基于双重PBL的课程实验教学改革研究

［摘 要］ “测控系统原理及应用”课程是智能测控工程专业本科生的一门专业必修课，该课程作为新兴的智能测控工程专业中的重要组成部分，学习效果对学生后续的专业学习起到至关重要的作用，其中实验教学部分是该课程的重要教学部分。针对学生课业繁重、课时量少、知识点更新快、课外学时有限、实验室有限等现实问题，以问题驱动和项目学习组合的方法为基础，设计合理的实验内容，通过对实验教学改革的深入研究，使得学生可以更好地全面掌握和理解知识，提升学生综合素质，探索符合人才培养要求的教学改革模式。

［关键词］ “测控系统原理及应用”；双重PBL；实验教学改革

［基金项目］ 2022年度黑龙江省教育厅黑龙江高等教育教学改革项目“大规模因材施教理念下辅修专业‘机器学习’课程教学模式创新与实践”（SJGY20220017）；2022年度哈尔滨工业大学研究生课程思政教改项目“《嵌入式智能计算》课程思政教改”（XYSZ2023005）

［作者简介］ 凤 雷（1978—），男，黑龙江哈尔滨人，工学博士，哈尔滨工业大学电子与信息工程学院副教授，主要从事自动测试技术等研究；郑文斌（1984—），男，黑龙江哈尔滨人，工学博士，哈尔滨工业大学电子与信息工程学院工程师（通信作者），主要从事测控系统、嵌入式应用等研究；付 平（1965—），男，黑龙江哈尔滨人，工学博士，哈尔滨工业大学电子与信息工程学院教授，主要从事自动测试技术等研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）15-0045-04 ［收稿日期］ 2023-05-23

引言

教育部发布《关于全面提高高等教育质量的若干意见》，旨在加强高等学校实验教学，提高实验教学质量，推动实验教学与科研创新的融合。而在智能测控工程专业中，“测控系统原理及应用”课程是核心专业课，其重要意义不言而喻，本文将以该课程为例，探讨教学改革在实践课程中的应用，并阐述其背景、意义以及具体的目标和方法。

测控系统相关内容是现代技术领域中的重要组成部分，是现代工业生产、科学研究、信息处理和控制管理等领域中必不可少的重要工具，涉及工业、军事、航空航天等众多领域。在大学教育中，“测控系统原理及应用”课程是培养测控技术专业学生的重要课程之一，涵盖传感器、信号处理、数据采集、控制算法等多个方面的知识。随着社会的不断发展和技术的不断更新，教育领域不断发展与变革，使得教学改革成为培养高素质人才的关键所在。为了更好地满足现代社会对高素质人才的需求，在科技快速进步的时代，教学改革旨在提供更具实践性和创新性的教育模式，以适应学生的需求和社会的发展。现代社会对人才的需求日益多样化和复杂化，传统的教学模式已经无法满足学生全面发展的要求。传统的课堂教学往往偏重于理论知识的传授，缺乏与实际应用的紧密结合。这导致学生在实践操作和创新思维方面的能力相对薄弱。

为了提高实验教学的质量，为国家培养合格的高等教育人才以及复合型的卓越的工程师，本文提出了基于项目学习（Problem-Based Learning， PBL）的实验教学改革思路，以“测控系统原理及应用”课程改革为例，展示改革思路和改革及应用效果，给相关的实验教学教师在后续课程改革及内容设置上提供新的思路。

一、课程实验现状及问题分析

“测控系统原理及应用”课程作为测控系统领域的核心课程，旨在培养学生的测控系统设计和实践能力，以满足社会对测控领域人才的需求。在专业必修课程的建设过程中，“测控系统原理及应用”在课程体系中起到了重要的作用。在教学模式方面，本课程属于理论与实际结合的课程，采用理论与实验相结合的教学模式，但即便如此，在课程教学实施过程中仍存在一些问题，尤其是其中的实验课程，更需要得到广泛的重视和重新建设。传统课程实验的教学模式存在以下问题。

1.传统实验教学内容往往比较陈旧，更新较慢，导致学生兴趣度低，获取的实践知识和能力非常有限，这使得学生在应用所学知识解决实际问题时面临一定困难。

2.缺乏与工程实践的紧密结合。学生对测控系统的实际应用场景和工程实践经验了解有限，虽然操作的是实验内容，但仍然属于纸上谈兵，脱离了实验场景又不具备其拓展性和思考方式。简单举例，学电的学生对于电工相关基础知识竟然无法融会贯通，在学生心目中这是两回事儿，说明这是高等教育的缺失，更是高等教育中实践教学的缺失。

