張登攀 朱紅麗

河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 河南焦作 454000

1 研究背景

大學(xué)生培養(yǎng)是一個系統(tǒng)工程，只提高基礎(chǔ)課程教學(xué)水平是不夠的，專業(yè)課教學(xué)和專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)水平低，成為制約大學(xué)生整體培養(yǎng)質(zhì)量提高的短板。從歐美國家的高等教育改革來看，高等教育的主流是強(qiáng)調(diào)“由傳授知識向傳授學(xué)習(xí)知識的方法轉(zhuǎn)變”，注重對學(xué)生自主式學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，按照自主性、開放性、研究性學(xué)習(xí)來設(shè)計課程內(nèi)容和體系已成為世界各國教育改革的突出特征，在教學(xué)中，注重培養(yǎng)學(xué)生獲取知識的能力和創(chuàng)新意識[1,2]。

在我國，教育部于2000年啟動了“新世紀(jì)高等教育教學(xué)改革工程”，之后又實(shí)施了高等教育質(zhì)量工程，并明確將“實(shí)踐教學(xué)與人才培養(yǎng)模式改革創(chuàng)新”作為一個工作重點(diǎn)。在教育部的推動下，我國文科、理科、工科的教學(xué)改革全面展開，資助了一大批教學(xué)改革項(xiàng)目，但與歐美國家相比，國內(nèi)的研究多數(shù)停留在高等教育理論研究階段，與實(shí)際專業(yè)課程結(jié)合并成功應(yīng)用的項(xiàng)目還不多。

測控類專業(yè)培養(yǎng)中的主體課程是測控技術(shù)與儀器、電氣自動化以及機(jī)械工程等，內(nèi)容涉及微型計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、測試技術(shù)、控制技術(shù)等，該類課程比較抽象。傳統(tǒng)教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)對理論知識的掌握，學(xué)生理解深度有限，難以將所學(xué)知識應(yīng)用到工業(yè)實(shí)踐中。筆者結(jié)合目前測控類專業(yè)課堂教學(xué)計劃的特點(diǎn)和教學(xué)過程中存在的問題[3-5]，采用交互式創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法，用實(shí)例、創(chuàng)新設(shè)計以及實(shí)踐操作從工程應(yīng)用的角度強(qiáng)化創(chuàng)新實(shí)踐，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

本教學(xué)方法在測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程教學(xué)中進(jìn)行了初步推廣，實(shí)施效果良好。

2 基于互動和實(shí)踐的課程教學(xué)設(shè)計

2.1 課程特點(diǎn)分析

測控類專業(yè)的專業(yè)課以計算機(jī)控制、電子技術(shù)以及信號處理等相關(guān)內(nèi)容為主，從理論層面看，課程涉及比較深奧的計算機(jī)原理、電子技術(shù)以及信號分析與處理理論，內(nèi)容比較抽象且難懂；從應(yīng)用層面看，則涉及如何把測控技術(shù)理論與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合的問題。課堂教學(xué)的難點(diǎn)在于理論抽象且難以與工業(yè)現(xiàn)場聯(lián)系，學(xué)生課程學(xué)習(xí)的難點(diǎn)在于如何把抽象的課堂理論與動手實(shí)踐和現(xiàn)場工程實(shí)際問題的解決方法統(tǒng)一起來，把深奧的課堂理論知識轉(zhuǎn)變成解決實(shí)際問題的能力。

2.2 課程教學(xué)模式設(shè)計

根據(jù)課堂教學(xué)中加強(qiáng)教與學(xué)互動和學(xué)生主動創(chuàng)新實(shí)踐的教學(xué)指導(dǎo)思想以及教學(xué)計劃和教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)要求，把基于互動和實(shí)踐的教學(xué)理論貫穿于課程教學(xué)的各個階段。提出理論教學(xué)—結(jié)合工程—動手實(shí)踐的循環(huán)式交互課程教學(xué)模式。

用理論及其應(yīng)用啟發(fā)學(xué)生思考，提高學(xué)習(xí)興趣。針對檢測類、故障診斷類及計算機(jī)控制類課程在工程中的應(yīng)用案例進(jìn)行分析，利用所建設(shè)的教學(xué)平臺進(jìn)行實(shí)際研討和操作，進(jìn)一步引出理論分析方法。

教師可通過課堂理論教學(xué)為學(xué)生提供基本知識框架和自主學(xué)習(xí)線索，補(bǔ)充相關(guān)知識點(diǎn)，做到“寬”基礎(chǔ)，彌補(bǔ)學(xué)生基礎(chǔ)知識面的不足，通過開放式問題提高學(xué)生發(fā)散性思維能力。

