CDIO教學理念在智能儀器設計課程中的實踐與探索

曹義　張琳　劉億文　張偉

摘 要： 在智能儀器設計課程中引入國際先進的CDIO教學理念和方法，通過構思、設計、實施和運行，讓學生在工程實踐中學習知識，并將所學知識運用到工程項目中，培養學生的學習能力、實踐能力、團隊協作能力等。通過教學方式的改革，提高學生的學習興趣，激發學生的學習動力，從而取得良好的教學效果。

關鍵詞： CDIO教學理念 智能儀器 教學設計

一、引言

智能儀器是傳統儀器儀表與現代電子技術相結合的產物，它具有傳統檢測儀表的基本功能，并且具有對數據的加工能力，如存儲、運算、邏輯判斷、數據傳輸等。生活中常見到的檢測儀表都屬于智能儀器的范疇，它們都是以微處理器為核心的。這門課程知識容量大，實踐性強。通過智能儀器課程的學習，學生能掌握智能儀器設計的一般方法，掌握智儀器設計的總體設計方法，并掌握智能儀器中所包含的基本單元的設計。如何在有限學時內讓學生掌握本門課程知識，對教師是一種挑戰。由于課程實踐性強，可以將工程實例引入到教學過程中，采用國際先進的CDIO教學理念，通過智能儀器的構思、設計、實施和運行，使學生更高效地學習相關知識，提高學習興趣，掌握智能儀器的設計方法。

二、項目構思

智能儀器課程涉及的知識點繁多，包括數據采集、人機對話、數據通信、基本數據處理方法、軟件設計、可靠性和抗干擾、可測性設計等知識點，這些必備知識構成了智能儀器設計必備的知識基礎。采用CDIO教學模式，需要有一個好的構思，通過一個設計實例，能夠盡可能地包含知識點，讓學生在實踐中充分理解知識點的重要性，并能夠在實踐中應用這些知識解決實際問題。

課程以《水溫智能控制器的設計》為實例，構思一個水溫控制項目，開始智能儀器課程的教學。水溫控制在生活中很常見，如電熱水器的水溫控制，燃氣熱水器的水溫控制。在實驗室中經常用到水溫的控制，如化學實驗中的恒溫水浴等。水溫的相對控制精度在±1℃以內。因為要對水溫進行控制，顯然這是一個閉環控制系統，需要對水溫進行檢測、設定、顯示等，并收集溫度數據。控制系統將以微處理器為核心，完成水溫的控制，包括硬件設計和軟件設計。

三、項目設計

項目構思完成以后需要對具體的項目進行設計。在設計過程中，將教材中的知識點融入到設計中。水溫智能控制器的總體設計，包括電源設計、溫度采集設計、加熱器驅動設計、鍵盤設計、顯示設計。

系統采用市電進行供電，加熱器需要交流220V，控制器部分需要直流24V、12V、5V及4.096V電壓。需要對電源管理部分進行設計，將電源部分設計知識融入到設計中。溫度采集部分選用PT100溫度傳感器，設計數據采集電路，將數據采集、基本數據處理方法等相關知識融入到設計中。加熱器驅動部分選用固態繼電器，將可靠性和抗干擾設計融入到設計中。系統需要對實際溫度、設定溫度等信息進行顯示，需要設計顯示部分，顯示部分采用液晶進行顯示，還需要對溫度進行設定，進行鍵盤設計，將人機交互的相關知識融入到設計中。在構思中，收集溫度信息，需要設計通信部分，并將數據通信知識融入到設計中。

課程的進行以設計為主線，可以更好地教授相關知識，激發學生的學習興趣和熱情，有利于課程的教學組織。

四、項目實現

在項目構思和設計完成以后是項目實現。在這個環節中，采用分組的方式進行，將30名學生分為10組，且每組選出一名組長。采用項目任務模塊化的實現方式。系統硬件分為3個部分實現，分別為電源管理部分、溫度信號采集部分、微處理器最小系統與驅動部分，分別由小組內的3位成員實現。系統的軟件部分分為3個部分：溫度信號采集子程序、鍵盤和顯示子程序、溫度控制算法子程序，分別由小組內3位成員完成。最后進行系統的聯合調試，優化溫度采集子程序和溫度控制算法子程序，使系統滿足控制精度的要求。

采用項目小組的形式進行課程組織，培養學生的團隊精神、交流能力和分享的價值觀。整個班級的10個小組之間形成競爭機制，能更好地調動學生學習的積極性和主動性。

在項目實現過程中，會有很多反復，需要教師對項目實現進行指導，盡量讓學生少走彎路，并且準確理解知識點，學會在項目中運用知識。

五、系統的運行

系統實現完成后，優化系統的各項指標，達到預想的要求。由于系統是由工程人員設計的，用戶并不了解應該如何使用和有什么注意事項。在系統的運行部分小組成員完成系統使用說明書。系統說明書包括系統各部分的說明、鍵盤如何進行操作、顯示屏上參數的意義和注意事項等。

最后，對每個小組的作品進行測試，測試的對象相同，檢查溫度控制效果的優劣。組織學生交流，總結在項目完成中的體會和心得，并梳理相關知識。

六、結語

智能儀器設計課程的進行采用CDIO的教學理念，引入工程實例，將所要講授的知識點融入項目構想和實現中，提高學生的學習興趣。組織學生完成項目，在項目的完成中，掌握智能儀器的整體設計和其他各部分知識，在項目進行過程中運用所學知識。筆者在實際教學中，通過對兩個自然班的教學，取得了較為理想的效果，共完成作品18份，其中優秀作品11份，實現了教學目標。通過課程教學的改革，在很大程度上強化了教學效果。