CDIO 模式在智能仪器教学中的应用研究*

◆张白 周春艳

作者：张白、周春艳，北方民族大学电气信息工程学院讲师，研究方向为智能信号检测与控制（750021）。

1 引言

智能仪器是测控技术与仪器专业的一门专业必修课，内容涉及各类微处理器的原理和应用、电路设计技术、数据采集技术、数据处理算法及软件设计等方面的知识，是一门融合多项技术且对实践性要求很高的核心课程[1-2]。当前传统的教学方法中，采用课堂理论教学结合验证性实验教学的模式，且实验设备多采用基于8 位单片机的实验箱，缺少软件设计环节，缺少开放性实验，学生仅仅是在现有硬件平台上进行验证性实验，缺乏对硬件的认识和了解，无法融会贯通相关理论知识，缺乏综合应用知识开展智能仪器设计的能力。

因此，如何通过教学方式的改进，提高学生对智能仪器课程的兴趣，促进学生掌握智能仪器设计相关理论知识，提高实际应用开发的能力，培养的学生创造性思维，成为任课教师的研究重点。

CDIO（Conceive，构思；Design，设计；Implement，实现；Operate，运作）作为一种新的工程教育理念，主张以产品研发的CDIO 全过程，旨在重点培养学生熟练运用专业基础知识及应用的能力、工程分析和解决问题的能力、团队协作和交流的能力[3]。借鉴CDIO 工程教育模式，贯彻项目驱动教学法、竞赛制教学法，对智能仪器课程教学的每个环节进行改革，期望调动学生学习的积极性，培养学生的团队协作能力，达到良好的教学效果。

2 教学探索与实践

分组教学 由于学生基础的差异性，为了让所有的学生都参与学习，培养他们之间的互助合作精神，可通过组成协作小组让学生在合作中完成学习任务，相互学习，相互监督，相互借鉴。将班级学生分成若干小组，并选出组织能力较强、学习成绩较好的学生作为组长，由组长负责组织、督促小组成员共同学习。将小组作为一个小的集体进行共同考核、共同评定成绩，如考勤的时候小组中有人没到，则该组集体记为缺勤，每组进行的项目比赛成绩记为大家共同的平时成绩。

项目式教学模式 传统的教学模式强调“以知识为本位”，教师首先在课堂上讲授理论知识，然后进行相关的实验或实践活动。缺乏应用载体的教学方式很难使学生对课堂上的研究对象有感性认识，导致学生感到理论知识的抽象与枯燥，而逐渐丧失学习兴趣；实践阶段严重依赖实验箱固化的实验，存在与理论内容脱节、实验过分依赖实验指导书以及实验采用验证性实验等问题。因此，这种理论教学与实践教学相分离的格局很难系统性培养学生的综合技能，调动学生的主动性、参与性与协作性，影响学生专业技能的提高。

1）项目的选择及任务设定。项目式教学法是以项目为依托，以任务为导向进行的教学活动[4-5]。首先，将教学内容划分为若干个教学项目，每个项目都有一定的教学任务；在进行每个项目时，由教师先对项目进行分解并示范，在讲解过程中引入若干问题，以问题引导学生思维，实现学生参与项目实施；然后由小组分工协作，在规定时间完成项目任务。如可结合传感器，设计五个项目：温度测试仪、湿度测试仪、压力测试仪、气体浓度测试仪、液位高度测试仪。设计内容均需涉及数据的采集、人机交互、数据通信、数据处理等。

另外，将项目要求规定好后，由学生自己撰写项目开发任务书，工科专业的大学生在系统性理论学习的过程中需要不断培养工程实践开发能力，而这首先需要具备项目开发任务书的撰写与阅读能力。没有详细的项目开发任务书，很难将各章节涉及内容融会贯通。因此，学生需根据项目内容撰写详尽的项目任务书。

2）项目的实施。项目分为硬件系统设计与软件系统设计两大块，开发过程采用模块化设计，实施方式采用小组形式进行开发，每组设备包括一个最小单片机系统、传感器、面包板等元器件。

硬件系统采用模块化设计，将每一个项目的硬件电路分为晶振模块、电源模块、人机接口模块、传感器信号采集模块、A/D 模块、D/A 模块、滤波模块、LED 显示模块、LCD 显示模块、通信模块以及专用功能模块。每个模块相应设计若干方案供不同项目组选择。以常用电源电路为例，分别设计以固定电压芯片LM7805 构建电源模块、以三端可调芯片LM317 构建电源模块、以LM1117-5.0 芯片构建电源模块。

软件系统设计同样采用模块化设计，将每一个项目的软件系统分为微处理器初始化模块、键盘访问模块、A/D 转换模块、数据处理模块、D/A 转换模块、LED 显示模块、LCD 显示模块、通信模块以及特殊功能模块。每一个软件模块设计若干方案。以微处理器初始化模块为例，提供89C51单片机的初始化模块，提供C8051 系列单片机的初始化模块，提供STM32 系列单片机初始化模块，供不同层级、不同需求的学生选择，丰富学生的知识面，锻炼学生的综合应用能力。在实施过程中，评选优秀的学生模块，加入模块数据库，并建立软件模块贡献荣誉榜，表彰学生的贡献，提高学生学习的热情与积极性。

