黃彩虹 梅小華 周麗春

摘要：文章針對當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)時代的高速發(fā)展，對我校自動化專業(yè)傳統(tǒng)課程儀器儀表課程設(shè)計在教學(xué)中存在的一些問題進(jìn)行改革實踐。以新工科主要理念為指導(dǎo)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入教學(xué)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式等方面進(jìn)行了課程改革的研究與實踐，最后給出了教學(xué)改革的成果。實踐結(jié)果表明，該課程改革效果顯著，使學(xué)生未來可以更好地適應(yīng)企業(yè)的需求。

關(guān)鍵詞：新工科;儀器儀表;物聯(lián)網(wǎng);教學(xué)改革;

中圖分類號：TP23;G484? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）15-0116-03

引言

儀器儀表課程設(shè)計是高校自動化、電氣、測控及相關(guān)專業(yè)的一門重要課程，它集技術(shù)性、工程性和實踐性于一體，是一門涉及檢測技術(shù)、單片機(jī)原理、電子技術(shù)、自動控制、計算機(jī)通信等多門學(xué)科的現(xiàn)代綜合課程[1]。通過儀器儀表課程設(shè)計的實踐，學(xué)生可以了解電子及微機(jī)工程項目的開發(fā)過程，還可以掌握智能儀器儀表系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試方法，并具有運用基礎(chǔ)知識解決問題的能力和素質(zhì)。

2017年2月教育部發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，吹響了新時代本科教育改革發(fā)展的進(jìn)軍號[2]。該通知明確指出，新工科項目的開展與實施應(yīng)當(dāng)圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系進(jìn)行，而不是簡單地圍繞傳統(tǒng)工科教育專業(yè)融合或?qū)I(yè)調(diào)整[3]。

與此同時，隨著互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的發(fā)展，將設(shè)備融入互聯(lián)網(wǎng)成為互聯(lián)網(wǎng)的另一擴(kuò)展方向——物聯(lián)網(wǎng)。最初的物聯(lián)網(wǎng)的概念是由美國提出來的，把所有的物品通過物聯(lián)網(wǎng)域名相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤等等的一種網(wǎng)絡(luò)概念。物聯(lián)網(wǎng)的官方定義是：是基于互聯(lián)網(wǎng)之上，使不可交流的物體與物體之間進(jìn)行交流，而產(chǎn)生的過程，稱之為物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）[4]。在過去的十年中，我們見證了各種設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，各種傳感器，溫度計，交通、流速傳感器以及數(shù)據(jù)傳輸。

借助新工科建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的契機(jī)，我校結(jié)合近幾年在儀器儀表課程設(shè)計指導(dǎo)過程中遇到的一些問題，并結(jié)合智能儀器儀表技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的特點[5，6]，對該課程進(jìn)行了改革實踐。從教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法，教學(xué)模式三方面實施了該課程的教學(xué)改革，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新性的工程實踐能力、探索學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造潛能，以適應(yīng)新工科發(fā)展的需求。

一、現(xiàn)有模式存在的問題

傳統(tǒng)的儀器儀表課程設(shè)計，通常是利用8位單片機(jī)為核心，結(jié)合檢測及電子設(shè)計、通信技術(shù)實現(xiàn)一種智能儀表的構(gòu)建。在多年的教學(xué)實踐中，我們發(fā)現(xiàn)該課程設(shè)計存在著多方面的不足。

（一）教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新性不足

教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性不強。雖然每年進(jìn)行課題的更換，但課題仍以一些傳統(tǒng)的工程設(shè)計為主，課題的內(nèi)容較多的屬于教材內(nèi)容的驗證，內(nèi)容陳舊，學(xué)生感覺不到學(xué)習(xí)的動力，容易缺乏主觀能動性，不愿意動腦筋思考，更談不上創(chuàng)新性思維。在教學(xué)內(nèi)容上，以知識學(xué)習(xí)為主，學(xué)生好不容易完成了一個系統(tǒng)，卻不知道所完成系統(tǒng)有何用處。特別是對畢業(yè)之后的工作有沒有指導(dǎo)意義并不了解。

（二）教學(xué)方式以教師為主導(dǎo)

