智能仪器课程与实践教学改革研究

刘 军， 侯庆明， 饶利民， 方江雄， 杨志超， 杨 凤

(1. 东华理工大学 地球物理与测控技术学院 江西 南昌 330013；2. 东华理工大学 建筑工程学院 江西 南昌 330013)

随着电子技术、微处理器技术、嵌入式系统等技术的发展，现代仪器的设计均朝着高度集成化、智能化方向发展，智能仪器课程也逐渐成为高校仪器类专业的重要专业课程。智能仪器课程以电路分析、电子技术、C语言、单片机原理、嵌入式系统、误差理论等课程为基础，从仪器设计的需求分析、软硬件组成框架、具体实现等出发，最终上升到系统的误差处理、自动校正、补偿和可靠性设计。

智能仪器课程包括理论课程和实践课程，实践课程又包括实验和课程设计部分。该课程综合了仪器设计所需的基础知识，因此要求在具备坚实的电学、微机处理器、嵌入式系统等知识基础的前提下，进一步通过学习现代智能仪器设计思想，最终让学生可针对专业领域内的测控仪器与系统进行合理的分析和设计，为工程实践、创新打下良好的仪器设计基础。因此，在仪器类专业中，智能仪器课程是专业知识的融会贯通、高度凝练，其作用极为重要。但智能仪器课程同时也是一门较难掌握的知识综合性课程，以笔者所在专业为例，其教学面临问题如下：

(1)智能仪器课程中涉及的相关内容、基础知识众多，既要求具备良好的电学知识，又要求具备坚实的嵌入式和程序设计基础。

(2)大规模集成芯片知识章节作为课程的重点内容，但集成芯片种类繁多，造成教学重点难以确定。

(3)理论课程过于注重知识点的讲授，难以形成系统的整体，易导致教学主线不清晰，甚至混乱，对教学造成困难。

(4)实践课程不系统，实验单元内容零散、课程设计出发点不明确，最终亦难以达到培养和提升实践能力的目的。

自2010年开始，创新、创业型教育是高等教育的重要发展方向，因此，作为实用性较强的工科专业还肩负着大学生的应用能力的培养，乃至肩负着创新意识和创新能力培养的职责[1，2]。因此，作为重要的综合性专业课程，与时俱进地针对智能仪器及其实践课程的教学方法的研究也势在必行。陈建容等探讨将智能仪器实验课程定位为综合型[3]；吕青等人主要针对理论课程教学，从教学方法、教学内容、考核方式等角度提升教学效果[4-6]；刘献如等则在课程安排、实验教学内容等方面进行改进，同时强调学习兴趣引导的重要性[7，8]；高云红等从提升仿真技术能力和实践教学以工程项目研发为目标出发，提升智能仪器课程教学实效[9]。

针对智能仪器课程教学和学习的现状，在加强对课程内容的理解与掌握的基础上，研究智能仪器及实践课程体系的教学模式和方法，旨在提高学生对智能仪器设计方法、技术的掌握，乃至培养、提升学生的创新意识和能力。

1 教学主线

本文针对智能仪器课程的特点，设计教学主线如图1所示。首先，在开课之前，进行专业课程体系的课程教育，让学生认识该门课程对于专业知识体系的重要性的同时，了解学习该课程需要的知识准备；其次，对重要知识内容采取“翻转式”课堂形式，重视课下学习、练习与积累；再者，充分利用实践课程将所学的理论知识落实于实验和课程设计论题的分析、设计中，最终使得学生对所学知识从理论到实际皆有深入理解、掌握。

图1 教学主线示意图

2 教学安排与方法

目前，笔者所在专业智能仪器课程的理论与实践教学尚不系统，从学生反馈来看，重点不明确、知识点过多且难以掌握。针对课程教学现状，智能仪器及实践教学方法改革包括教学计划、教学内容、教学手段、学习效果评价方式等，各部分之间的关系如图2所示。

图2 教学方法各部分间的关系

2.1 统筹安排的教学计划

为使学生认识到智能仪器课程的重要性，在课程学习之前开展课程体系教育，督促学生针对性复习电子技术、微处理器、高级语言程序设计等知识。笔者所在专业每一学期期末统一安排下学期的课程计划，根据教学大纲提前将智能仪器课程安排在“单片机原理”和“嵌入式系统”等课程之后，一方面，让学生具备一定的仪器设计基础；另一方面，针对重要知识单元设计实验课程，将实验课程开设时间与理论课程讲授内容紧密结合，“即学即做”，以达到知识的同步消化、掌握。

2.2 重点突出的教学内容

智能仪器课程为系统性较强的课程，与其相关的基础知识众多、知识面跨度广，这对系统性理解并应用造成困难。因此，本文将专业领域内的重要且知识综合性、系统性较强的智能仪器设计案例所涉及的知识作为重点教学内容，在强调知识系统性的同时，明确教学重点。例如，在众多智能系统的微处理器中，着重并深入学习stm32系列单片机，系统的自动校正则重点以线性系统为例。

