基于CDIO项目式理念的虚拟仪器课程教学改革

陈　度, 宋正河, 王书茂, 谭　彧

(中国农业大学 工学院, 北京　100083)



基于CDIO项目式理念的虚拟仪器课程教学改革

陈度, 宋正河, 王书茂, 谭彧

(中国农业大学 工学院, 北京100083)

为了解决传统教学中知识点多、理论较为抽象、学生被动理解等问题,通过增加实践训练环节,以CDIO项目式理念进行课程教学和课程设计体系设计,充分发挥学生在学习过程中的主观能动性。同时,通过知识点与实验内容相关性设计和项目化管理,使学生能够在项目实施过程中完成关键知识点理解、实验内容深入掌握、工程系统设计开发、项目文档撰写与管理等教学与实践环节,充分地实现理论知识与实践活动相结合,提高学生的学习兴趣和实际分析解决问题的能力。

虚拟仪器； CDIO； 项目式管理； 实践教学

虚拟仪器是利用高性能模块化硬件,结合高效灵活软件进行各类测试、测量和自动化应用的新兴技术[1]。近年来,虚拟仪器技术已经广泛应用于工业生产的设计、生产和使用等各个环节[2]。同时,虚拟仪器作为一项新兴技术,也极大地影响着传统的高校科研和教育工作[3]。在国外,虚拟仪器已经广泛应用于不同专业的实践教学工作[4-5]。美国德州A&M大学为加强仪器仪表类专业学生对数字通信原理的理解,将虚拟仪器引入测控仪器设计实验课程,通过项目式体验学习,加深学生对数据采集、总线通信和闭关控制等知识点的理解,取得了良好的效果[6]。克拉古耶瓦茨大学通过建立网络化虚拟仪器实验室进行控制原理课程演示实验环节的教学工作,有效解决了教学资源紧张的问题[7]。在国内,清华大学郝丽等利用计算机声卡,设计了基于声音模拟信号采集的实践训练环节,有效提高了学生的学习积极性[8]。华中科技大学喻红等以实际工程案例为主导,以虚拟仪器为载体,开展工程测试基础实验教学,取得了良好的效果[9]。同时,虚拟仪器作为高校和科研机构开展科研活动的重要手段之一,其在科研活动中取得的一些实践成果,也经常作为经典案例用于教学活动,对于学生学习方式和能力的培养起到了很大的促进作用[10-11]。

1　基于项目管理的教学体系

1.1教学大纲调整

虚拟仪器课程及课程设计是本科生在完成数字电子技术、模拟电子技术、工程测试技术等专业基础课程学习后,进行综合实践能力培养实践教学培养环节,需要在关键知识点理解、实验内容深入掌握、工程系统设计开发等方面对学生的综合实践能力进行全面提升。以前的教学大纲中,虚拟仪器设计作为以讲授和演示为主的课程,缺乏相应的实践环节与之对应,存在重理论讲授、轻动手实践的现象,与需要在项目中培养学生综合实践能力的观念存在较大的偏差。为提升机电专业测控技术与仪器方向学生的创新实践能力,在原有虚拟仪器设计课程基础上,通过整合调整其他实践环节学时,增设时长为2周的虚拟仪器课程设计,并以CDIO项目式教学理念,进行了课程知识点与实验相关性设计、项目化组织与实践等工作见表1。

表1　新旧大纲对比

考虑学生已经完成电子技术、工程测试技术、微机原理等基础课程,将原来虚拟仪器课程理论教学中与先修课程有交叉的内容,以上机实验或项目培训的方式完成,在没有缩短重点内容学时的基础上,加入了项目方案设计、项目分组讨论等与完成项目相关的内容,并通过增设课程设计环节,有机地将课堂教学与项目实施相融合。

1.2教学方案设计

新的教学体系在对教学大纲进行调整并增设课程设计环节的基础上,主要由课程教学、实验验证和项目实践3个部分组成。在课程讲授和实验验证阶段,通过关联性设计,实现学生利用有限时间完成对理论知识与实验内容的深入理解。同时,指导教师结合项目实施需要,和学生一起完成需求分析、可行性研究、方案设计等工作。在此环节中,教师和学生存在不同角色的转换,教师不仅起到指导学生开展实践活动的作用,还将从使用者的视角对学生设计的方案进行质询。在进入课程设计阶段,将完全以学生为主体,根据课程教学阶段设计的方案进行项目各个环节内容的具体实施,并最终通过教师的考核。新的教学方案及任务管理流程如图1所示。