在教學(xué)方式上，以教師為主導(dǎo)，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)積極性不高。遇到一些如軟件安裝，軟件開發(fā)的基礎(chǔ)問題，學(xué)生會覺得不好意思請教老師，而最終影響設(shè)計進(jìn)度。

（三）時間緊，任務(wù)重

儀器儀表課程設(shè)計課時為兩周。要求學(xué)生針對溫度、水位或壓力等檢測系統(tǒng)設(shè)計一個儀表，具體的工作任務(wù)包括繪制電路原理圖、搭建硬件電路，軟件設(shè)計和開發(fā)，系統(tǒng)調(diào)試和優(yōu)化。無論是硬件還是軟件部分、都需要消耗較多的時間，對于大部分學(xué)生來說時間緊張，任務(wù)繁重。對系統(tǒng)的理解和消化非常有限。

（四）抄襲現(xiàn)象時有發(fā)生

由于兩周的課程設(shè)計時間非常緊張，而且一般都安排在大四開課，學(xué)生準(zhǔn)備考研的學(xué)期，同期可能還有其他課程設(shè)計也在開展。在如此緊張的氣氛下，一旦開發(fā)過程出現(xiàn)調(diào)試失敗，學(xué)生很容易抄襲同學(xué)的作業(yè)，把幾個好學(xué)生的設(shè)計依葫蘆畫瓢。我們也曾經(jīng)采取非常嚴(yán)厲的懲罰措施來遏制抄襲，如一旦發(fā)現(xiàn)抄襲，抄襲者和被抄襲者成績都為不合格。雖然在短期內(nèi)取得了一些效果，但也很難完全客觀判斷。同時，從長期來看，懲罰總不是長久之計，也不是我們的初衷。應(yīng)該從癥結(jié)入手，尋找真正的解決方法。

二、改革的措施

（一）教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

傳統(tǒng)的儀器儀表課程設(shè)計是基于8位的微處理器（MCU）設(shè)計一套具有實時檢測功能的儀器儀表系統(tǒng)。隨著計算機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，社會對工業(yè)現(xiàn)場儀器儀表的功能要求也發(fā)生了很大的變化，儀器儀表具有物聯(lián)網(wǎng)功能已經(jīng)是一種必然的發(fā)展趨勢。我們將物聯(lián)網(wǎng)[7]概念引入《儀器儀表課程設(shè)計》，在課程設(shè)計中，學(xué)生通過自己的實踐，可以在物聯(lián)網(wǎng)云平臺或者手機(jī)App端、微信端，查看自己制作的儀表上的數(shù)據(jù)。即提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提升了課程設(shè)計的理論和實踐的廣度和深度，使課程更符合新工科發(fā)展的要求。

教學(xué)內(nèi)容上的改革示意圖見圖1。改革后，我們對設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行了豐富，增加了自由創(chuàng)作的空間，學(xué)生可以自主選擇在物聯(lián)網(wǎng)云平臺或者手機(jī)的App端、微信端進(jìn)行自己充滿創(chuàng)意性的設(shè)計。用帶有WIFI功能的微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的功能較單一的8位微處理器芯片，可以實現(xiàn)硬件的簡化和功能的升級。ESP82266是ESPRESSIF（樂鑫）推出的一款低功耗、高集成度的Wi-Fi芯片[8]，內(nèi)置32位微型控制器（MCU）、8Mbit Flash存儲器。同時，樂鑫官方網(wǎng)站提供了基本的樣例程序，可以保證基本程序的框架。學(xué)生只需要在固有的程序框架上，增加自己的設(shè)計內(nèi)容，結(jié)合我們教學(xué)方法和教學(xué)模式上的創(chuàng)新，學(xué)生完成課程設(shè)計的難度下降，但創(chuàng)造性、創(chuàng)新性的能力將得到加強。

（二）教學(xué)方法創(chuàng)新

課程設(shè)計時間安排大致在兩周，在這樣短的時間內(nèi)，如果還要消耗時間進(jìn)行新的軟件開發(fā)平臺的學(xué)習(xí)，調(diào)試中常見問題的摸索，將大大增加難度，而這其實是可以避免的。傳統(tǒng)的教學(xué)方式，是教師前期統(tǒng)一進(jìn)行教授式的授課，中間進(jìn)行階段性的授課。然而，由于學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性差別較大、有些學(xué)生基礎(chǔ)差，進(jìn)度不能和教師一致，學(xué)生在自主實施設(shè)計過程中，還是容易出現(xiàn)各種問題。同時，根據(jù)人的記憶習(xí)慣，一次的講授或者實踐演示，是很難讓學(xué)生掌握全部知識。

