个性化任务在《测控仪器设计》教学中的应用

吴思进 李伟仙 金超琦

摘要：针对《测控仪器设计》课程教学存在课程知识缺乏有效载体、难以激发学生学习积极性的问题，提出了个性化任务辅助的教学方法。通过设置个性化任务，以特定仪器设备为任务载体，使课程知识在任务载体上得到有机融合，加深学生对理论知识的认识并激发其学习兴趣。

关键词：测控仪器设计；任务驱动；测控技术与仪器

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）23-0093-04

一、引言

《测控仪器设计》是测控技术与仪器专业的核心课程，是体现专业内涵和支撑专业培养体系的重要课程[1]。该课程主要讲授测控仪器的基本设计原则和设计原理，说明现代测控仪器的设计特点和要求。课程的最终目的是使学生具备现代测控仪器设计的基本知识和初步能力，为未来设计科学或工程测控仪器打下基础。该课程的综合性强，既包括精度设计理论，又涉及机械、电子、软件和光学等各方面专业知识，课程内容与专业课程体系中的多数课程存在交叉[2]，因此在教学内容的组织和教学方法的应用方面均存在不小的难度。综合作者教学经历、调研结果和文献结论，可以看出该门课程（或相似课程）的教学目前主要存在理论与实践脱节、课程知识缺乏有效载体、教学方法单一、学生参与度低等一系列问题，问题的详细分析将在本文的第二部分讨论。

针对这些问题的解决，目前已进行了不少有益的尝试，所采用的方法主要包括案例式教学、项目/任务驱动式教学和实践辅助教学三大类。案例教学法以典型仪器或测控系统为例，将抽象的课程知识融入实际例子中，有利于学生理解和掌握。比如，Zhifang Li等人以光学相干层析成像仪为案例，讲解光电仪器的原理和设计[3]；吴冠豪等人将光电仪器分成计量仪器、分析仪器和观测仪器，分别以干涉仪、光谱仪和显微镜作为这三类仪器的代表，进行案例式教学[4]；李贝贝等人将案例式教学法与专题教学法结合起来，以摆脱课程知识体系整体性对传统案例教学的限制[5]；孟宪慧等人同样采用了专题式的教学方法，以毕设课题和科研课题作为案例进行讲解，增强教学效果[6]；张宏杰等人以案例为基础，同时在课堂、试验、实践等各个环节设计研讨主题，提高学生的参与度[7]。案例式教学能够将抽象理论具体化，有助于加强学生对知识内容的理解；且合适的案例有助于引起学生的学习兴趣，增强课堂教学效果。然而案例式教学也存在知识体系凌乱、个别案例难以概括所有知识点的缺陷，容易造成教学内容不够系统、学生认知不够深入等问题。项目/任务驱动式教学法以某个项目为主线，将相关知识点融入项目的各个环节中，在加深学生对课程知识理解的同时锻炼学生的应用能力。项目/任务驱动式教学在多种课程教学中都有应用，在测控仪器课程教学中也有尝试，比如戴金桥等人[8]和蒋彦等人[9]均对此方法进行了实践。总体来说，这种方法能够有效激发学生的学习主动性，但同样存在项目内容难以概括课程内容的不足。而且从以往的实践内容来看，通常项目/任务驱动式教学选用难度较低的项目，这些项目往往难以体现测控仪器精密测量等特点；而较难的项目则容易超出学生甚至教师的能力范围，因此难以实施。实践教学是《测控仪器设计》课程教学常规的组成部分，但受学校经费和教师接触面的限制，该模块教学内容往往比较陈旧，难以适应课程教学的要求，因此郝群等人提出让专业测控仪器展览走入课程的课外实践中，以扩展学生视野，加强理论联系实践，加快知识内容更新[10]。但该模式目前只适用于大城市，多数地方目前并没有专业的测控仪器展览。

本文提出一种基于个性化任务的《测控仪器设计》教学方法，当前主要以院、系、相關重点实验室在用的近百种仪器为载体，通过设置个性化的任务作为作业，将课程知识落实到任务载体上，做到理论联系实际，加深学生对理论知识的理解，激发其学习兴趣。实践证明，实施本方法后，原本所存在的课程教学问题得到很大的改善，学习效果得到提升。