图1　教学实施方案及任务管理流程

2　课程知识点与实验关联性设计

虚拟仪器课程是工程测试技术、计算机测控原理等课程的延伸,在传统教学过程中需要围绕虚拟仪器硬件技术、软件结构、设计规范与编程等几个方面展开,还需要与之前课程中的信号分析技术、传感器测量原理、测试信号调理与分析等内容相关联。在引入项目式管理后,对理论课时进行了压缩,因此,在实验环节设计时,充分考虑了实验内容与课程知识点的关联性、学生自主学习的灵活性等因素,通过选用美国国家仪器公司的myDAQ教学平台和miniSystems教学套件,既实现了知识点与实验环节的匹配,又可以不受时间和空间的限制。设计的实验环节如图2所示。学生可以根据自身情况,在充分了解实验内容的基础上,通过查阅资料分析、理解,自主开展实验并撰写实验报告,解决了传统实验受时间和空间限制的问题。

(1) myTemp与传感器测量。myTemp是用于温度传感和过程控制的微实验系统,通过完成本实验,学习热敏电阻作为温度传感测量的基本原理,加深对模拟采样基础概念的理解,并掌握利用数据采集卡进行数据采集和分析的基本方法,为进行温度过程控制提供技术手段。

(2) myQuake与信号时频域分析。myQuake是用于加速度信号测量和分析的微实验系统,学生可以利用该系统进行加速度计信号的采集和分析,通过调节偏心电机的转速达到控制结构振动强度的目的。在该过程中,学生可以学习并掌握加速度时域信号的处理和分析,掌握傅里叶变换、数字滤波等常见信号处理分析的应用。

(3) myVTOL与测控系统设计。myVTOL是用于测量与控制原理教学的微实验系统,内含控制悬停的直流风扇,学生通过软件编程,利用霍尔传感器测量风扇飞行距离,然后通过设计PID控制器实现电机转速调节,达到控制单自由度装置上升力大小的目的。通过对该系统的学习,学生可以深入掌握闭环测控系统的基本构成,可以进行简单控制系统的设计。

图2　利用myDAQ与微系统组合设计的实验环节

3　项目环节设计

将项目管理机制引入教学,就需要从时间角度将课程教学和课程设计划分为若干个阶段,每个阶段的任务相对独立,易于控制。每个阶段需要有严密的计划,并在阶段结束时按照要求进行严格的检查。采用虚拟仪器技术进行工程测控项目的开发,其核心任务是软件开发[12],因此,在设计项目式教学环节时引入软件工程学的方法对项目进行管理,有助于提高工作效率,保证项目的完成质量。基于项目的课程管理环节及阶段性成果可以分为以下几个方面:

(1) 任务理解与可行性报告。不同于传统教学方式,在引入项目式教学理念后,需要学生进行开放思考,对教师提出的课程任务进行仔细分析,并通过查阅文献资料、分组讨论提出可行性方案,并对该项目的需求进行分析,然后结合国内外研究现状调研结果撰写可行性报告。

(2) 总体方案与设计说明书。学生将在总体设计说明书、硬件结构设计、软件结构设计等几个方面开展工作,应根据系统需求进行传感器、信号调理设备、数据采集设备、通信设备等的选型或开发,同时,需要对整个系统软件进行框架设计,明确软件各功能模块的主要任务,并采用由顶向下细化的方法,形成软件的层次结构,在此基础上,撰写总体设计说明书,对软硬件各个部分的功能及技术细节进行详细描述。

(3) 详细设计与过程记录。在完成前期项目调研和设计说明书撰写后,当学生进入课程设计阶段时已经拥有充分的准备时间,可以直接进入硬件制作和软件开发阶段,且教师已经在前期完成了设备材料的购置,节省了项目实施的准备时间。在该环节中,学生不仅需要完成硬件制作与代码编写,还需要对项目开发过程中遇到的问题及解决方案进行详细记录,为后期项目报告的撰写提供素材。

(4) 系统测试与项目报告。在完成软硬件设计后,应进行必要的系统测试,并按在理论课程阶段测试系统特性部分的要求,对研制的虚拟仪器测控系统进行测试,在此基础上撰写项目执行情况报告,按照学术论文撰写规范,对系统设计、实验过程和结果分析进行科学的描述。

(5) 成绩评价与项目答辩。在完成所有项目环节后,将以团队为单位,对项目的实施过程和实施结果进行总结,并制作答辩材料,教师最终通过项目完成情况、文档材料完整性和答辩效果进行项目考核,并根据团队成员的表现,对个体进行评分。

4　实践与效果分析

按照修改后大纲的要求,对我校2012级机械电子工程专业测控技术与仪器方向本科学生进行了项目式培养的教学实践。根据现有条件和学生的实际情况,将项目任务分为学科竞赛项目、教师指定项目和学生自拟项目3种类型,给不同层次学生充分发挥创新能力的空间。从整体实施效果来看,通过实施课程的项目化管理,能够更大限度地发挥学生学习的主动性,有效加深了学生对于课程理论知识的理解。

