個性化任務在《測控儀器設計》教學中的應用

吳思進 李偉仙 金超琦

摘要：針對《測控儀器設計》課程教學存在課程知識缺乏有效載體、難以激發學生學習積極性的問題，提出了個性化任務輔助的教學方法。通過設置個性化任務，以特定儀器設備為任務載體，使課程知識在任務載體上得到有機融合，加深學生對理論知識的認識并激發其學習興趣。

關鍵詞：測控儀器設計；任務驅動；測控技術與儀器

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）23-0093-04

一、引言

《測控儀器設計》是測控技術與儀器專業的核心課程，是體現專業內涵和支撐專業培養體系的重要課程[1]。該課程主要講授測控儀器的基本設計原則和設計原理，說明現代測控儀器的設計特點和要求。課程的最終目的是使學生具備現代測控儀器設計的基本知識和初步能力，為未來設計科學或工程測控儀器打下基礎。該課程的綜合性強，既包括精度設計理論，又涉及機械、電子、軟件和光學等各方面專業知識，課程內容與專業課程體系中的多數課程存在交叉[2]，因此在教學內容的組織和教學方法的應用方面均存在不小的難度。綜合作者教學經歷、調研結果和文獻結論，可以看出該門課程（或相似課程）的教學目前主要存在理論與實踐脫節、課程知識缺乏有效載體、教學方法單一、學生參與度低等一系列問題，問題的詳細分析將在本文的第二部分討論。

針對這些問題的解決，目前已進行了不少有益的嘗試，所采用的方法主要包括案例式教學、項目/任務驅動式教學和實踐輔助教學三大類。案例教學法以典型儀器或測控系統為例，將抽象的課程知識融入實際例子中，有利于學生理解和掌握。比如，Zhifang Li等人以光學相干層析成像儀為案例，講解光電儀器的原理和設計[3]；吳冠豪等人將光電儀器分成計量儀器、分析儀器和觀測儀器，分別以干涉儀、光譜儀和顯微鏡作為這三類儀器的代表，進行案例式教學[4]；李貝貝等人將案例式教學法與專題教學法結合起來，以擺脫課程知識體系整體性對傳統案例教學的限制[5]；孟憲慧等人同樣采用了專題式的教學方法，以畢設課題和科研課題作為案例進行講解，增強教學效果[6]；張宏杰等人以案例為基礎，同時在課堂、試驗、實踐等各個環節設計研討主題，提高學生的參與度[7]。案例式教學能夠將抽象理論具體化，有助于加強學生對知識內容的理解；且合適的案例有助于引起學生的學習興趣，增強課堂教學效果。然而案例式教學也存在知識體系凌亂、個別案例難以概括所有知識點的缺陷，容易造成教學內容不夠系統、學生認知不夠深入等問題。項目/任務驅動式教學法以某個項目為主線，將相關知識點融入項目的各個環節中，在加深學生對課程知識理解的同時鍛煉學生的應用能力。項目/任務驅動式教學在多種課程教學中都有應用，在測控儀器課程教學中也有嘗試，比如戴金橋等人[8]和蔣彥等人[9]均對此方法進行了實踐。總體來說，這種方法能夠有效激發學生的學習主動性，但同樣存在項目內容難以概括課程內容的不足。而且從以往的實踐內容來看，通常項目/任務驅動式教學選用難度較低的項目，這些項目往往難以體現測控儀器精密測量等特點；而較難的項目則容易超出學生甚至教師的能力范圍，因此難以實施。實踐教學是《測控儀器設計》課程教學常規的組成部分，但受學校經費和教師接觸面的限制，該模塊教學內容往往比較陳舊，難以適應課程教學的要求，因此郝群等人提出讓專業測控儀器展覽走入課程的課外實踐中，以擴展學生視野，加強理論聯系實踐，加快知識內容更新[10]。但該模式目前只適用于大城市，多數地方目前并沒有專業的測控儀器展覽。

本文提出一種基于個性化任務的《測控儀器設計》教學方法，當前主要以院、系、相關重點實驗室在用的近百種儀器為載體，通過設置個性化的任務作為作業，將課程知識落實到任務載體上，做到理論聯系實際，加深學生對理論知識的理解，激發其學習興趣。實踐證明，實施本方法后，原本所存在的課程教學問題得到很大的改善，學習效果得到提升。

二、課程教學問題分析

當前，多數高校在《測控儀器設計》教學中依然采用以講授為主的教學模式，在部分知識點結合案例進行講解，然后設置部分實踐環節。這種教學方法效率較高、知識體系清晰，但也存在以下問題。

