自動檢測技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革
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摘要:為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在“自動檢測技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)中開發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)的多層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，在驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上引入設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生組隊(duì)完成設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，改革課程考核手段，建立課程綜合評價(jià)體系，以鍛煉學(xué)生的溝通和表達(dá)能力。教學(xué)實(shí)踐表明，基于多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程綜合評價(jià)體系能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)成績。
關(guān)鍵詞:自動檢測技術(shù);虛擬儀器;多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué);課程綜合評價(jià)
一、“自動檢測技術(shù)”課程概況
“自動檢測技術(shù)”是我校(東華大學(xué))信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的一門實(shí)踐技能較強(qiáng)的綜合應(yīng)用和自動化專業(yè)特色課程。該課程的教學(xué)手段主要是基于多媒體的課堂理論教學(xué)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)也多局限于對傳感器原理的認(rèn)證實(shí)驗(yàn)，不能適應(yīng)當(dāng)今培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的要求。為此我們對該課程教學(xué)進(jìn)行改革探索，構(gòu)建科學(xué)的課程考核體系，以提高教育教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)滿足社會發(fā)展需要的應(yīng)用型復(fù)合人才［1］。研究表明，設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)可以改變以教師為中心的傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式，代以“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式［2－3］。因此，我們在課程教學(xué)實(shí)踐中著力于構(gòu)建學(xué)生基本技能層培養(yǎng)體系，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力與初步設(shè)計(jì)能力，為培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力奠定基礎(chǔ)［4］。在教學(xué)方法和手段的改進(jìn)上，著眼于鍛煉學(xué)生的動手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰妥詫W(xué)能力，設(shè)計(jì)了多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案;并通過建立一套課程綜合考核方式，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的同時(shí)，鍛煉學(xué)生的溝通和表達(dá)能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。
二、“自動檢測技術(shù)”課程教學(xué)改革實(shí)踐
1．開發(fā)基于虛擬儀器的自動檢測分層實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
虛擬儀器是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號處理技術(shù)發(fā)展的一個綜合性產(chǎn)物，成為未來電子測量儀器發(fā)展的主要方向之一［5－6］。為在“自動檢測技術(shù)”課程教學(xué)中緊緊跟上檢測技術(shù)的新發(fā)展，我們將虛擬儀器技術(shù)內(nèi)容編入《自動檢測與虛擬儀器技術(shù)》教材，該教材由科學(xué)出版社于2018年出版。在“自動檢測技術(shù)”課程教學(xué)中增加虛擬儀器技術(shù)的原理及應(yīng)用，可以使學(xué)生接觸到檢測的最新技術(shù)，為學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的提高奠定基礎(chǔ)。為配合課程教學(xué)，我們在“自動檢測技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材和軟硬件資源進(jìn)行整合，開發(fā)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，增加基于虛擬儀器的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過多層次分類實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力、綜合設(shè)計(jì)能力和小組協(xié)作能力。根據(jù)“自動檢測技術(shù)”課程的特點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)成A、B、C三類。(1)A類為驗(yàn)證型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是為了體現(xiàn)理論性。通過實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對理論知識的理解，強(qiáng)化傳感器及其測量電路的理論學(xué)習(xí)以及測量信號采集和處理。主要包括基于浙江求是科教設(shè)備有限公司的檢測裝置平臺完成應(yīng)變片及電橋測量電路、熱電偶測溫和霍爾傳感器三個實(shí)驗(yàn)。(2)B類為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和LabVIEW編程能力。內(nèi)容以虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為主，包括計(jì)算器及數(shù)組、定時(shí)及圖形、公式節(jié)點(diǎn)、設(shè)計(jì)示波器用以展示一個二階慣性環(huán)節(jié)等。實(shí)驗(yàn)步驟結(jié)合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及網(wǎng)站視頻，由學(xué)生分小組利用課余時(shí)間在LabVIEW軟件平臺上完成編程設(shè)計(jì)。我們在B類實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中提出一些開放性問題，鼓勵學(xué)生應(yīng)用課內(nèi)外多學(xué)科知識解決問題，如計(jì)算器實(shí)驗(yàn)中如何解決四則運(yùn)算和科學(xué)計(jì)算的運(yùn)算順序和中間運(yùn)算結(jié)果的保存，二階慣性問題中離散化方法和保持器的設(shè)計(jì)等。