微課的定義是以視頻為主要手段，展示教師講解某個知識點或精練濃縮的教學(xué)過程[9]。本次教學(xué)改革，教師采用了錄屏編輯軟件，對課程設(shè)計軟件開發(fā)過程中編譯環(huán)境的搭建，示例工程的導(dǎo)入和解析、云端的開發(fā)步驟等內(nèi)容進(jìn)行錄制然后分享給學(xué)生。學(xué)生在課程設(shè)計過程中，可以按照視頻指導(dǎo)邊學(xué)邊做。視頻資源作為一種可以有效呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)媒體形式，將有助于學(xué)生在長達(dá)兩周的課程設(shè)計過程根據(jù)自己的進(jìn)度循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)。

另外，根據(jù)大學(xué)生心理的特點，總存在一些同學(xué)不敢當(dāng)面向老師反映或咨詢問題，借助網(wǎng)絡(luò)的形式，我們創(chuàng)建課程設(shè)計討論群，大家在一個匿名的群里，針對實驗現(xiàn)象進(jìn)行討論，學(xué)生就能大膽地說出遇到的問題，而不會因為遇到問題不能解決而輕易放棄。課程設(shè)計改革后的教學(xué)方法、教學(xué)過程如圖2所示。

（三）教學(xué)模式創(chuàng)新

傳統(tǒng)的教學(xué)方式，以教師為主導(dǎo)，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)積極性不高，遇到問題有時羞于請教，或者直接定義課題難度過高，自己無法完成。

我們將這種傳統(tǒng)的教師單獨傳授的教學(xué)模式，改變成分階段的教學(xué)模式。第一階段，教師師指導(dǎo)班上實踐能力較強的同學(xué)先完成設(shè)計。第二階段，由事先完成課程設(shè)計的同學(xué)，當(dāng)小老師，上臺授課，并全程當(dāng)剩余學(xué)生課設(shè)的導(dǎo)師，而教師成了輔助導(dǎo)師。這樣的教學(xué)模式，事先完成課設(shè)的同學(xué)對系統(tǒng)的開發(fā)有了很好的掌握，同時他們的作品讓其他同學(xué)產(chǎn)生了興趣也增加了獨立完成的自信心。由學(xué)生當(dāng)小老師，上臺授課，傳授經(jīng)驗，也大大提高了同學(xué)們對課題的興趣及想要創(chuàng)新的動力。

三、改革成效

針對傳統(tǒng)儀器儀表課程設(shè)計存在的問題，筆者在教學(xué)內(nèi)容、方法、模式上進(jìn)行了教學(xué)改革的探索。通過教學(xué)實踐，取得了一定的效果。如圖4所示，（a）圖為學(xué)生在根據(jù)教師的微視頻進(jìn)行課程設(shè)計相關(guān)程序燒錄的操作。圖4（b）、（c）、（d）則是學(xué)生通過課程設(shè)計，設(shè)計出帶時間顯示的溫濕度采集系統(tǒng)，并自行設(shè)計出微信小程序、App小程序可以遠(yuǎn)程監(jiān)視課程設(shè)計數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了課程設(shè)計所開發(fā)儀器物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建。

結(jié)語

實踐性教學(xué)，是高等院校教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。儀器儀表課程設(shè)計課程創(chuàng)新性改革，較大程度地改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式所存在的問題，教學(xué)更貼近于實際社會需求。通過已畢業(yè)學(xué)生評估反饋的結(jié)果，本專業(yè)對于該課程設(shè)計的改革，使得學(xué)生在畢業(yè)面試和就業(yè)過程中對專業(yè)知識的理解有所提升，并在工作崗位中有一定的幫助。

隨著新工科建設(shè)和工程教育認(rèn)證工作的推進(jìn)，隨著對“解決復(fù)雜工程問題能力”的理解的深入，課程團(tuán)隊將繼續(xù)改革儀器儀表課程設(shè)計，將教學(xué)反饋與預(yù)定教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行對照，使課程教學(xué)始終處于持續(xù)改進(jìn)的狀態(tài)。

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