式[3]。课堂教学以教师为主体,教师通过多媒体课件的形式进行讲解。在这种教学方式下,学生过度依赖课堂讲授,很难接触到具体的应用实践项目,因而难以有应用理论知识解决实际问题的机会,不利于创新思维的培养。

(三)实践教学环节薄弱

“智能仪器”课程是一门实践性、应用性很强的课程,实践教学在整个教学过程中尤其重要。在智能仪器实验教学中,目前大部分高校还采用传统的箱式实验系统。学生按照实验指导书进行接线,调用程序就可以看到实验结果。在设计性实验中,学生以试验箱为依托,通过改写程序来实现相关功能,几乎未进行智能仪表的硬件电路设计。这种被动接受的实践教学模式导致学生缺乏深入思考,无法实现知识点的综合理解和融会贯通,学生的动手实践能力也得不到提高,并且不利于学生创新性、研究性思维的培养。

(四)考核方式不尽合理

本课程的考核方式以期末考试为主、过程考核为辅,其中部分过程考核细则不够明确。我校对本课程的过程考核主要包括出勤率、课堂表现、作业、实验等。在课堂表现环节,通常以回答问题次数作为考核依据,由于教学内容多而学时少,课堂提问次数较少,使得该项考核难以执行。在实验考核环节,考核依据一般都是实验报告,缺少对实验过程如动手能力、团队合作等方面的考核,因此不能对学生的综合实验成绩进行科学、合理的分析。

二、创新能力培养所采取的具体措施

大学生作为建设创新型国家的重要未来力量,其创新意识和创新能力是保持国家核心竞争力的关键,而高校是培养高素质创新型人才的摇篮。因此,加强大学生创新能力的培养是教育改革的核心目标,也是提高人才质量的关键。为培养符合社会需求的创新型人才,针对上述传统教学中存在的各种问题,结合“智能仪器”课程的特点和多年的教学经验,笔者从教学内容、教学方法、实践教学以及考核方式四个方面进行改革和实践。具体措施如下:

(一)教学内容的改革

课程内容是一门课程的主体,是教师想要达到教学目的最主要的过程和内容,所以对于学生掌握课程是至关重要的。

要保证教学效果,首先要精选教学内容。该课程总共只有32学时,理论教学比较紧张。任课教师需要根据教学大纲和测控专业特点,结合学生现有知识结构,对教学内容进行精心提炼和组织。对比较陈旧、实际应用价值不大的内容应进行精简。对学生基础的知识点,如常见模拟量信号的检测方法,用的都是电子技术和传感与检测技术中学过的知识,可以简单介绍,或通过留思考题、雨课堂、微课等方式让学生课后带着问题去自学了解[4]。对学生基础比较薄弱的知识点,如智能仪器的接口技术、典型数据处理功能、数据通信技术应重点进行讲解。

其次,在教学中引入能贯穿整个教学过程的典型案例,以便于学生建立起智能仪器整机系统的概念。教师在挑选案例时,既要考虑案例与创新能力培养目标的契合度,还要考虑案例与教学内容和学生知识水平的匹配性。最好挑选与学生现有知识结构相匹配、系统结构适中、紧密结合课程内容、突出教学目标的典型案例。完成案例的选择后,教师要科学分解案例模块,确定相应的学习要求和讨论主题,使每个子模块与相应章节的教学内容相匹配。

最后,加强预习环节,提高课堂教学效率。教师需要将提前制作的预习课件和微课视频上传到学习通,学生在预习后完成在线预习小测试。通过这种方式,一方面可以引导学生完成对课程内容的了解和熟悉,另一方面,可以通过测试情况了解学生存在的问题,教师可据此来调整授课重点。

(二)理论教学方法的改革

在“智能仪器”课程的理论教学过程中引入项目驱动教学法。该教学方法要求将具体的项目引入教学过程中,在基本的知识讲解后,用项目来贯通和理解相关章节的知识点。在本课程中,项目驱动采用层次教学的方法来实施,将一个大项目分解为多个子项目。项目驱动教学法具体实施过程如图1所示。

图1 项目驱动教学法实施过程

在制订教学计划时,教师先要在学习总体目标的框架上,结合课程特点及科研经验完成项目的设计。这些项目可以是经典案例、竞赛题目,也可以是企业的实际项目。同时,根据教学进度对项目进行编排,安排各阶段的子项目及相关设计任务。当教师进行课程基本知识的讲授后,结合学生前期学习成效、兴趣爱好,指导学生进行智能仪器研究项目的考察和调研,每组确定一个不同选题,例如环境温湿度智能检测、超市智能称重、超声波测距、酒精浓度智能检测、电机转速、红外计数等智能检测仪表的设计。在此阶段,可采用教师提供指定题目和学生自主拟题相结合的方式来实施,鼓励学有余力的学生对研究内容进行拓展,进行创新性设计。随着课程的进行以及知识学习的深入,需要学生结合选题,将所学专业知识应用到具体研究当中。例如,在完成智能仪器输入通道的学习后,学生应完成的子项目设计任务包括控制芯片和传感器选型、信号放大电路和A/D转换电路的设计。随着教学进程的推进,学生还要依次完成输出通道、人机交互接口电路等相关子项目的设计,最后通过多个子项目组合成一个大项目,从而完成整个项目的设计。