在B類實(shí)驗(yàn)的討論課上，我們安排了課堂演示部分，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容制作成PPT，在課堂上介紹編程思路，演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(3)C類為設(shè)計(jì)提高型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這部分實(shí)驗(yàn)是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的問題或理論課中提出的課題確定實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求及各項(xiàng)性能指標(biāo)，此類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過程，解決工程實(shí)際中的檢測問題，提供理論與實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括基于Lab-VIEW的靜態(tài)信號測量、應(yīng)變片及信號處理實(shí)驗(yàn)，基于LabVIEW的動態(tài)信號測量、光電傳感器測速實(shí)驗(yàn)。以光電傳感器測速實(shí)驗(yàn)為例，我們設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)VI，通過DAQ設(shè)備采集光纖傳感器的周期性電壓信號，通過信號處理分析顯示被測的轉(zhuǎn)速，用圖形及數(shù)據(jù)記錄和顯示周期信號的波峰值與轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，為測量系統(tǒng)性能分析提供依據(jù)。學(xué)生需自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，確定實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求，在檢測裝置平臺上連接檢測對象，并在LabVIEW軟件平臺上編程設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)用戶界面，實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的信號測量、圖表顯示、結(jié)果存儲、數(shù)據(jù)查詢、性能分析功能，完成系統(tǒng)測量誤差分析和數(shù)據(jù)的線性擬合等環(huán)節(jié)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)完成后，小組對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和步驟進(jìn)行演示匯報(bào)，對測量結(jié)果進(jìn)行分析，教師對每組學(xué)生的匯報(bào)進(jìn)行當(dāng)場提問和講評。
2．改進(jìn)課程考核方式
為培養(yǎng)具有高素質(zhì)的專業(yè)技術(shù)人才，制定科學(xué)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型教學(xué)的要求，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力、溝通表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，結(jié)合多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，建立了一套“自動檢測技術(shù)”課程綜合能力評價(jià)體系.在課程教學(xué)改革之前，學(xué)生的課程總評成績中期末成績占70%，平時(shí)成績的依據(jù)是課程作業(yè)/實(shí)驗(yàn)報(bào)告，占30%，缺乏過程監(jiān)督。改革后，期末考試成績比例降至60%，實(shí)驗(yàn)成績比例增至35%。因?yàn)樵诜纸M設(shè)計(jì)B類和C類實(shí)驗(yàn)過程中要分工合作，進(jìn)行課題分析、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)整合、報(bào)告撰寫、演示匯報(bào)等多個環(huán)節(jié)的任務(wù)，所以，每名學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績既包括設(shè)計(jì)方案的合理性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析的正確性，也包含演示匯報(bào)的清晰明了和小組合作的默契程度，展示作品的基本理論內(nèi)容、完成的技術(shù)難度和創(chuàng)新點(diǎn)等。答辯過程中，學(xué)生的表達(dá)能力、總結(jié)能力以及現(xiàn)場反應(yīng)能力等都得到提升，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。
三、教學(xué)改革成效
基于多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程綜合評價(jià)教學(xué)法在“自動檢測技術(shù)”課程中的應(yīng)用，有效地解決了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)的問題。相比課堂上照本宣科的理論講解，學(xué)生對于編程類設(shè)計(jì)問題更感興趣。為此，我們在此次課程教改中設(shè)計(jì)了多種途徑，以發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。首先，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是在課程網(wǎng)站經(jīng)過視頻學(xué)習(xí)后課外完成，并在討論課中完成匯報(bào)講演，學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動轉(zhuǎn)為主動;其次，對于虛擬儀器綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主完成設(shè)計(jì)方案，在對測量系統(tǒng)的軟硬件都深入理解后，通過系統(tǒng)組態(tài)和軟件編程，最后順利完成任務(wù)。因此，可以鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和編程能力，進(jìn)而為解決復(fù)雜工程問題奠定基礎(chǔ)。通過教學(xué)改革，學(xué)生提高了“自動檢測技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)興趣和動力，促進(jìn)了理論知識的理解與掌握，其結(jié)果反映在期終考試成績中。實(shí)施多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的試驗(yàn)班級的優(yōu)秀和良好率達(dá)到60%以上，及格率超過歷年年級平均及格率近10個百分點(diǎn)。在設(shè)計(jì)和答辯過程中，學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力都明顯提高。
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作者：董愛華 左鋒 韓芳 單位：東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院