3.学生不会问问题。学生除了被动地接受知识以外，对于问题的敏感性较差，无法提出有效的问题，不知道自己哪里不理解，不清楚如何对目前实验存在的问题进行总结与分析，并且最终提出有效的解决措施，而这也恰恰是教学改革的目的，希望学生可以提高相应的能力。

4.需要进一步培养学生的创新能力和团队合作意识，以适应复杂的工程项目需求，而这些都应该是在本科阶段进一步强化的能力，而不是要等到研究生阶段再去培养。

教学改革的目标是通过将实验教学内容与测控系统领域深度融合，培养学生的实际动手能力、实验设计能力和问题解决能力，以及创新思维和团队合作能力。因此，教学改革的背景和意义在于提供一种更具实践性和应用性的教育模式，促使学生能够在真实的环境中学习和应用知识，培养解决问题和创新的能力。特别是在测控系统领域，通过教学改革，可以有效提高学生的实际动手能力、实验设计能力以及解决实际工程问题的能力。

二、双重PBL的教学模式的提出

PBL是一种以问题为导向的学习方法，旨在培养学生的主动学习、批判性思维和解决问题的能力。学生以小组为单位，每个小组负责研究和解决一个具体的问题或情境。这种学习方法强调学生在面临问题时的自主学习和合作学习，旨在提高学生的学科知识应用能力和解决实际问题的能力［1］。

PBL强调学生通过实际项目的设计、实施和呈现来进行学习。学生根据项目的要求，进行调研、分析、解决问题，并产出实际成果，如报告、展示或产品。这种学习方法促进了学生的主动参与、合作和实践，培养他们的批判性思维、解决问题的能力和团队合作精神［2-3］。

在这两种PBL中，一个针对问题通常是开放性的，需要学生运用已有知识进行自主学习和信息搜索，并通过讨论和合作来解决问题。学生在解决问题的过程中，需要运用多学科知识，收集和分析信息，提出解决方案并进行评估。这种综合性的学习过程有助于学生将理论知识与实践应用相结合，培养他们的综合能力和创新能力。另一个针对项目驱动，学生根据项目的要求，形成小组并共同制定项目目标和计划。他们需要调查研究，收集和分析相关信息，并与团队成员合作解决问题。学生需要运用所学的知识和技能，提出创新的解决方案，并实际实施项目。整个过程中，学生主动学习，教师充当指导者和资源提供者的角色。

相较于传统的教学方法，第一种PBL注重学生的主动学习和问题解决过程。学生在PBL中扮演着更加积极的角色，他们需要自主学习和思考，参与问题的探究和解决。这种学习方式强调学生的参与度和自主性，培养了他们的批判性思维、创新思维、沟通能力和团队合作能力。第二种PBL以项目为驱动，与学生的实际生活和兴趣相关，能够激发学生的学习兴趣和动机，同时鼓励学生在项目中运用多学科知识和技能，培养学科整合和综合应用的能力，而且两种PBL相结合鼓励学生提出问题、分析信息、评估解决方案，培养批判性思维和问题解决能力。最后适合培养团队合作能力，学生在项目中共同努力，合作解决问题，培养团队合作和沟通能力。

两种PBL被广泛应用于教育领域，如果考虑将两种相结合形成双重PBL（Dual PBL，DPBL），特别适用于培养学生的批判性思维、问题解决能力和团队合作精神。它不仅提高了学生的学科知识水平，还培养了学生的自主学习和终身学习的能力，使他们具备面对未知挑战和复杂问题的能力。

总而言之，DPBL是一种通过让学生在实际问题情境中进行自主学习和合作学习，以项目学习为驱动，培养他们的学科知识应用能力、解决问题能力和团队合作能力。这种学习方法不仅提升了学生的学习效果，还培养了他们的综合能力，使他们更好地适应未来的挑战和需求。

三、基于双重PBL理念的现代化混合实践教学方法设计

本文研究了测控系统实验教学中如何运用DPBL教学方法，以增强学生的实践能力和创新意识。通过真实的项目驱动背景作为案例核心，以问题引入后对学生推动为导向，学生可以更好地理解测控系统的应用和社会意义，同时也可以提高他们的批判思维和社会责任感。

