测控类专业课程教学中的交互式创新实践教学法

张登攀 朱红丽

河南理工大学机械与动力工程学院 河南焦作 454000

1 研究背景

大学生培养是一个系统工程，只提高基础课程教学水平是不够的，专业课教学和专业课实践教学水平低，成为制约大学生整体培养质量提高的短板。从欧美国家的高等教育改革来看，高等教育的主流是强调“由传授知识向传授学习知识的方法转变”，注重对学生自主式学习能力、创新能力的培养，按照自主性、开放性、研究性学习来设计课程内容和体系已成为世界各国教育改革的突出特征，在教学中，注重培养学生获取知识的能力和创新意识[1,2]。

在我国，教育部于2000年启动了“新世纪高等教育教学改革工程”，之后又实施了高等教育质量工程，并明确将“实践教学与人才培养模式改革创新”作为一个工作重点。在教育部的推动下，我国文科、理科、工科的教学改革全面展开，资助了一大批教学改革项目，但与欧美国家相比，国内的研究多数停留在高等教育理论研究阶段，与实际专业课程结合并成功应用的项目还不多。

测控类专业培养中的主体课程是测控技术与仪器、电气自动化以及机械工程等，内容涉及微型计算机技术、信号处理技术、测试技术、控制技术等，该类课程比较抽象。传统教学模式强调对理论知识的掌握，学生理解深度有限，难以将所学知识应用到工业实践中。笔者结合目前测控类专业课堂教学计划的特点和教学过程中存在的问题[3-5]，采用交互式创新实践教学方法，用实例、创新设计以及实践操作从工程应用的角度强化创新实践，调动学生的学习主动性和积极性，提高学生综合素质。

本教学方法在测控技术与仪器专业课程教学中进行了初步推广，实施效果良好。

2 基于互动和实践的课程教学设计

2.1 课程特点分析

测控类专业的专业课以计算机控制、电子技术以及信号处理等相关内容为主，从理论层面看，课程涉及比较深奥的计算机原理、电子技术以及信号分析与处理理论，内容比较抽象且难懂；从应用层面看，则涉及如何把测控技术理论与实际应用结合的问题。课堂教学的难点在于理论抽象且难以与工业现场联系，学生课程学习的难点在于如何把抽象的课堂理论与动手实践和现场工程实际问题的解决方法统一起来，把深奥的课堂理论知识转变成解决实际问题的能力。

2.2 课程教学模式设计

根据课堂教学中加强教与学互动和学生主动创新实践的教学指导思想以及教学计划和教学大纲规定的教学要求，把基于互动和实践的教学理论贯穿于课程教学的各个阶段。提出理论教学—结合工程—动手实践的循环式交互课程教学模式。

用理论及其应用启发学生思考，提高学习兴趣。针对检测类、故障诊断类及计算机控制类课程在工程中的应用案例进行分析，利用所建设的教学平台进行实际研讨和操作，进一步引出理论分析方法。

教师可通过课堂理论教学为学生提供基本知识框架和自主学习线索，补充相关知识点，做到“宽”基础，弥补学生基础知识面的不足，通过开放式问题提高学生发散性思维能力。

在课堂教学中，教师可结合工程应用，展开理论知识分组讨论，引导学生针对实际问题思考并提出自己的见解和看法，从而提高学生对知识的把握程度，进而启发学生进行创新思考，巩固和加强理论教学效果。同时，通过实践过程和汇报提高学生的团队协作能力。

基于课堂教学目标，教师自主开发或设计课堂教学实验辅助系统，如开发网络实验平台，学生可以自主登录进行网上实验；通过构建单片机资源库，由学生自主装配、测试，然后结合工程实际，指导学生分组实践，提高学生实践和协作的能力。

该课堂教学模式让教师和学生在专业课程教学环节置身于实践环境中，一方面可指导学生针对实践环节中的项目开发问题开展技术资料查阅和设计方案拟定，并对主要技术难点和技术实现方法进行分组讨论；另一方面同步强化理论知识，组织学生展示各小组的实践成果，对学生知识掌握程度进行综合评价，优秀率在90%以上。

3 教学实践中存在的问题及解决方案

在课堂教学中，结合大量应用实例和演示实例，在理论教学基础上以学生动手实践为目标的教学方法是有效的，但不能适用于测控类课程的所有教学内容，必须结合内容的具体情况区别处理。在该类课程的教学过程中，采用本文所述的方法也遇到了不少问题，在解决问题的过程中，笔者逐步积累了一定的经验。

3.1 理论教学与教学辅助系统相结合

针对抽象的信号处理类教学内容，基础工程数学类课程已经完成，单一地进行数学理论阐释导致学生的学习兴趣较低。在教学过程中，笔者制作教学实验材料辅助教学，把抽象的理论形象化。课堂教学中开发了网络实验平台、单片机综合实验系统、测试和信号处理软件平台，可在课堂教学中开展在线实验，也可在课后开展学生分组拓展实验。

3.2 课堂教学、教学讨论和动手实践内容相结合

本文提出的课程教学模式通过理论教学剖析知识点的科学和数学原理，然后辅以分组项目化实践讨论并辅以考核交流来完成知识点学习。笔者在讲述微机控制课程时，将理论分析—电路设计—程序编写—展示相结合，通过讨论和学生动手焊接电路板，达到理论与实践的统一，然后布置小项目，让学生分组协作完成。