在项目完成过程中,为及早发现学生在设计中存在的问题,避免设计偏离研究目标,教师需要进行阶段性的检查,以此来及时纠正问题。教师可在每个阶段性设计完成的结束节点,要求学生利用仿真、PPT、实物展示等方式展示设计成果[5],阐述设计思路及有关理论。在学生展示后,教师要进行点评与总结,对学生探究过程的评价要以正面鼓励为主,对积极参与合作探究的学生给予表扬,对能创造性完成任务的学生予以鼓励,对探究中暴露出的错误观点要及时纠正。在项目推进过程中,当遇到困难时,教师要提供帮助,和学生共同参与,相互合作,并随着专业课程的学习,逐步推进和完善设计方案,保证设计的顺利开展。

通过项目式教学,将理论知识转化为实际应用,实现知识学习和项目推进的同步进行。在学习过程中,学生会感受到新知识的价值,以及问题成功解决的喜悦和成就感。这将使学生能够由被动学习转化为主动学习,更加注重研究和创新,从而积极投入课程学习当中,激发创新思维,提升创新能力。

(三)实践教学的改革

实践教学的改革包括实验教学内容改革和实验教学方法的改革。

(1)针对实验教学过度依赖试验箱,验证性实验过多,缺乏设计性和综合性实验的问题,笔者对每个实验项目进行了二次开发。在原有验证性实验项目的基础上,依据教学目标和学生的知识水平,以学生创新能力培养为导向,引入软件工具Proteus和keilC,增加软件编程和硬件电路的自主设计环节,使每个实验均具有验证性、设计性与综合性。其具体的实验实施过程如图2所示。

图2 实验实施过程

例如,在智能仪器输入通道实验中,学生先利用试验箱完成单通道数据的采集和显示,然后用Proteus完成多通道数据采集电路的设计,利用keilC编写控制程序,实现多路信号的采集和显示。在此过程中,学生自行选择采集对象和相应的传感器,根据传感器的输出信号设计信号处理电路。在此设计基础上,后续可依次完成输出通道、人机接口实验中硬件电路的设计和软件编程。通过对原有实验的改进,使每个实验由浅到深、由验证到设计,循序渐进式地进行,这样充分调动了学生的积极性和主动性,有利于培养学生的创新思维和创新能力[6]。

(2)在实验教学中,引入启发式、提问式、讨论式等多种教学方法。以智能仪器人机接口实验为例,可以以实验室常见的示波器引导学生理解人机交互对智能仪表的意义和重要性。在人机接口设计环节,教师可以给出部分方案或模板,通过提问和分组讨论来改进和完善设计方案。在这个过程中,学生可以从中找到创新思路,完成接下来的设计任务。

(四)考核方式的改革

在考核方式上,提升过程性考核比例,设计多元化的过程考核评定形式,细致量化考核标准,做好考核环节的把控。

首先,将项目完成情况纳入课堂表现的考核指标当中。为避免评价的片面性,增加评价的真实性,考核方式可采用教师点评、组内自评及组间互评三者相结合的方式来进行考核。在整个项目驱动教学环节中,通过制定系统完整的考评手段,让全部学生参与到题目研究与考核中。例如,在任务分配阶段,严格要求每个学生承担一定的研究任务,避免部分学生参与过少或没有真正参与到项目研究当中。在项目推进过程中,要求团队所有成员依据不同的分工,分别进行不同部分的答辩。这样既有分工又有合作,同时还会激励各组之间相互竞争。在每次成果展示及汇报时,要求每个同学都要提出意见,并纳入考核范围,最终激励并推动学生变被动学习为主动学习。

其次,在实验考核中,考核标准由原来的实验结果评价转变为向实验过程评价,实验报告不再是考核的唯一依据。在改革后的实验考核体系中,成绩评价由实验预习、实验操作、数据处理、结果分析、实验报告等几部分构成,每项占一定比例。通过对每个环节的考核,可以对学生的整个实验过程进行科学、合理的分析。通过加强对实验过程的考核和对学生学习的引导,既可激发学生的学习兴趣,又可有效提升其综合能力;同时教师也能够根据学生的考核结果充分了解学生在本次实验教学中相关知识的掌握程度。

三、教学成效与存在问题

在我校2018级和2019级测控专业两个年级的教学实践中,通过在理论教学中引入项目驱动教学法,对实验教学项目进行改进,激发了学生的学习兴趣,让学生体会到了本门课的实际应用价值。通过设计多元化考核形式,量化考核指标,使学生更加积极参与到课堂讨论和实践项目当中,提升了对学生创新思维和创新能力的培养。

项目研究成果在应用于教学实践的过程中,虽然取得了比较好的教学效果,但尚有不足之处。例如:目前实验项目是原有实验的二次开发,实验内容可扩展性较小,后期可通过引用新技术、新研究内容来强化实验项目;在考核形式上,可以在平时的课程作业中适量加入难度适宜的项目案例,丰富考核形式的同时更有利于学生知识的掌握和运用。

结语

“智能仪器”是测控专业的核心专业课,如何在有限的学时内让学生在掌握理论知识的同时,创新实践能力得到提升一直是困扰任课教师的难题。笔者在分析传统教学不足的基础上,从教学内容、教学方法、实践教学、考核标准四个方面进行了探究,希望能够为“智能仪器”课程教学改革提供帮助。