通过实验项目的设计和实践，学生可以更好地理解测控系统的原理和应用，培养学生的实际动手能力、实验设计能力和问题解决能力，同时也可以提高他们的团队合作和创新能力。教学改革的方法包括：（1）引入具有挑战性和实际意义的实验设计，让学生在实践中探索测控系统的原理、算法和技术，培养他们的实际操作能力。（2）强调学生的主动参与和团队合作，鼓励学生在实验设计和问题解决中发挥主动性，通过小组合作解决实际工程问题，培养团队合作意识和沟通能力。（3）结合工程实践和案例分析，通过引入真实的工程案例、实际应用场景和具体的问题，使学生能够将所学知识与实际工程问题相结合，带着问题去解决实际项目中的实际困难，增强他们对测控系统的理解和应用能力。（4）关注学生的创新能力培养。鼓励学生在实验设计和项目实施过程中提出新颖的想法和解决方案，培养他们的创新思维和创造力。

在设计中需要注意以下几点：（1）设计问题驱动的项目。项目应当与学生的兴趣和课程内容相关，具有挑战性和实践性，结合实际科研项目。问题应该引发学生的思考和探索欲望，激发他们的学习动机。（2）学生角色。确保学生在项目中扮演主导角色，负责制定项目目标、设计解决方案、分工合作、实施项目并展示成果。（3）跨学科整合。鼓励学生在项目中运用多个学科的知识和技能。（4）学生合作。学生以小组形式合作完成项目，培养团队合作和沟通能力。（5）教师角色。教师扮演导师和指导者的角色，提供持续的反馈和指导。（6）提供支持和资源。确保学生能够获得所需的设备、材料和技术支持。（7）反思和总结。鼓励学生在项目结束后进行反思和总结，评估他们的学习成果和经验。

四、以“基于PXI总线自动测试系统设计”实验为例进行基于双重PBL的试验改革阐述

基于双重PBL的试验改革是一种将项目学习和问题导向的教学模式相结合的方法。

以“基于PXI总线自动测试系统设计”实验为例，我们可以详细阐述这种双重PBL的教学模式的应用和效果。

在这个实验中，学生将被分成多个小组，每个小组构建合适的组织架构，有组长、组员，由组长和组员分工协作，每人负责不同的部分，最终完成设计和构建一个基于PXI总线的自动测试系统的任务。通过项目学习的方式，学生将有机会运用所学的专业课程知识和相关的技能解决实际问题，并培养解决问题和团队合作的能力。

首先，通过项目学习的阶段，学生将在教师指导下设定项目目标、制订项目计划，并进行相关背景知识的学习，完成应用于工业现场即新能源汽车动力电池的测试系统这一实际任务，项目要求学生采用PXI总线设计测试系统。学生将运用所学的测控系统知识、电子技术知识和信号处理技术，设计并搭建自动测试系统的硬件部分。同时，他们还需要编写相应的软件代码，实现测试系统的自动化控制和数据分析功能。

在问题导向的教学模式中，学生将面临一系列与实验相关的问题，例如如何选择合适的测试仪器、如何优化测试算法、如何处理测试数据等。这些问题将激发学生的思考和探索欲望，并促使他们深入理解和运用所学的知识。学生将通过研究和讨论来解决这些问题，发展批判性思维和创新能力。

在项目实验过程中，教师扮演导师和指导者的角色，在项目学习中设定合适的问题，引导学生寻找解决方案，并对学生的进展和成果进行评估和反馈。

通过双重PBL的教学模式，学生在这个实验中不仅能够学习到与PXI总线自动测试系统相关的理论知识和技术应用，还能够培养解决问题、团队合作和创新能力。

综上所述，基于双重PBL的试验改革将项目学习和问题导向的教学模式有机地融合在一起，通过实践中的项目学习和问题导向的学习，学生能够获得更深入的学习体验和综合能力的提升。

结语

综上所述，教学改革在“测控系统原理及应用”课程中的应用具有重要的意义。通过将实践教学与测控系统领域结合，培养学生的实际动手能力、实验设计能力和创新思维，教学改革为培养适应社会需求的高素质测控人才奠定了坚实基础。在实践课程中实施教学改革的经验和成果也可以为其他领域的教育改革提供有益的借鉴。

参考文献

［1］桑晓光，王锦霞，孟皓，等.“碳达峰碳中和”中的无机化学问题探究：PBL教学实践［J］.大学化学，2023，38（3）：75-79.

［2］刘玙佳.基于PBL教学法的产品设计课程实践教学研究：以材料与生产工艺课程为例［J］.现代教育论坛，2022，5（2）：48-50.

［3］刘慧玲，谭定英，陈平平.“PBL+BOPPPS”教学模式在医院信息系统课程教学中的应用［J］.西部素质教育，2023，9（1）：150-153.