CDIO教学理念在智能仪器设计课程中的实践与探索

曹义　张琳　刘亿文　张伟

摘 要： 在智能仪器设计课程中引入国际先进的CDIO教学理念和方法，通过构思、设计、实施和运行，让学生在工程实践中学习知识，并将所学知识运用到工程项目中，培养学生的学习能力、实践能力、团队协作能力等。通过教学方式的改革，提高学生的学习兴趣，激发学生的学习动力，从而取得良好的教学效果。

关键词： CDIO教学理念 智能仪器 教学设计

一、引言

智能仪器是传统仪器仪表与现代电子技术相结合的产物，它具有传统检测仪表的基本功能，并且具有对数据的加工能力，如存储、运算、逻辑判断、数据传输等。生活中常见到的检测仪表都属于智能仪器的范畴，它们都是以微处理器为核心的。这门课程知识容量大，实践性强。通过智能仪器课程的学习，学生能掌握智能仪器设计的一般方法，掌握智仪器设计的总体设计方法，并掌握智能仪器中所包含的基本单元的设计。如何在有限学时内让学生掌握本门课程知识，对教师是一种挑战。由于课程实践性强，可以将工程实例引入到教学过程中，采用国际先进的CDIO教学理念，通过智能仪器的构思、设计、实施和运行，使学生更高效地学习相关知识，提高学习兴趣，掌握智能仪器的设计方法。

二、项目构思

智能仪器课程涉及的知识点繁多，包括数据采集、人机对话、数据通信、基本数据处理方法、软件设计、可靠性和抗干扰、可测性设计等知识点，这些必备知识构成了智能仪器设计必备的知识基础。采用CDIO教学模式，需要有一个好的构思，通过一个设计实例，能够尽可能地包含知识点，让学生在实践中充分理解知识点的重要性，并能够在实践中应用这些知识解决实际问题。

课程以《水温智能控制器的设计》为实例，构思一个水温控制项目，开始智能仪器课程的教学。水温控制在生活中很常见，如电热水器的水温控制，燃气热水器的水温控制。在实验室中经常用到水温的控制，如化学实验中的恒温水浴等。水温的相对控制精度在±1℃以内。因为要对水温进行控制，显然这是一个闭环控制系统，需要对水温进行检测、设定、显示等，并收集温度数据。控制系统将以微处理器为核心，完成水温的控制，包括硬件设计和软件设计。

三、项目设计

项目构思完成以后需要对具体的项目进行设计。在设计过程中，将教材中的知识点融入到设计中。水温智能控制器的总体设计，包括电源设计、温度采集设计、加热器驱动设计、键盘设计、显示设计。

系统采用市电进行供电，加热器需要交流220V，控制器部分需要直流24V、12V、5V及4.096V电压。需要对电源管理部分进行设计，将电源部分设计知识融入到设计中。温度采集部分选用PT100温度传感器，设计数据采集电路，将数据采集、基本数据处理方法等相关知识融入到设计中。加热器驱动部分选用固态继电器，将可靠性和抗干扰设计融入到设计中。系统需要对实际温度、设定温度等信息进行显示，需要设计显示部分，显示部分采用液晶进行显示，还需要对温度进行设定，进行键盘设计，将人机交互的相关知识融入到设计中。在构思中，收集温度信息，需要设计通信部分，并将数据通信知识融入到设计中。

课程的进行以设计为主线，可以更好地教授相关知识，激发学生的学习兴趣和热情，有利于課程的教学组织。

四、项目实现

在项目构思和设计完成以后是项目实现。在这个环节中，采用分组的方式进行，将30名学生分为10组，且每组选出一名组长。采用项目任务模块化的实现方式。系统硬件分为3个部分实现，分别为电源管理部分、温度信号采集部分、微处理器最小系统与驱动部分，分别由小组内的3位成员实现。系统的软件部分分为3个部分：温度信号采集子程序、键盘和显示子程序、温度控制算法子程序，分别由小组内3位成员完成。最后进行系统的联合调试，优化温度采集子程序和温度控制算法子程序，使系统满足控制精度的要求。

采用项目小组的形式进行课程组织，培养学生的团队精神、交流能力和分享的价值观。整个班级的10个小组之间形成竞争机制，能更好地调动学生学习的积极性和主动性。

在项目实现过程中，会有很多反复，需要教师对项目实现进行指导，尽量让学生少走弯路，并且准确理解知识点，学会在项目中运用知识。

五、系统的运行

系统实现完成后，优化系统的各项指标，达到预想的要求。由于系统是由工程人员设计的，用户并不了解应该如何使用和有什么注意事项。在系统的运行部分小组成员完成系统使用说明书。系统说明书包括系统各部分的说明、键盘如何进行操作、显示屏上参数的意义和注意事项等。

最后，对每个小组的作品进行测试，测试的对象相同，检查温度控制效果的优劣。组织学生交流，总结在项目完成中的体会和心得，并梳理相关知识。

六、结语

智能仪器设计课程的进行采用CDIO的教学理念，引入工程实例，将所要讲授的知识点融入项目构想和实现中，提高学生的学习兴趣。组织学生完成项目，在项目的完成中，掌握智能仪器的整体设计和其他各部分知识，在项目进行过程中运用所学知识。笔者在实际教学中，通过对两个自然班的教学，取得了较为理想的效果，共完成作品18份，其中优秀作品11份，实现了教学目标。通过课程教学的改革，在很大程度上强化了教学效果。