物联网时代下的《仪器仪表课程设计》教学改革实践

黄彩虹 梅小华 周丽春

摘要：文章针对当今物联网时代的高速发展，对我校自动化专业传统课程仪器仪表课程设计在教学中存在的一些问题进行改革实践。以新工科主要理念为指导，将物联网技术引入教学，从教学内容、教学方法、教学模式等方面进行了课程改革的研究与实践，最后给出了教学改革的成果。实践结果表明，该课程改革效果显著，使学生未来可以更好地适应企业的需求。

关键词：新工科;仪器仪表;物联网;教学改革;

中图分类号：TP23;G484     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）15-0116-03

引言

仪器仪表课程设计是高校自动化、电气、测控及相关专业的一门重要课程，它集技术性、工程性和实践性于一体，是一门涉及检测技术、单片机原理、电子技术、自动控制、计算机通信等多门学科的现代综合课程[1]。通过仪器仪表课程设计的实践，学生可以了解电子及微机工程项目的开发过程，还可以掌握智能仪器仪表系统的设计和调试方法，并具有运用基础知识解决问题的能力和素质。

2017年2月教育部发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，吹响了新时代本科教育改革发展的进军号[2]。该通知明确指出，新工科项目的开展与实施应当围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量和新体系进行，而不是简单地围绕传统工科教育专业融合或专业调整[3]。

与此同时，随着互联网和通信技术的发展，将设备融入互联网成为互联网的另一扩展方向——物联网。最初的物联网的概念是由美国提出来的，把所有的物品通过物联网域名相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪等等的一种网络概念。物联网的官方定义是：是基于互联网之上，使不可交流的物体与物体之间进行交流，而产生的过程，称之为物联网（Internet of Things）[4]。在过去的十年中，我们见证了各种设备通过网络连接在一起，各种传感器，温度计，交通、流速传感器以及数据传输。

借助新工科建设和物联网快速发展的契机，我校结合近几年在仪器仪表课程设计指导过程中遇到的一些问题，并结合智能仪器仪表技术、物联网技术飞速发展的特点[5，6]，对该课程进行了改革实践。从教学内容，教学方法，教学模式三方面实施了该课程的教学改革，引导学生培养创新性的工程实践能力、探索学生创新创造潜能，以适应新工科发展的需求。

一、现有模式存在的问题

传统的仪器仪表课程设计，通常是利用8位单片机为核心，结合检测及电子设计、通信技术实现一种智能仪表的构建。在多年的教学实践中，我们发现该课程设计存在着多方面的不足。

（一）教学内容创新性不足

教学内容的创新性不强。虽然每年进行课题的更换，但课题仍以一些传统的工程设计为主，课题的内容较多的属于教材内容的验证，内容陈旧，学生感觉不到学习的动力，容易缺乏主观能动性，不愿意动脑筋思考，更谈不上创新性思维。在教学内容上，以知识学习为主，学生好不容易完成了一个系统，却不知道所完成系统有何用处。特别是对毕业之后的工作有没有指导意义并不了解。

（二）教学方式以教师为主导

在教学方式上，以教师为主导，学生被动学习，学习积极性不高。遇到一些如软件安装，软件开发的基础问题，学生会觉得不好意思请教老师，而最终影响設计进度。

（三）时间紧，任务重

仪器仪表课程设计课时为两周。要求学生针对温度、水位或压力等检测系统设计一个仪表，具体的工作任务包括绘制电路原理图、搭建硬件电路，软件设计和开发，系统调试和优化。无论是硬件还是软件部分、都需要消耗较多的时间，对于大部分学生来说时间紧张，任务繁重。对系统的理解和消化非常有限。

（四）抄袭现象时有发生

由于两周的课程设计时间非常紧张，而且一般都安排在大四开课，学生准备考研的学期，同期可能还有其他课程设计也在开展。在如此紧张的气氛下，一旦开发过程出现调试失败，学生很容易抄袭同学的作业，把几个好学生的设计依葫芦画瓢。我们也曾经采取非常严厉的惩罚措施来遏制抄袭，如一旦发现抄袭，抄袭者和被抄袭者成绩都为不合格。虽然在短期内取得了一些效果，但也很难完全客观判断。同时，从长期来看，惩罚总不是长久之计，也不是我们的初衷。应该从症结入手，寻找真正的解决方法。

二、改革的措施

（一）教学内容创新

传统的仪器仪表课程设计是基于8位的微处理器（MCU）设计一套具有实时检测功能的仪器仪表系统。随着计算机技术和物联网技术的发展，社会对工业现场仪器仪表的功能要求也发生了很大的变化，仪器仪表具有物联网功能已经是一种必然的发展趋势。我们将物联网[7]概念引入《仪器仪表课程设计》，在课程设计中，学生通过自己的实践，可以在物联网云平台或者手机App端、微信端，查看自己制作的仪表上的数据。即提高了学生的学习兴趣，也提升了课程设计的理论和实践的广度和深度，使课程更符合新工科发展的要求。

