基于CDIO項目式理念的虛擬儀器課程教學改革

陳　度, 宋正河, 王書茂, 譚　彧

(中國農業大學 工學院, 北京　100083)

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基于CDIO項目式理念的虛擬儀器課程教學改革

陳度, 宋正河, 王書茂, 譚彧

(中國農業大學 工學院, 北京100083)

為了解決傳統教學中知識點多、理論較為抽象、學生被動理解等問題,通過增加實踐訓練環節,以CDIO項目式理念進行課程教學和課程設計體系設計,充分發揮學生在學習過程中的主觀能動性。同時,通過知識點與實驗內容相關性設計和項目化管理,使學生能夠在項目實施過程中完成關鍵知識點理解、實驗內容深入掌握、工程系統設計開發、項目文檔撰寫與管理等教學與實踐環節,充分地實現理論知識與實踐活動相結合,提高學生的學習興趣和實際分析解決問題的能力。

虛擬儀器； CDIO； 項目式管理； 實踐教學

虛擬儀器是利用高性能模塊化硬件,結合高效靈活軟件進行各類測試、測量和自動化應用的新興技術[1]。近年來,虛擬儀器技術已經廣泛應用于工業生產的設計、生產和使用等各個環節[2]。同時,虛擬儀器作為一項新興技術,也極大地影響著傳統的高校科研和教育工作[3]。在國外,虛擬儀器已經廣泛應用于不同專業的實踐教學工作[4-5]。美國德州A&M大學為加強儀器儀表類專業學生對數字通信原理的理解,將虛擬儀器引入測控儀器設計實驗課程,通過項目式體驗學習,加深學生對數據采集、總線通信和閉關控制等知識點的理解,取得了良好的效果[6]。克拉古耶瓦茨大學通過建立網絡化虛擬儀器實驗室進行控制原理課程演示實驗環節的教學工作,有效解決了教學資源緊張的問題[7]。在國內,清華大學郝麗等利用計算機聲卡,設計了基于聲音模擬信號采集的實踐訓練環節,有效提高了學生的學習積極性[8]。華中科技大學喻紅等以實際工程案例為主導,以虛擬儀器為載體,開展工程測試基礎實驗教學,取得了良好的效果[9]。同時,虛擬儀器作為高校和科研機構開展科研活動的重要手段之一,其在科研活動中取得的一些實踐成果,也經常作為經典案例用于教學活動,對于學生學習方式和能力的培養起到了很大的促進作用[10-11]。

1　基于項目管理的教學體系

1.1教學大綱調整

虛擬儀器課程及課程設計是本科生在完成數字電子技術、模擬電子技術、工程測試技術等專業基礎課程學習后,進行綜合實踐能力培養實踐教學培養環節,需要在關鍵知識點理解、實驗內容深入掌握、工程系統設計開發等方面對學生的綜合實踐能力進行全面提升。以前的教學大綱中,虛擬儀器設計作為以講授和演示為主的課程,缺乏相應的實踐環節與之對應,存在重理論講授、輕動手實踐的現象,與需要在項目中培養學生綜合實踐能力的觀念存在較大的偏差。為提升機電專業測控技術與儀器方向學生的創新實踐能力,在原有虛擬儀器設計課程基礎上,通過整合調整其他實踐環節學時,增設時長為2周的虛擬儀器課程設計,并以CDIO項目式教學理念,進行了課程知識點與實驗相關性設計、項目化組織與實踐等工作見表1。

表1　新舊大綱對比

考慮學生已經完成電子技術、工程測試技術、微機原理等基礎課程,將原來虛擬儀器課程理論教學中與先修課程有交叉的內容,以上機實驗或項目培訓的方式完成,在沒有縮短重點內容學時的基礎上,加入了項目方案設計、項目分組討論等與完成項目相關的內容,并通過增設課程設計環節,有機地將課堂教學與項目實施相融合。

1.2教學方案設計

新的教學體系在對教學大綱進行調整并增設課程設計環節的基礎上,主要由課程教學、實驗驗證和項目實踐3個部分組成。在課程講授和實驗驗證階段,通過關聯性設計,實現學生利用有限時間完成對理論知識與實驗內容的深入理解。同時,指導教師結合項目實施需要,和學生一起完成需求分析、可行性研究、方案設計等工作。在此環節中,教師和學生存在不同角色的轉換,教師不僅起到指導學生開展實踐活動的作用,還將從使用者的視角對學生設計的方案進行質詢。在進入課程設計階段,將完全以學生為主體,根據課程教學階段設計的方案進行項目各個環節內容的具體實施,并最終通過教師的考核。新的教學方案及任務管理流程如圖1所示。

