曹義　張琳　劉億文　張偉

摘 要： 在智能儀器設(shè)計課程中引入國際先進的CDIO教學(xué)理念和方法，通過構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行，讓學(xué)生在工程實踐中學(xué)習(xí)知識，并將所學(xué)知識運用到工程項目中，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力、團隊協(xié)作能力等。通過教學(xué)方式的改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，從而取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： CDIO教學(xué)理念 智能儀器 教學(xué)設(shè)計

一、引言

智能儀器是傳統(tǒng)儀器儀表與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它具有傳統(tǒng)檢測儀表的基本功能，并且具有對數(shù)據(jù)的加工能力，如存儲、運算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。生活中常見到的檢測儀表都屬于智能儀器的范疇，它們都是以微處理器為核心的。這門課程知識容量大，實踐性強。通過智能儀器課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握智能儀器設(shè)計的一般方法，掌握智儀器設(shè)計的總體設(shè)計方法，并掌握智能儀器中所包含的基本單元的設(shè)計。如何在有限學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生掌握本門課程知識，對教師是一種挑戰(zhàn)。由于課程實踐性強，可以將工程實例引入到教學(xué)過程中，采用國際先進的CDIO教學(xué)理念，通過智能儀器的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行，使學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)相關(guān)知識，提高學(xué)習(xí)興趣，掌握智能儀器的設(shè)計方法。

二、項目構(gòu)思

智能儀器課程涉及的知識點繁多，包括數(shù)據(jù)采集、人機對話、數(shù)據(jù)通信、基本數(shù)據(jù)處理方法、軟件設(shè)計、可靠性和抗干擾、可測性設(shè)計等知識點，這些必備知識構(gòu)成了智能儀器設(shè)計必備的知識基礎(chǔ)。采用CDIO教學(xué)模式，需要有一個好的構(gòu)思，通過一個設(shè)計實例，能夠盡可能地包含知識點，讓學(xué)生在實踐中充分理解知識點的重要性，并能夠在實踐中應(yīng)用這些知識解決實際問題。

課程以《水溫智能控制器的設(shè)計》為實例，構(gòu)思一個水溫控制項目，開始智能儀器課程的教學(xué)。水溫控制在生活中很常見，如電熱水器的水溫控制，燃?xì)鉄崴鞯乃疁乜刂?。在實驗室中?jīng)常用到水溫的控制，如化學(xué)實驗中的恒溫水浴等。水溫的相對控制精度在±1℃以內(nèi)。因為要對水溫進行控制，顯然這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要對水溫進行檢測、設(shè)定、顯示等，并收集溫度數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)將以微處理器為核心，完成水溫的控制，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

三、項目設(shè)計

項目構(gòu)思完成以后需要對具體的項目進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，將教材中的知識點融入到設(shè)計中。水溫智能控制器的總體設(shè)計，包括電源設(shè)計、溫度采集設(shè)計、加熱器驅(qū)動設(shè)計、鍵盤設(shè)計、顯示設(shè)計。

系統(tǒng)采用市電進行供電，加熱器需要交流220V，控制器部分需要直流24V、12V、5V及4.096V電壓。需要對電源管理部分進行設(shè)計，將電源部分設(shè)計知識融入到設(shè)計中。溫度采集部分選用PT100溫度傳感器，設(shè)計數(shù)據(jù)采集電路，將數(shù)據(jù)采集、基本數(shù)據(jù)處理方法等相關(guān)知識融入到設(shè)計中。加熱器驅(qū)動部分選用固態(tài)繼電器，將可靠性和抗干擾設(shè)計融入到設(shè)計中。系統(tǒng)需要對實際溫度、設(shè)定溫度等信息進行顯示，需要設(shè)計顯示部分，顯示部分采用液晶進行顯示，還需要對溫度進行設(shè)定，進行鍵盤設(shè)計，將人機交互的相關(guān)知識融入到設(shè)計中。在構(gòu)思中，收集溫度信息，需要設(shè)計通信部分，并將數(shù)據(jù)通信知識融入到設(shè)計中。

課程的進行以設(shè)計為主線，可以更好地教授相關(guān)知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，有利于課程的教學(xué)組織。

四、項目實現(xiàn)

在項目構(gòu)思和設(shè)計完成以后是項目實現(xiàn)。在這個環(huán)節(jié)中，采用分組的方式進行，將30名學(xué)生分為10組，且每組選出一名組長。采用項目任務(wù)模塊化的實現(xiàn)方式。系統(tǒng)硬件分為3個部分實現(xiàn)，分別為電源管理部分、溫度信號采集部分、微處理器最小系統(tǒng)與驅(qū)動部分，分別由小組內(nèi)的3位成員實現(xiàn)。系統(tǒng)的軟件部分分為3個部分：溫度信號采集子程序、鍵盤和顯示子程序、溫度控制算法子程序，分別由小組內(nèi)3位成員完成。最后進行系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，優(yōu)化溫度采集子程序和溫度控制算法子程序，使系統(tǒng)滿足控制精度的要求。

采用項目小組的形式進行課程組織，培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神、交流能力和分享的價值觀。整個班級的10個小組之間形成競爭機制，能更好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

在項目實現(xiàn)過程中，會有很多反復(fù)，需要教師對項目實現(xiàn)進行指導(dǎo)，盡量讓學(xué)生少走彎路，并且準(zhǔn)確理解知識點，學(xué)會在項目中運用知識。

五、系統(tǒng)的運行

系統(tǒng)實現(xiàn)完成后，優(yōu)化系統(tǒng)的各項指標(biāo)，達(dá)到預(yù)想的要求。由于系統(tǒng)是由工程人員設(shè)計的，用戶并不了解應(yīng)該如何使用和有什么注意事項。在系統(tǒng)的運行部分小組成員完成系統(tǒng)使用說明書。系統(tǒng)說明書包括系統(tǒng)各部分的說明、鍵盤如何進行操作、顯示屏上參數(shù)的意義和注意事項等。

最后，對每個小組的作品進行測試，測試的對象相同，檢查溫度控制效果的優(yōu)劣。組織學(xué)生交流，總結(jié)在項目完成中的體會和心得，并梳理相關(guān)知識。

六、結(jié)語

智能儀器設(shè)計課程的進行采用CDIO的教學(xué)理念，引入工程實例，將所要講授的知識點融入項目構(gòu)想和實現(xiàn)中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。組織學(xué)生完成項目，在項目的完成中，掌握智能儀器的整體設(shè)計和其他各部分知識，在項目進行過程中運用所學(xué)知識。筆者在實際教學(xué)中，通過對兩個自然班的教學(xué)，取得了較為理想的效果，共完成作品18份，其中優(yōu)秀作品11份，實現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)。通過課程教學(xué)的改革，在很大程度上強化了教學(xué)效果。