2.3 层次递进的实践环节

作为智能仪器课程极为重要的组成部分，实践课程分为实验课程和课程设计。实验课程目的在于及时将理论知识转化为应用，并通过实际应用分析、验证，进一步加强对理论知识的消化吸收。本文结合重要理论教学设计实验课程，具体分为仿真和实物两种类型。课程设计则在课程末期进行，体现其对整门课程乃至整体专业课程的知识的综合性、系统性。本文将课程设计按层次分为验证型、设计型和创新型，同时将实验室申请为开放实验室，便于学生自主实验。验证型设计重点针对智能仪器设计案例进行验证分析，如用Multisim、keil和Protues等仿真软件对智能仪器系统进行仿真计算、验证分析；设计型为根据既定的设计任务和要求，自主完成系统仿真或实物设计，提高仪器设计实践能力；创新型设计则为按照学生能力强弱、意愿合理搭配，将学生分成小组(设计能力和组织能力强的学生担任小组组长)，利用所学知识，根据自身兴趣自由选题，从构思设计、购买器件、焊接到最终的系统调试实现都由小组集体完成。此外，将有应用价值和发展前景的选题，指导申请大学生创新创业课题，并应用于社会需求和工程实践。另外，通过系统的理论知识和实践学习后，鼓励学生参与老师的科研课题，以提升学生的创新和团队协作能力。

2.4 多元优化的教学形式

智能仪器课程理论知识内容丰富，既有复杂的电路分析，又包括原理讲解，宜采用多媒体和板书相结合的教学方式。对于系统电路结构分析，采用多媒体课件的方式主导教学，丰富的多媒体资源可在提高教学效率(节省绘制电路框图、原理图的时间)的同时，适当地将趣味性融入教学过程，提升学生的学习兴趣；而对于原理性为主导的教学过程，则以板书为主，板书的详细推演过程既有利于师生之间实时互动，又有利于突出重点，便于学生对知识整体和结构的把握。此外，在实验教学过程中，利用自主开发的视觉系统对教学过程的仿真与实物演示进行实时拍摄投影，可让每一位学生清晰地观看教师的实验演示过程，进而提升实验参与程度。

2.5 综合式学习效果评价方式

智能仪器课程对于学生学习效果采用过程评价为主和总结性评价相结合(各占考核总分的50%)的综合式评价方式。过程评价内容包括平时作业、实践答辩、课堂表现、学习能力、参与程度和合作精神等。总结性评价则为传统评价方式，包括期末考试、实验报告成绩和课程设计报告成绩等。综合式评价方式在对学生学习效果进行全面分析、考核的同时，对教学方法进行反馈，促使教学方法和教学效果的持续改进与提升。

3 实施与效果

本专业教学计划中，智能仪器课程在第七学期(即毕业设计之前)开设，理论课程为36学时，实验为10学时，课程设计为1周。该学期开设的课程还有“嵌入式系统”、“虚拟仪器”等课程，因智能仪器课程建立在以上课程的基础之上，所以在安排课程计划时，协调将智能仪器课程排在上述课程结课之后。

在合理安排课程计划后，将本文教学方法实施于智能仪器及实践课程教学中，针对教学方法实施效果，本文以课堂互动、作业完成情况、学生期末成绩、课程设计总体效果等为观测点统计教学方法实施前后情况，如表1所示。

表1 教学方法实施前后效果

从表1 中的观测点反馈可知：教学方法实施后课堂互动、作业完成、期末成绩整体情况较之前均有较大程度改善；同时，课程设计的参与程度和层次均有很大提高。

此外，基于智能仪器课程教学改革方法的实施，在实践教学中，学生在教师指导下，自主研究设计出一批诸如“桥梁预应力张拉自动参数检测仪”、“精确标准工业电流环通信的设计”、“智能核辐射γ能谱分析仪”等具有实用价值的智能仪器，其中共有6项申请并得到全国大学生创新创业计划资助，2项受到企业关注，共同开发，已成功转化为实际应用。

4 结语

针对系统性和综合性较强的智能仪器课程的教学，采取以课程教育为先导、多元化理论与实践课程为教学主线，对教学计划、教学内容、教学手段等方面进行改进，并实施于课程教学，得出结论如下：

(1)智能仪器课程教学改革的研究，在课程计划合理安排的前提下，根据典型智能仪器设计案例规划课程重点教学内容。

(2)教学过程中，充分结合多种教学方法的优点，设计多层次递进的实践课程，促进学生投入课程的学习中，进一步启发和培养学生的创新意识、能力。

(3)以综合式评价方式作为学习效果与教学改革研究反馈，为教学方法研究和持续改进提供了科学、客观的依据。

[1] 许兆棠, 张恒. 创业技术储备与创新实践一体化的教学模式与激励措施[J]. 中国冶金教育, 2011(6): 48-53.

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[3] 陈建容, 陈惠滨.《智能仪器》课程实验教学改革尝试与思考[J]. 中国校外教育, 2009(11): 74-75.

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