在課堂教學(xué)中，教師可結(jié)合工程應(yīng)用，展開理論知識分組討論，引導(dǎo)學(xué)生針對實(shí)際問題思考并提出自己的見解和看法，從而提高學(xué)生對知識的把握程度，進(jìn)而啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思考，鞏固和加強(qiáng)理論教學(xué)效果。同時，通過實(shí)踐過程和匯報提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

基于課堂教學(xué)目標(biāo)，教師自主開發(fā)或設(shè)計課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)，如開發(fā)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可以自主登錄進(jìn)行網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)；通過構(gòu)建單片機(jī)資源庫，由學(xué)生自主裝配、測試，然后結(jié)合工程實(shí)際，指導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)踐，提高學(xué)生實(shí)踐和協(xié)作的能力。

該課堂教學(xué)模式讓教師和學(xué)生在專業(yè)課程教學(xué)環(huán)節(jié)置身于實(shí)踐環(huán)境中，一方面可指導(dǎo)學(xué)生針對實(shí)踐環(huán)節(jié)中的項(xiàng)目開發(fā)問題開展技術(shù)資料查閱和設(shè)計方案擬定，并對主要技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分組討論；另一方面同步強(qiáng)化理論知識，組織學(xué)生展示各小組的實(shí)踐成果，對學(xué)生知識掌握程度進(jìn)行綜合評價，優(yōu)秀率在90%以上。

3 教學(xué)實(shí)踐中存在的問題及解決方案

在課堂教學(xué)中，結(jié)合大量應(yīng)用實(shí)例和演示實(shí)例，在理論教學(xué)基礎(chǔ)上以學(xué)生動手實(shí)踐為目標(biāo)的教學(xué)方法是有效的，但不能適用于測控類課程的所有教學(xué)內(nèi)容，必須結(jié)合內(nèi)容的具體情況區(qū)別處理。在該類課程的教學(xué)過程中，采用本文所述的方法也遇到了不少問題，在解決問題的過程中，筆者逐步積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

3.1 理論教學(xué)與教學(xué)輔助系統(tǒng)相結(jié)合

針對抽象的信號處理類教學(xué)內(nèi)容，基礎(chǔ)工程數(shù)學(xué)類課程已經(jīng)完成，單一地進(jìn)行數(shù)學(xué)理論闡釋導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣較低。在教學(xué)過程中，筆者制作教學(xué)實(shí)驗(yàn)材料輔助教學(xué)，把抽象的理論形象化。課堂教學(xué)中開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺、單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、測試和信號處理軟件平臺，可在課堂教學(xué)中開展在線實(shí)驗(yàn)，也可在課后開展學(xué)生分組拓展實(shí)驗(yàn)。

3.2 課堂教學(xué)、教學(xué)討論和動手實(shí)踐內(nèi)容相結(jié)合

本文提出的課程教學(xué)模式通過理論教學(xué)剖析知識點(diǎn)的科學(xué)和數(shù)學(xué)原理，然后輔以分組項(xiàng)目化實(shí)踐討論并輔以考核交流來完成知識點(diǎn)學(xué)習(xí)。筆者在講述微機(jī)控制課程時，將理論分析—電路設(shè)計—程序編寫—展示相結(jié)合，通過討論和學(xué)生動手焊接電路板，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一，然后布置小項(xiàng)目，讓學(xué)生分組協(xié)作完成。

3.3 實(shí)踐課題要與教學(xué)內(nèi)容相適應(yīng)

布置實(shí)踐課題應(yīng)圍繞知識點(diǎn)，盡可能減少知識外延。課外時間通常安排兩部分內(nèi)容：一是課后作業(yè)，二是協(xié)作實(shí)踐課題。課后作業(yè)的完成一般沒有太大的問題，教師應(yīng)進(jìn)行監(jiān)督考核，盡量減少學(xué)生抄襲作業(yè)。實(shí)踐性課題的選擇應(yīng)慎重，要緊密結(jié)合課程進(jìn)度引出課題，課題太小達(dá)不到訓(xùn)練目標(biāo)，太大則無法完成。例如：測控系統(tǒng)設(shè)計課題需要安排在中斷和串口通信等知識點(diǎn)學(xué)習(xí)之后；頻譜分析儀的設(shè)計，需要在離散信號FT變換，DFT和FFT等時域—頻域變換內(nèi)容結(jié)束后安排。適時提出和適當(dāng)開展課題研究，可以提高題目的趣味性和應(yīng)用性，強(qiáng)化學(xué)生對實(shí)踐的熱情和興趣。