圖1　教學實施方案及任務管理流程

2　課程知識點與實驗關聯性設計

虛擬儀器課程是工程測試技術、計算機測控原理等課程的延伸,在傳統教學過程中需要圍繞虛擬儀器硬件技術、軟件結構、設計規范與編程等幾個方面展開,還需要與之前課程中的信號分析技術、傳感器測量原理、測試信號調理與分析等內容相關聯。在引入項目式管理后,對理論課時進行了壓縮,因此,在實驗環節設計時,充分考慮了實驗內容與課程知識點的關聯性、學生自主學習的靈活性等因素,通過選用美國國家儀器公司的myDAQ教學平臺和miniSystems教學套件,既實現了知識點與實驗環節的匹配,又可以不受時間和空間的限制。設計的實驗環節如圖2所示。學生可以根據自身情況,在充分了解實驗內容的基礎上,通過查閱資料分析、理解,自主開展實驗并撰寫實驗報告,解決了傳統實驗受時間和空間限制的問題。

(1) myTemp與傳感器測量。myTemp是用于溫度傳感和過程控制的微實驗系統,通過完成本實驗,學習熱敏電阻作為溫度傳感測量的基本原理,加深對模擬采樣基礎概念的理解,并掌握利用數據采集卡進行數據采集和分析的基本方法,為進行溫度過程控制提供技術手段。

(2) myQuake與信號時頻域分析。myQuake是用于加速度信號測量和分析的微實驗系統,學生可以利用該系統進行加速度計信號的采集和分析,通過調節偏心電機的轉速達到控制結構振動強度的目的。在該過程中,學生可以學習并掌握加速度時域信號的處理和分析,掌握傅里葉變換、數字濾波等常見信號處理分析的應用。

(3) myVTOL與測控系統設計。myVTOL是用于測量與控制原理教學的微實驗系統,內含控制懸停的直流風扇,學生通過軟件編程,利用霍爾傳感器測量風扇飛行距離,然后通過設計PID控制器實現電機轉速調節,達到控制單自由度裝置上升力大小的目的。通過對該系統的學習,學生可以深入掌握閉環測控系統的基本構成,可以進行簡單控制系統的設計。

圖2　利用myDAQ與微系統組合設計的實驗環節

3　項目環節設計

將項目管理機制引入教學,就需要從時間角度將課程教學和課程設計劃分為若干個階段,每個階段的任務相對獨立,易于控制。每個階段需要有嚴密的計劃,并在階段結束時按照要求進行嚴格的檢查。采用虛擬儀器技術進行工程測控項目的開發,其核心任務是軟件開發[12],因此,在設計項目式教學環節時引入軟件工程學的方法對項目進行管理,有助于提高工作效率,保證項目的完成質量。基于項目的課程管理環節及階段性成果可以分為以下幾個方面:

(1) 任務理解與可行性報告。不同于傳統教學方式,在引入項目式教學理念后,需要學生進行開放思考,對教師提出的課程任務進行仔細分析,并通過查閱文獻資料、分組討論提出可行性方案,并對該項目的需求進行分析,然后結合國內外研究現狀調研結果撰寫可行性報告。

(2) 總體方案與設計說明書。學生將在總體設計說明書、硬件結構設計、軟件結構設計等幾個方面開展工作,應根據系統需求進行傳感器、信號調理設備、數據采集設備、通信設備等的選型或開發,同時,需要對整個系統軟件進行框架設計,明確軟件各功能模塊的主要任務,并采用由頂向下細化的方法,形成軟件的層次結構,在此基礎上,撰寫總體設計說明書,對軟硬件各個部分的功能及技術細節進行詳細描述。

(3) 詳細設計與過程記錄。在完成前期項目調研和設計說明書撰寫后,當學生進入課程設計階段時已經擁有充分的準備時間,可以直接進入硬件制作和軟件開發階段,且教師已經在前期完成了設備材料的購置,節省了項目實施的準備時間。在該環節中,學生不僅需要完成硬件制作與代碼編寫,還需要對項目開發過程中遇到的問題及解決方案進行詳細記錄,為后期項目報告的撰寫提供素材。