二、课程教学问题分析

当前，多数高校在《测控仪器设计》教学中依然采用以讲授为主的教学模式，在部分知识点结合案例进行讲解，然后设置部分实践环节。这种教学方法效率较高、知识体系清晰，但也存在以下问题。

（一）教学方法单调，学生学习积极性不高

该课程属于测控技术与仪器专业的综合专业课，通常设置在最后一个学年，采用大班授课，修课学生较多。采取的教学方法主要是课堂讲授和课堂讨论；实验课程由于通常涉及昂贵的精密仪器，因此主要采用演示和讲解的方式进行授课，学生动手环节少。这种教学方法效率较高，但是学生的接受度较差，学习积极性不高，尤其在就业和考研的冲击下出现了一定程度的“出工不出力”的现象。而且传统上《测控仪器设计》课程主要以几何量精密测量仪器为背景讲授测控仪器设计的基本方法和特点，在目前学生就业方向多元化的背景下，部分学生兴趣不高、动力不足。

（二）课程知识缺乏有效载体，学生学习效果一般

本课程涉及的知识面非常广，既包括测控仪器设计的基本设计原则和原理，也包括精度理论、机械、电路、软件和光学知识在测控仪器设计中的体现。尽管在课堂教学中采用大量的仪器例子来解释理论知识，但是由于学生对这些仪器的背景知识和原理方法不熟悉，因此难以真正理解和接受所学知识，影响学习的效果。

（三）实验课程内容单一陈旧，理论与实践之间依然有较大的差距

传统上实验课程采用昂贵的几何量精密测量仪器进行演示，覆盖面较窄。另外由于教学经费和教师知识面的限制，通常情况下所用的演示仪器都较为陈旧，无法体现测控仪器最新的发展趋势和特点，因此难以支持理论教学中与时俱进的教学理念，也无法激发学生的学习热情。

（四）实验开设周期较短，无法和理论课程有机结合

由于实验室管理上的难度，通常情况下实验课程集中在某一段时间集中进行，整个教学过程较短。然而理论课程多个知识点需要实验课程的支撑，这些知识点贯穿于理论课程的整个过程，因此，如何设计教学计划以合理安排实验课程的进程成为一个两难的问题，无法使实验课与理论课进行有机的结合。

（五）作业难以支持理论课程的复习，作业抄袭现象严重

本课程的知识点比较广泛和综合，难以通过小作业来进行复习。多数学生主动完成作业的动力不足，完成作业的目的不纯，致使作业流于形式，不能体现作业的价值。作业个性化程度低、雷同程度高。

总之，目前的教学方法陈旧，无法调动学生的学习积极性，也不能进行系统化的知识传授，导致教学效果一般，因此亟需进行教学方法的改革。

三、以个性任务为载体的教学方法

以个性化任务为载体的教学方法属于项目/任务驱动式教学的一种类型，但不同于传统的项目/任务驱动式教学方法采用单一简单的任务，这种方法让学生组成2—4人小组，以本单位在用的仪器作为载体，根据学习进程，进行相应的分析和设计任务。本方法的具体实施步骤如下。

第一步，由学生自由组成2—4人小组，小组成员可以根据每一期作业进行合理分工，并在每一期作业上注明各自的贡献。采用人数较少的小组模式既有助于培养合作精神，也减少了部分学生“抱大腿”的现象。

第二步，根据院、系和重点实验室的资源，同时也可以包括合作单位/部门的资源，选择合适的仪器作为载体，制定仪器目录。需要说明的是，根据所用资源的变化，该目录可动态更新，从而使教学资源能够跟上相关仪器的当前发展水平。

第三步，根据报名顺序，由各小组从目录中选择一种仪器作为载体。需要说明的是，每个小组选择的仪器载体必须不一样，以避免任务雷同。

第四步，设计任务内容。任务内容包括调研、分析和设计等形式。根据教学进程，将相应任务分配给各小组。各小组需基于所选择的任务载体来完成对应的任务。

第五步，对完成的任务进行评价，给每个学生打分。

本方法具有以下显著特点。

（一）能够体现仪器的最新发展水平

当今社会科技发展日新月异，仪器集成众多技术，因此其变化也是迅速的。受限于教师个人精力和经历，传统的案例式教学、实践式教学和项目/任务驱动式教学所采用的资源容易变得陈旧、过时。本方法采用科研实验室在用的仪器，大部分仪器本身属于最新式的仪器类型。另外，仪器目录是动态更新的，保证了所选用的仪器载体能够基本反映同类仪器的最新发展水平。