（一）教學方法單調，學生學習積極性不高

該課程屬于測控技術與儀器專業的綜合專業課，通常設置在最后一個學年，采用大班授課，修課學生較多。采取的教學方法主要是課堂講授和課堂討論；實驗課程由于通常涉及昂貴的精密儀器，因此主要采用演示和講解的方式進行授課，學生動手環節少。這種教學方法效率較高，但是學生的接受度較差，學習積極性不高，尤其在就業和考研的沖擊下出現了一定程度的“出工不出力”的現象。而且傳統上《測控儀器設計》課程主要以幾何量精密測量儀器為背景講授測控儀器設計的基本方法和特點，在目前學生就業方向多元化的背景下，部分學生興趣不高、動力不足。

（二）課程知識缺乏有效載體，學生學習效果一般

本課程涉及的知識面非常廣，既包括測控儀器設計的基本設計原則和原理，也包括精度理論、機械、電路、軟件和光學知識在測控儀器設計中的體現。盡管在課堂教學中采用大量的儀器例子來解釋理論知識，但是由于學生對這些儀器的背景知識和原理方法不熟悉，因此難以真正理解和接受所學知識，影響學習的效果。

（三）實驗課程內容單一陳舊，理論與實踐之間依然有較大的差距

傳統上實驗課程采用昂貴的幾何量精密測量儀器進行演示，覆蓋面較窄。另外由于教學經費和教師知識面的限制，通常情況下所用的演示儀器都較為陳舊，無法體現測控儀器最新的發展趨勢和特點，因此難以支持理論教學中與時俱進的教學理念，也無法激發學生的學習熱情。

（四）實驗開設周期較短，無法和理論課程有機結合

由于實驗室管理上的難度，通常情況下實驗課程集中在某一段時間集中進行，整個教學過程較短。然而理論課程多個知識點需要實驗課程的支撐，這些知識點貫穿于理論課程的整個過程，因此，如何設計教學計劃以合理安排實驗課程的進程成為一個兩難的問題，無法使實驗課與理論課進行有機的結合。

（五）作業難以支持理論課程的復習，作業抄襲現象嚴重

本課程的知識點比較廣泛和綜合，難以通過小作業來進行復習。多數學生主動完成作業的動力不足，完成作業的目的不純，致使作業流于形式，不能體現作業的價值。作業個性化程度低、雷同程度高。

總之，目前的教學方法陳舊，無法調動學生的學習積極性，也不能進行系統化的知識傳授，導致教學效果一般，因此亟需進行教學方法的改革。

三、以個性任務為載體的教學方法

以個性化任務為載體的教學方法屬于項目/任務驅動式教學的一種類型，但不同于傳統的項目/任務驅動式教學方法采用單一簡單的任務，這種方法讓學生組成2—4人小組，以本單位在用的儀器作為載體，根據學習進程，進行相應的分析和設計任務。本方法的具體實施步驟如下。

第一步，由學生自由組成2—4人小組，小組成員可以根據每一期作業進行合理分工，并在每一期作業上注明各自的貢獻。采用人數較少的小組模式既有助于培養合作精神，也減少了部分學生“抱大腿”的現象。

第二步，根據院、系和重點實驗室的資源，同時也可以包括合作單位/部門的資源，選擇合適的儀器作為載體，制定儀器目錄。需要說明的是，根據所用資源的變化，該目錄可動態更新，從而使教學資源能夠跟上相關儀器的當前發展水平。

第三步，根據報名順序，由各小組從目錄中選擇一種儀器作為載體。需要說明的是，每個小組選擇的儀器載體必須不一樣，以避免任務雷同。

第四步，設計任務內容。任務內容包括調研、分析和設計等形式。根據教學進程，將相應任務分配給各小組。各小組需基于所選擇的任務載體來完成對應的任務。

第五步，對完成的任務進行評價，給每個學生打分。

本方法具有以下顯著特點。

（一）能夠體現儀器的最新發展水平

當今社會科技發展日新月異，儀器集成眾多技術，因此其變化也是迅速的。受限于教師個人精力和經歷，傳統的案例式教學、實踐式教學和項目/任務驅動式教學所采用的資源容易變得陳舊、過時。本方法采用科研實驗室在用的儀器，大部分儀器本身屬于最新式的儀器類型。另外，儀器目錄是動態更新的，保證了所選用的儀器載體能夠基本反映同類儀器的最新發展水平。