(4) 系統測試與項目報告。在完成軟硬件設計后,應進行必要的系統測試,并按在理論課程階段測試系統特性部分的要求,對研制的虛擬儀器測控系統進行測試,在此基礎上撰寫項目執行情況報告,按照學術論文撰寫規范,對系統設計、實驗過程和結果分析進行科學的描述。

(5) 成績評價與項目答辯。在完成所有項目環節后,將以團隊為單位,對項目的實施過程和實施結果進行總結,并制作答辯材料,教師最終通過項目完成情況、文檔材料完整性和答辯效果進行項目考核,并根據團隊成員的表現,對個體進行評分。

4　實踐與效果分析

按照修改后大綱的要求,對我校2012級機械電子工程專業測控技術與儀器方向本科學生進行了項目式培養的教學實踐。根據現有條件和學生的實際情況,將項目任務分為學科競賽項目、教師指定項目和學生自擬項目3種類型,給不同層次學生充分發揮創新能力的空間。從整體實施效果來看,通過實施課程的項目化管理,能夠更大限度地發揮學生學習的主動性,有效加深了學生對于課程理論知識的理解。

(1) 在可行性報告完成階段,主要培養學生理解問題的能力。通過文獻查閱,深入分析項目執行過程中可能存在的問題,鍛煉學生獨立思考的能力,同時通過團隊內部的討論,培養學生的協作能力。

(2) 在方案設計階段,主要培養學生邏輯思考和文檔管理能力。在進行項目方案設計的過程中,學生需要自主學習課外知識解決軟硬件設計中遇到的問題,并以項目說明書為載體,將方案設計階段遇到的問題及解決方案進行詳細說明。

(3) 在詳細設計和系統測試階段,以學生為主體完成項目的實施,主要培養學生創新和實踐動手能力。在完成工程項目過程中,針對同一對象或問題,可以采用多種方法解決,學生可以充分發揮主觀能動性,在脫離教師的指導下獨立進行關鍵問題的處理,能夠更加有效地鍛煉學生獨立思考和創新的能力。

(4) 項目驗收和答辯階段,主要培養學生的應變和語言表達能力。在做好系統設計和軟硬件制作的基礎上,與客戶(教師)進行有效溝通,解答客戶存在的疑惑和問題,能夠進一步提升學生對于項目實施的理解。

另外,對于具有創新思維和實踐動手能力較強的學生,在完成課程學習的同時,能夠以參加學科競賽的方式提前參與更高層次的學習和科研活動,從一定程度上為科研工作持續開展培養了后備人才。

5　結語

利用CDIO項目式教育理念進行了虛擬儀器課程的教學實踐改革,以項目實施為主線,充分發揮教師為主導、學生為主體的教學理念,通過小團隊的形式,在深入掌握課程知識點的基礎上,通過項目實踐,激發學生自主學習的興趣,提升了學生獨立分析問題、動手實踐、創新設計等方面的能力,并以項目化管理方式培養了學生溝通表達、團隊協作等現代工程設計人員必備的人才素養。

References)

[1] 秦樹人.虛擬儀器:測試儀器從硬件到軟件[J].振動.測試與診斷,2000,20(1):1-6,68.

[2] 趙弘,趙毅鑫.基于虛擬儀器的工業CT無線自動加載測試系統[J].儀器儀表學報,2012,33(8):1753-1757.

[3] 李振豪,李琳,肖君.虛擬儀器課程教學方法的改革與實踐[J].現代科學儀器,2012 (5):139-141.

[4] 全曉莉,周南權.基于虛擬儀器技術的數字電路實驗系統研究[J].實驗技術與管理,2014,31(4):96-98.

[5] 王超,李可,杜奔新.虛擬儀器技術在實驗室的應用研究[J].實驗技術與管理,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] 郝麗,趙偉.基于聲卡的虛擬儀器教學[J].實驗室研究與探索,2014,33(2):80-134.

[9] 喻紅,黃弢,王峻峰.基于案例的工程測試技術基礎實驗教學[J].實驗室研究與探索,2008,27(2):104-106.

[10] 祝青園,王書茂,康峰,等.虛擬儀器技術在農業裝備測控中的應用[J].儀器儀表學報,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,魏麗,等.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用[M].修訂版.北京:中國鐵道出版社,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

北京高等學校教育教學改革項目(2014-ms043)

陳度(1981—),男,重慶萬州,博士,高級工程師,主要從事機電一體化與測控技術方向的教學和研究工作.

E-mail：tchendu@cau.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)9-0159-04