教学内容上的改革示意图见图1。改革后，我们对设计内容进行了丰富，增加了自由创作的空间，学生可以自主选择在物联网云平台或者手机的App端、微信端进行自己充满创意性的设计。用带有WIFI功能的微处理器代替传统的功能较单一的8位微处理器芯片，可以实现硬件的简化和功能的升级。ESP82266是ESPRESSIF（乐鑫）推出的一款低功耗、高集成度的Wi-Fi芯片[8]，内置32位微型控制器（MCU）、8Mbit Flash存储器。同时，乐鑫官方网站提供了基本的样例程序，可以保证基本程序的框架。学生只需要在固有的程序框架上，增加自己的设计内容，结合我们教学方法和教学模式上的创新，学生完成课程设计的难度下降，但创造性、创新性的能力将得到加强。

（二）教学方法创新

课程设计时间安排大致在两周，在这样短的时间内，如果还要消耗时间进行新的软件开发平台的学习，调试中常见问题的摸索，将大大增加难度，而这其实是可以避免的。传统的教学方式，是教师前期统一进行教授式的授课，中间进行阶段性的授课。然而，由于学生学习的自觉性差别较大、有些学生基础差，进度不能和教师一致，学生在自主实施设计过程中，还是容易出现各种问题。同时，根据人的记忆习惯，一次的讲授或者实践演示，是很难让学生掌握全部知识。

微课的定义是以视频为主要手段，展示教师讲解某个知识点或精练浓缩的教学过程[9]。本次教学改革，教师采用了录屏编辑软件，对课程设计软件开发过程中编译环境的搭建，示例工程的导入和解析、云端的开发步骤等内容进行录制然后分享给学生。学生在课程设计过程中，可以按照视频指导边学边做。视频资源作为一种可以有效呈现教学内容的教学媒体形式，将有助于学生在长达两周的课程设计过程根据自己的进度循序渐进的学习。

另外，根据大学生心理的特点，总存在一些同学不敢当面向老师反映或咨询问题，借助网络的形式，我们创建课程设计讨论群，大家在一个匿名的群里，针对实验现象进行讨论，学生就能大胆地说出遇到的问题，而不会因为遇到问题不能解决而轻易放弃。课程设计改革后的教学方法、教学过程如图2所示。

（三）教学模式创新

传统的教学方式，以教师为主导，学生被动学习，学习积极性不高，遇到问题有时羞于请教，或者直接定义课题难度过高，自己无法完成。

我们将这种传统的教师单独传授的教学模式，改变成分阶段的教学模式。第一阶段，教师师指导班上实践能力较强的同学先完成设计。第二阶段，由事先完成课程设计的同学，当小老师，上台授课，并全程当剩余学生课设的导师，而教师成了辅助导师。这样的教学模式，事先完成课设的同学对系统的开发有了很好的掌握，同时他们的作品让其他同学产生了兴趣也增加了独立完成的自信心。由学生当小老师，上台授课，传授经验，也大大提高了同学们对课题的兴趣及想要创新的动力。

三、改革成效

针对传统仪器仪表课程设计存在的问题，笔者在教学内容、方法、模式上进行了教学改革的探索。通过教学实践，取得了一定的效果。如图4所示，（a）图为学生在根据教师的微视频进行课程设计相关程序烧录的操作。图4（b）、（c）、（d）则是学生通过课程设计，设计出带时间显示的温湿度采集系统，并自行设计出微信小程序、App小程序可以远程监视课程设计数据。实现了课程设计所开发仪器物联网的构建。

结语

实践性教学，是高等院校教学中的重要环节。仪器仪表课程设计课程创新性改革，较大程度地改變了传统的教学模式所存在的问题，教学更贴近于实际社会需求。通过已毕业学生评估反馈的结果，本专业对于该课程设计的改革，使得学生在毕业面试和就业过程中对专业知识的理解有所提升，并在工作岗位中有一定的帮助。

随着新工科建设和工程教育认证工作的推进，随着对“解决复杂工程问题能力”的理解的深入，课程团队将继续改革仪器仪表课程设计，将教学反馈与预定教学目标进行对照，使课程教学始终处于持续改进的状态。

参考文献：

[1]黎钢钊.《智能化仪器仪表原理及应用》模块化教学改革研究与实践[J].科技经济市场.2017，（01）：124-125.

[2]李光明，伏军，马仪，等.新工科背景下课程教学方式改革研究——以内燃机设计课程为例[J].轻工科技，2019，35（04）：160-161.

[3]肖荣辉，王爱景，孔佩伊.新工科建设背景下“三创”教育体系构建与实施[J].教育探索.2019，（02）：69-73.

[4]赵胜利，师宁，李泽萍，周丽.“互联网+”背景下现代物流网络体系构建[J].科技管理研究，2019，39（13）：205-210.

[5]孙柏林，刘哲鸣.人工智能技术在仪器仪表中的发展与应用[J].仪器仪表用户.2017，24（12）：101-105.

[6]胡跃文，冷应祥.我国智能仪器仪表的发展现状及趋势[J].山东工业技术，2016，（15）：131.

[7]刘浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2010.

[8]王旭峰，周建华，董科雨，等.基于ESP8266的远程无线光功率监测仪设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2018，18（01）：70-72.

[9]李金玲.开发微视频对物理课堂教学效率提升的研究[C].2018：47-49.