（二）能夠有效利用科研資源

儀器種類繁多，原理各異，授課教師不可能對每一種儀器都非常熟悉。因此，當采用項目/任務驅動式教學模式時，授課教師往往只選擇一個或少數幾個自己熟悉的項目進行教學，容易導致選擇不當或者難以杜絕抄襲現象等。本方法有效利用科研資源，結合學院“開發實驗室”政策，讓本科生進入實驗室，不但可以有效利用實驗室的儀器資源，還可以讓學生接觸該儀器在科研項目中的應用情況，并且可以就相關問題與使用儀器的教師和研究生進行交流，能夠使學生獲得非常專業的指導，加深其對課程知識的理解。

（三）能夠結合學生的個人興趣

采用傳統的案例式教學或項目/任務驅動式教學，由于所采用的儀器資源往往比較單一，通常不能符合大部分學生的個人興趣，導致教學效果大打折扣。本方法采用個性化的儀器載體和任務，提供充足的儀器種類來讓學生自由選擇感興趣的儀器，激發其學習興趣，保障教學效果。

（四）個性化任務能夠避免抄襲

本方法采用個性化任務，各小組儀器載體各不相同，任務也存在差異，因此無法相互抄襲。且任務內容與課程知識點密切相關，學生也無法從網上抄襲。在實施過程中，盡量避免相鄰兩屆采用相同的儀器載體和任務內容，很大程度上可以防止學生抄襲上屆學生報告。因此本方法天然上具有避免抄襲的屬性。

（五）有利于客觀評價學生的學習情況

由于任務內容與課程內容相關性高，且很大程度上考查了學生對課程知識的理解和掌握，因此，基于所布置任務的報告將能夠比較客觀地反映學生的學習情況。當采用本方法進行授課時，可以將學生的任務報告作為主要的評價材料，另外結合考試等其他評價方式，客觀有效地評價學生的學習情況。

四、實踐和效果討論

目前該方法已經過兩輪課程的實踐。總的來說，效果良好。

在第一輪教學中，共有91名學生修課，自由組成30組。根據院、系、重點實驗室等資源，擬出了一個包含84臺科研用的儀器目錄，供學生選擇。不同組不能選擇同一種儀器，且先組隊的小組具有優先選擇權。從選擇的結果可以看出，學生們偏好一些傳統的、大眾的儀器，比如，前面幾組分別選擇了圓度儀、自準直儀、萬能工具顯微鏡和雙頻激光測長儀等。通過與學生的交流了解到，對于一些專業的儀器，尤其是一些進口儀器，學生難以通過網絡和圖書館檢索到足夠的信息，在任務開始前對其缺乏了解，因此影響他們的選擇。確定每一組的任務載體后，即根據教學進程安排相應的任務，這些任務包括調研、分析、設計等。比如，調研所選儀器的基本工作原理和典型應用等，尋找誤差源并進行誤差分析，討論儀器設計原則和原理在所選儀器中如何體現，對儀器某個部件或功能模塊進行升級或優化設計等。以上任務均作為課外作業，以報告的形式呈交。從任務的完成程度來看，任務完成率約為75%，未完成的原因既有學生自身的因素，也有考研沖擊等因素；從任務完成質量來看，總體情況比較好，可以看出大部分學生既有充分的文獻檢索，也進行實地了解，甚至實際操作。

在第二輪教學中，共有87名學生修課，共分成29組，儀器目錄擴充到93臺，但扣除了部分上輪已實施的儀器。考慮到上輪學生在選擇時缺乏對儀器的了解，特地增加了對儀器的介紹，因此部分學生可以根據興趣進行選擇。同時對任務進行優化和細化，以更好地支撐課程知識點的教學。從學生的訪談結果來看，多數參與訪談的學生盡管認為任務量偏重，但確實有助于更好地理解課程知識，對儀器特點和儀器設計有更加深刻的認識。

五、結論

本文提出在《測控儀器設計》課程教學中應用個性化任務，目的在于給理論知識提供一個載體，有助于使各知識在任務載體上進行有機結合，加深學生對理論知識的認識的同時激發學生對枯燥理論知識的學習興趣。而且由于任務載體為能夠反映當今科技水平和市場特點的高端儀器，因此還可以培養學生對專業的熱愛，有助于培養他們對學科前沿的思考。總體來說，本方法是對傳統項目/任務驅動式教學的一種有效改進，是符合《測控儀器設計》課程特點的一種教學方法。

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