3.3 实践课题要与教学内容相适应

布置实践课题应围绕知识点，尽可能减少知识外延。课外时间通常安排两部分内容：一是课后作业，二是协作实践课题。课后作业的完成一般没有太大的问题，教师应进行监督考核，尽量减少学生抄袭作业。实践性课题的选择应慎重，要紧密结合课程进度引出课题，课题太小达不到训练目标，太大则无法完成。例如：测控系统设计课题需要安排在中断和串口通信等知识点学习之后；频谱分析仪的设计，需要在离散信号FT变换，DFT和FFT等时域—频域变换内容结束后安排。适时提出和适当开展课题研究，可以提高题目的趣味性和应用性，强化学生对实践的热情和兴趣。

3.4 协作学习和自主展示

以小组协作的方式完成实践课题非常重要，它为学生提供了一个相互交流和自我展示的学习环境，可利用小组之间的竞争和组内学生之间的相互激励和支持提高学生学习的热情和实践信心。通常由3～5名学生组成一个小组，学生可根据分工查阅资料和进行相关模块的开发。实践课题融合了课程内容和拓展训练，学生可结合教师的推荐自由选择开发工具。在研发过程中，通过分组讨论与班级集体讨论，各组学生可有效地了解本组及个人在创新实践环节中的不足，对优化设计方案起到积极的作用。

经过实践环节的学习，学生的学习思维基本上跳出了抽象的数学思维模式，以形象、生动而又有趣的创新实践模式取代了传统的以死记硬背信号分析数学公式为特征的强化记忆学习模式，避免了平时学习一知半解，考前抓紧突击的学习方法。实现了把学习的黄金时间放在平时，即把课堂教学、交互实践和监督检验放在平时，简化课程结课考试，促进了学生学习效率的提高，又使得教学时段得以充分利用，提高了学生综合创新实践素质。

4 教学改革成果

结合笔者提出的交互式主动创新实践教学方法，从网络实践平台、教学案例分析和学生成果等角度分析该方法的实施及效果。

4.1 测试信号分析网络平台

网络式实践平台在国内外教育教学模式中并不少见，但是大多以视频和教学材料为主，笔者在教学过程中开发了网络化在线实验平台(如图1所示)。学生注册后，可以下载课程学习材料和实践指导文件，通过在线实验板块对课程重要内容进行实验。

图1 网络在线实验系统

学生可通过校园无线网络随时随地登录网站，针对课堂所学理论进行应用实验，不仅提高了学习兴趣，同时也提高了对问题本质的理解和掌握。

4.2 交互式信号分析与处理平台

利用软件开发的信号处理平台，可运行在手机和PC机等工具上(如图2所示)。信号处理平台利用教学信号处理算法，对典型信号、实时音频信号和现场采集的振动等工程信号进行分析。在教与学的过程中，典型信号的分析可以使学生掌握信号的特点、时频特性以及处理算法，辅以工程实际数据分析，从而解决从典型信号分析向工程实际数据分析的过渡，通过讨论，全面掌握相关算法。

图2 利用软件平台和手机移动平台开发的教学辅助系统

4.3 学生实践作品—六足抢险救援机器人

图3所示的六足抢险救援机器人是测控技术与仪器专业学生的作品。采用本文提出的教学模式，学生具备一定的单片机、控制和传感器技术等相关知识运用能力后，开发了本作品，荣获河南省第九届挑战杯二等奖和河南省最具投资价值创意奖。

图3 六足抢险救灾机器人及其获奖奖杯

5 结束语

培养高素质的科技创新人才是测控技术与仪器专业及其相关专业永恒的追求。为提高测控类课程的教学水平和质量，笔者提出了交互式创新实践型教学法，依托于专业教学计划和大纲，融工程项目案例库与理论教学于一体，实现了教、学、用的有机统一，提高了学生综合创新实践能力。目前，该教学法已在测控技术与仪器专业教学中得到推广，教师和学生反映良好。

[1] 郭丽萍,韩良.国外工科新生教学实例分析与人才培养模式探讨[J].高等工程教育研究,2013(1):170-176.

[2] 唐孝云,刘京诚.测控技术与仪器本科专业创新人才培养新模式探索与实践[J].中国大学教学,2009(6):30-32.

[3] 赵忠,刘彬让.准确把握现代高等教育质量内涵 大力推进本科人才培养模式创新[J].中国大学教学,2013(1):23-26.

[4] 张学敏,倪虹霞,吕晓丽.电子信息工程专业信号类课程教学改革实践探索[J].长春工程学院学报,2009(1):106-109.

[5] 李天倩,阳小明.信号处理相关课程结构探讨[J].高等教育研究,2009,26(1):87-88,93.

[6] 秦祖赠,文衍宣.工程案例讨论与分析在《化学反应工程》教学中的应用[J].广州化工,2013,41(16):208-209.

[7] 张登攀,李长有.基于互动—实践—创新模式的课程教学改革探索[J].科技信息,2009(23):573-574.