3.4 協(xié)作學(xué)習(xí)和自主展示

以小組協(xié)作的方式完成實(shí)踐課題非常重要，它為學(xué)生提供了一個相互交流和自我展示的學(xué)習(xí)環(huán)境，可利用小組之間的競爭和組內(nèi)學(xué)生之間的相互激勵和支持提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和實(shí)踐信心。通常由3～5名學(xué)生組成一個小組，學(xué)生可根據(jù)分工查閱資料和進(jìn)行相關(guān)模塊的開發(fā)。實(shí)踐課題融合了課程內(nèi)容和拓展訓(xùn)練，學(xué)生可結(jié)合教師的推薦自由選擇開發(fā)工具。在研發(fā)過程中，通過分組討論與班級集體討論，各組學(xué)生可有效地了解本組及個人在創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)中的不足，對優(yōu)化設(shè)計方案起到積極的作用。

經(jīng)過實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)思維基本上跳出了抽象的數(shù)學(xué)思維模式，以形象、生動而又有趣的創(chuàng)新實(shí)踐模式取代了傳統(tǒng)的以死記硬背信號分析數(shù)學(xué)公式為特征的強(qiáng)化記憶學(xué)習(xí)模式，避免了平時學(xué)習(xí)一知半解，考前抓緊突擊的學(xué)習(xí)方法。實(shí)現(xiàn)了把學(xué)習(xí)的黃金時間放在平時，即把課堂教學(xué)、交互實(shí)踐和監(jiān)督檢驗(yàn)放在平時，簡化課程結(jié)課考試，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提高，又使得教學(xué)時段得以充分利用，提高了學(xué)生綜合創(chuàng)新實(shí)踐素質(zhì)。

4 教學(xué)改革成果

結(jié)合筆者提出的交互式主動創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法，從網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐平臺、教學(xué)案例分析和學(xué)生成果等角度分析該方法的實(shí)施及效果。

4.1 測試信號分析網(wǎng)絡(luò)平臺

網(wǎng)絡(luò)式實(shí)踐平臺在國內(nèi)外教育教學(xué)模式中并不少見，但是大多以視頻和教學(xué)材料為主，筆者在教學(xué)過程中開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)化在線實(shí)驗(yàn)平臺(如圖1所示)。學(xué)生注冊后，可以下載課程學(xué)習(xí)材料和實(shí)踐指導(dǎo)文件，通過在線實(shí)驗(yàn)板塊對課程重要內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

學(xué)生可通過校園無線網(wǎng)絡(luò)隨時隨地登錄網(wǎng)站，針對課堂所學(xué)理論進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，不僅提高了學(xué)習(xí)興趣，同時也提高了對問題本質(zhì)的理解和掌握。

4.2 交互式信號分析與處理平臺

利用軟件開發(fā)的信號處理平臺，可運(yùn)行在手機(jī)和PC機(jī)等工具上(如圖2所示)。信號處理平臺利用教學(xué)信號處理算法，對典型信號、實(shí)時音頻信號和現(xiàn)場采集的振動等工程信號進(jìn)行分析。在教與學(xué)的過程中，典型信號的分析可以使學(xué)生掌握信號的特點(diǎn)、時頻特性以及處理算法，輔以工程實(shí)際數(shù)據(jù)分析，從而解決從典型信號分析向工程實(shí)際數(shù)據(jù)分析的過渡，通過討論，全面掌握相關(guān)算法。

圖2 利用軟件平臺和手機(jī)移動平臺開發(fā)的教學(xué)輔助系統(tǒng)

4.3 學(xué)生實(shí)踐作品—六足搶險救援機(jī)器人

圖3所示的六足搶險救援機(jī)器人是測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生的作品。采用本文提出的教學(xué)模式，學(xué)生具備一定的單片機(jī)、控制和傳感器技術(shù)等相關(guān)知識運(yùn)用能力后，開發(fā)了本作品，榮獲河南省第九屆挑戰(zhàn)杯二等獎和河南省最具投資價值創(chuàng)意獎。

圖3 六足搶險救災(zāi)機(jī)器人及其獲獎獎杯

5 結(jié)束語

培養(yǎng)高素質(zhì)的科技創(chuàng)新人才是測控技術(shù)與儀器專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)永恒的追求。為提高測控類課程的教學(xué)水平和質(zhì)量，筆者提出了交互式創(chuàng)新實(shí)踐型教學(xué)法，依托于專業(yè)教學(xué)計劃和大綱，融工程項(xiàng)目案例庫與理論教學(xué)于一體，實(shí)現(xiàn)了教、學(xué)、用的有機(jī)統(tǒng)一，提高了學(xué)生綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力。目前，該教學(xué)法已在測控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)中得到推廣，教師和學(xué)生反映良好。

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