（二）能够有效利用科研资源

仪器种类繁多，原理各异，授课教师不可能对每一种仪器都非常熟悉。因此，当采用项目/任务驱动式教学模式时，授课教师往往只选择一个或少数几个自己熟悉的项目进行教学，容易导致选择不当或者难以杜绝抄袭现象等。本方法有效利用科研资源，结合学院“开发实验室”政策，让本科生进入实验室，不但可以有效利用实验室的仪器资源，还可以让学生接触该仪器在科研项目中的应用情况，并且可以就相关问题与使用仪器的教师和研究生进行交流，能够使学生获得非常专业的指导，加深其对课程知识的理解。

（三）能够结合学生的个人兴趣

采用传统的案例式教学或项目/任务驱动式教学，由于所采用的仪器资源往往比较单一，通常不能符合大部分学生的个人兴趣，导致教学效果大打折扣。本方法采用个性化的仪器载体和任务，提供充足的仪器种类来让学生自由选择感兴趣的仪器，激发其学习兴趣，保障教学效果。

（四）个性化任务能够避免抄袭

本方法采用个性化任务，各小组仪器载体各不相同，任务也存在差异，因此无法相互抄袭。且任务内容与课程知识点密切相关，学生也无法从网上抄袭。在实施过程中，尽量避免相邻两届采用相同的仪器载体和任务内容，很大程度上可以防止学生抄袭上届学生报告。因此本方法天然上具有避免抄袭的属性。

（五）有利于客观评价学生的学习情况

由于任务内容與课程内容相关性高，且很大程度上考查了学生对课程知识的理解和掌握，因此，基于所布置任务的报告将能够比较客观地反映学生的学习情况。当采用本方法进行授课时，可以将学生的任务报告作为主要的评价材料，另外结合考试等其他评价方式，客观有效地评价学生的学习情况。

四、实践和效果讨论

目前该方法已经过两轮课程的实践。总的来说，效果良好。

在第一轮教学中，共有91名学生修课，自由组成30组。根据院、系、重点实验室等资源，拟出了一个包含84台科研用的仪器目录，供学生选择。不同组不能选择同一种仪器，且先组队的小组具有优先选择权。从选择的结果可以看出，学生们偏好一些传统的、大众的仪器，比如，前面几组分别选择了圆度仪、自准直仪、万能工具显微镜和双频激光测长仪等。通过与学生的交流了解到，对于一些专业的仪器，尤其是一些进口仪器，学生难以通过网络和图书馆检索到足够的信息，在任务开始前对其缺乏了解，因此影响他们的选择。确定每一组的任务载体后，即根据教学进程安排相应的任务，这些任务包括调研、分析、设计等。比如，调研所选仪器的基本工作原理和典型应用等，寻找误差源并进行误差分析，讨论仪器设计原则和原理在所选仪器中如何体现，对仪器某个部件或功能模块进行升级或优化设计等。以上任务均作为课外作业，以报告的形式呈交。从任务的完成程度来看，任务完成率约为75%，未完成的原因既有学生自身的因素，也有考研冲击等因素；从任务完成质量来看，总体情况比较好，可以看出大部分学生既有充分的文献检索，也进行实地了解，甚至实际操作。

在第二轮教学中，共有87名学生修课，共分成29组，仪器目录扩充到93台，但扣除了部分上轮已实施的仪器。考虑到上轮学生在选择时缺乏对仪器的了解，特地增加了对仪器的介绍，因此部分学生可以根据兴趣进行选择。同时对任务进行优化和细化，以更好地支撑课程知识点的教学。从学生的访谈结果来看，多数参与访谈的学生尽管认为任务量偏重，但确实有助于更好地理解课程知识，对仪器特点和仪器设计有更加深刻的认识。

五、结论

本文提出在《测控仪器设计》课程教学中应用个性化任务，目的在于给理论知识提供一个载体，有助于使各知识在任务载体上进行有机结合，加深学生对理论知识的认识的同时激发学生对枯燥理论知识的学习兴趣。而且由于任务载体为能够反映当今科技水平和市场特点的高端仪器，因此还可以培养学生对专业的热爱，有助于培养他们对学科前沿的思考。总体来说，本方法是对传统项目/任务驱动式教学的一种有效改进，是符合《测控仪器设计》课程特点的一种教学方法。

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