学生根据自己的项目需要，选择不同的软硬件模块实现模块化集成设计，最终焊接、调试实现不同的项目功能。

课堂教学方法 传统的课堂通常是教师的“一言堂”，属于填鸭式教学方式，教学方式与教学内容固定，学生学习方式被动，学习兴趣不高，最终造成教学效果不理想。特别是对于智能仪器这类涉及内容多且繁杂的综合性课程，传统的课堂教学更难提升学生的兴趣与学习欲望。因此，本次改革将课件及授课“微小化”，针对每一章最核心的知识点以最精炼的语言及视频展现出来，然后先动手实践，在实践中运用并巩固理论知识点。如数据采集技术涉及的技术指标很多，诸如信号类型、最大信号幅值、增益、分辨率、转换时间、精度、偏移误差、增益误差等，仅通过理论讲解，学生很难掌握这些指标的含义与区别。

因此，可首先在课堂对A/D 转换器基本理论进行讲解，然后演示一个采集传感器电压信号的例子，并在MATLAB 或Origin 等数据处理软件中将采集到的值和理论值进行曲线拟合，然后分析A/D 转换涉及的各类误差及技术指标，通过直观感受，加深学生对理论概念的理解。课堂采用的教学示例不再是一个个孤立的例程，而是将一个个孤立的知识点集成在一个完整的项目中，通过在项目中实际应用相关知识，将零散的知识点有机地组织在一起，使得学生从感性认知中重构理论知识体系。并且学生通过实施项目，对项目中涉及的知识点有了进一步的认识，对问题的理解也较为深刻，巩固了理论基础，锻炼了实践应用能力。

对小组无法解决的问题，采用师生互动的方式，教师帮助设计解决方案，学生负责实施方案并验证结果。对于学生共同存在的问题，可以采用小型专题讲座的形式进行系统讲解，认真听取学生的意见，有针对性地开展相关讲座，必将收到意想不到的效果。

竞赛制教学模式 竞争是个体或群体为了达到目标与对方争胜的行为，在课堂小组间组织竞赛制教学，可有效激发学生的学习积极性和进取拼搏精神[6]。合理设计竞赛模式，将有效激发学生争强好胜的心理，并将其转化为学习动力，从被动学习转变为主动学习。为了集体与个人的荣誉，学生的注意力较平时会更集中，在取得一定成绩后及时给予表扬就会产生成就感，这种成就感将转变为内在的动力，促使他们更加努力学习。同时，由于竞赛式学习是以学生为主体，学生对自己解决的问题、做过的项目会留下深刻印象，最终实现理论知识的巩固与实践能力的提升。本课程将每次的项目开发都设计为组间竞赛活动，可根据全组成员考勤情况、相互协作情况、PPT 讲解情况、成果展示等几个方面评选出最优小组，并给出竞赛成绩。

3 考核方式

借鉴“翻转课堂”多维度、多方式的评价体制[7]，本课程的考核方式包含平时成绩和项目竞赛成绩两部分，各占50%。其中，平时成绩包括上课出勤占20 分，个人表现占30 分。在考核标准中，小组考勤及项目成绩总共35 分，该分必须是小组成员共同努力协作得来的，以此督促全体学生都参与到学习中来，增强团体协作意识及自我约束能力。另外15 分是个人得分，主要取决于学生个人在小组中的贡献及对知识的掌握程度。该成绩可以有效激励学习较好的学生得到更高的成绩，以示公平性。

4 结论

本文根据智能仪器课程综合性、实践性强等特点，本着以学生为主体、教师为引导的方针，借鉴CDIO 工程教学模式，精简教学内容，设计“项目式教学法”“竞赛制教学法”等课堂活动，激发学生的学习积极性和主动性。笔者通过这些教学方法和评价方法的改进，学生学习的积极性有显著改观，学生实践创新能力和团队协作能力得到培养，综合应用知识的能力得到提升。

[1]刘献如.智能仪器课程教学改革探索[J].计算机教育,2010(19):45-47.

[2]蔡自兴.智能控制原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2009.

[3]姜大志,孙浩军.基于CDIO 的主动式项目驱动学习方法研究:以Java 类课程教学改革为例[J].高等工程教育研究,2012(4):159-164.

[4]吕萍.基于项目的多课程协同教学理念和实践[J].高等工程教育研究,2012(4):171-175.

[5]李妍.项目化教学在嵌入式系统实践课程中的探索[J].实验室科学,2012(5):27-29.

[6]许慧.积极情绪对工程学生创新能力影响研究[J].高等工程教育研究,2015(2):94-99.

[7]丁建英,黄烟波.翻转课堂研究及其教学设计[J].中国教育技术装备,2013(21):88-91.