(1) 在可行性报告完成阶段,主要培养学生理解问题的能力。通过文献查阅,深入分析项目执行过程中可能存在的问题,锻炼学生独立思考的能力,同时通过团队内部的讨论,培养学生的协作能力。

(2) 在方案设计阶段,主要培养学生逻辑思考和文档管理能力。在进行项目方案设计的过程中,学生需要自主学习课外知识解决软硬件设计中遇到的问题,并以项目说明书为载体,将方案设计阶段遇到的问题及解决方案进行详细说明。

(3) 在详细设计和系统测试阶段,以学生为主体完成项目的实施,主要培养学生创新和实践动手能力。在完成工程项目过程中,针对同一对象或问题,可以采用多种方法解决,学生可以充分发挥主观能动性,在脱离教师的指导下独立进行关键问题的处理,能够更加有效地锻炼学生独立思考和创新的能力。

(4) 项目验收和答辩阶段,主要培养学生的应变和语言表达能力。在做好系统设计和软硬件制作的基础上,与客户(教师)进行有效沟通,解答客户存在的疑惑和问题,能够进一步提升学生对于项目实施的理解。

另外,对于具有创新思维和实践动手能力较强的学生,在完成课程学习的同时,能够以参加学科竞赛的方式提前参与更高层次的学习和科研活动,从一定程度上为科研工作持续开展培养了后备人才。

5　结语

利用CDIO项目式教育理念进行了虚拟仪器课程的教学实践改革,以项目实施为主线,充分发挥教师为主导、学生为主体的教学理念,通过小团队的形式,在深入掌握课程知识点的基础上,通过项目实践,激发学生自主学习的兴趣,提升了学生独立分析问题、动手实践、创新设计等方面的能力,并以项目化管理方式培养了学生沟通表达、团队协作等现代工程设计人员必备的人才素养。

References)

[1] 秦树人.虚拟仪器:测试仪器从硬件到软件[J].振动.测试与诊断,2000,20(1):1-6,68.

[2] 赵弘,赵毅鑫.基于虚拟仪器的工业CT无线自动加载测试系统[J].仪器仪表学报,2012,33(8):1753-1757.

[3] 李振豪,李琳,肖君.虚拟仪器课程教学方法的改革与实践[J].现代科学仪器,2012 (5):139-141.

[4] 全晓莉,周南权.基于虚拟仪器技术的数字电路实验系统研究[J].实验技术与管理,2014,31(4):96-98.

[5] 王超,李可,杜奔新.虚拟仪器技术在实验室的应用研究[J].实验技术与管理,2013,30(12):105-107.

[6] Wei Zhan,Jay R Porter,Joseph A Morgan.Experimental learning of digital communication using LabVIEW[J]. IEEE Transactions on Education,2014,57(1):34-41.

[7] Miladin Stefanovic,Vladimir Cvijetkovic,Milan Matijevic,et al.A LabVIEW-based remote laboratory experiments for control engineering education[J].Computer and Applications in Engineering Education,2011,19(3):539-549.

[8] 郝丽,赵伟.基于声卡的虚拟仪器教学[J].实验室研究与探索,2014,33(2):80-134.

[9] 喻红,黄弢,王峻峰.基于案例的工程测试技术基础实验教学[J].实验室研究与探索,2008,27(2):104-106.

[10] 祝青园,王书茂,康峰,等.虚拟仪器技术在农业装备测控中的应用[J].仪器仪表学报,29(6):1333-1338.

[11] Wang Weilin,Li Changying,Ernest W Tollner,et al.Development of software for spectral imaging data acquisition using LabVIEW[J]. Computer and Electronics in Agriculture,2012,84(11):68-75.

[12] 雷振山,肖成勇,魏丽,等.LabVIEW高级编程与虚拟仪器工程应用[M].修订版.北京:中国铁道出版社,2014.

Practice on reform of virtual instrument teaching coursebased on CDIO project learning concept

Chen Du,Song Zhenghe,Wang Shumao,Tan Yu

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083,China)

In order to solve the problem of excessive knowledge points and students’ passive learning habits, the course syllabus is reformed based on CDIO project-based concept with practical training. The developed syllabus aims to encourage the students’ engagement by active learning,collaborative work,problem-based learning to complete all learning aspects including mastery of knowledge,system design and project document preparation. The newly designed course is considered as an efficient and appropriate approach for project-based education.

virtual instrument; CDIO; project based management; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.041

2016-03-14

北京高等学校教育教学改革项目(2014-ms043)

陈度(1981—),男,重庆万州,博士,高级工程师,主要从事机电一体化与测控技术方向的教学和研究工作.

E-mail：tchendu@cau.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)9-0159-04