機電專業《測控電路》課程教學改革探析

許向榮，于復生，李彥鳳

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南，250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東 濟南，250101）

0 引言

機電專業旨在培養能夠運用機械加工、電子設計、自動控制、檢測傳感、伺服傳動及系統設計等關鍵性技術，從事機電一體化產品的設計、開發等方面工作的高級工程技術人才。機電一體化產品的主要特征就是智能化，因此機電一體化產品的設計離不開測控系統，關鍵是測控電路的設計。因此，《測控電路》課程教學與改革在機電專業本科生的教學培養中起著非常重要的作用。通過測控電路的學習，不僅要使機電專業本科生學會分析機電測控系統中的典型電路，而且能夠運用所學知識進行機電一體化測控系統的設計，從而解決工程應用中的實際問題，為今后從事本專業的技術和研究工作打下堅實的基礎。

目前，很多高校進行了關于《測控電路》課程教學改革的研究。劉得軍等對測控技術及儀器專業本科生的《測控電路》教學方法進行了改革與探索，提出了一些改革措施，如建立課程架構，實現多課程融合等［1］；趙茜針對測控技術及儀器專業本科生的《測控電路》教學改革進行了探討，提出了加強課程建設的必要性及相關措施［2］。黃凱征針對測控技術及儀器專業本科生《測控電路》教學的現狀及存在問題，并結合電子技術教學改革的現狀，提出了一些課程教學的改革方法［3］。張玉萍等提出了測控技術及儀器專業本科生的《測控電路》課程的模塊式教學模式，并探討了《測控電路》課程考核方式的改革思路與措施［4－5］。

由以上來看，現有研究多數基于《測控電路》在測控技術與儀器專業本科生中的教學改革研究，很少有針對其在機電專業本科生中的教學改革研究。機電專業培養目標側重于機電一體化產品的設計開發，以機為主，以電為輔，機電有機結合；而測控技術及儀器專業培養目標側重于精密測控系統的設計開發，以電為主。可以看出機電專業和測控技術與儀器專業的培養目標差異較大，其教學改革的方法也應有所不同。此外，關于教學改革的研究多數沒有應用實例來驗證其改革效果。基于上述原因，文章在研究了《測控電路》在機電專業中課堂教學與實踐教學現狀的基礎上，查找出該課程的課堂教學與實踐教學中存在的主要問題，并分別從教學內容、教學方法和考核方式等方面的改革進行了初步探討，并將其應用到機電專業本科畢業設計實踐環節中，取得了明顯的改革效果。

1 《測控電路》課程教學現狀分析

1.1 課堂教學現狀

由于機電專業與測控技術及儀器專業的培養目標不同，其在專業課程設置中的地位明顯不同，機電專業的《測控電路》課程是選修課，而測控技術及儀器專業的《測控電路》課程是必修課。因而在教學內容的難易程度、應用范圍以及學習方法上都應有所不同。

但是，目前《測控電路》在機電專業的課堂教學中往往采用的還是在測控技術及儀器專業中的教學模式，即只一味地給學生灌輸一些典型測控電路模塊的原理性知識，進行簡單的電路分析，而沒有及時更新教學內容，并將其放在機電一體化系統中來學習。因此，一方面對于機電專業的學生來說該教學內容偏難，做不到及時更新；另一方面也無法使學生形成系統的設計思想，因此使得學生不能利用所學知識去分析、解決和設計實際的機電一體化系統中的測控問題，而且學生普遍反映測控電路復雜、抽象、難理解，極大地打擊了學生學習的興趣和積極性，學習效果不佳，因而很難達到教學目的。

1.2 實踐教學現狀

實踐教學中，通常都采用實驗箱，教師講解原理后由學生進行簡單的插接就完成演示性和驗證性實驗，再加上課時與實驗條件的限制，使得實驗內容偏離實際的機電一體化測控系統，不能從根本上培養學生的創新精神和實踐動手能力，結果往往是有些學生根本不理解實驗的目的，就完成了實驗，教學效果可想而知［6］。

因此，有必要針對現有的教學方法進行改革探索，以加強《測控電路》的課程教學與實踐教學，提高學生的學習興趣，真正培養具有創新思想和動手能力的學生，以適應社會和用人單位的要求。

2 《測控電路》課程教學改革

針對《測控電路》在機電專業課堂教學與實踐教學中存在的問題，文章分別從教學內容、教學方法等方面對《測控電路》課程進行了課堂教學和實踐教學改革探討。

2.1 課堂教學改革

2.1.1 課堂教學內容改革在課程教學內容改革上，應做到以下幾點：（1）篩

教師首先要認真研究教學大綱，以該大綱為依據，并結合機電專業培養要求，對教學內容進行仔細的篩選，盡量選取符合本專業并與工程實際應用結合比較緊密的測控電路進行講解，在有限的課時內，使學生能夠獲得盡可能多的知識。如機電一體化專業的代表性產品是數控機床和機器人，因此在篩選測控電路的教學內容時，要多以數控機床、機器人等機電一體化系統中的典型電路為例進行講授，真正讓學生能夠將理論和實際聯系起來，更好地掌握測控電路的相關知識。

（2）新

隨著計算機技術、微電子技術和集成技術的快速發展，測控電路中所用到的元器件更新換代很快，因此教師不能一成不變地只教授教材中的知識，而要積極引導學生通過圖書館或網絡等途徑去了解微電子技術發展中的新動態和新產品，并對教學內容進行更新，及時添加新知識、新技術，做到“常流常新”。例如在《測控電路》第六章中講到信號轉換電路的A／D轉換電路時，除了講授典型的A／D轉換器（逐次逼近式、雙積分式及并行比較式）之外，應該引導學生課下去查閱新型的A／D轉換器，學生經過查閱相關資料，獲得了兩種新型的A／D轉換器：流水線型和Σ－Δ型A／D轉換器，并對其特點、原理及應用進行了學習，既鍛煉了學生查閱文獻的能力，又開闊了學生的視野，增長了知識。

（3）通

要注意知識的融會貫通。雖然測控電路是測控系統的核心，但是，離開了傳感器，單片機控制等，測控電路就無從談起，無法真正地實現測量與控制。因此在進行測控電路教學內容的安排時，要充分考慮課程知識的融會貫通，盡量選擇一個系統來進行教學，例如當講到參數獨立可調的PID控制電路時，一般會以溫度測控系統為例來進行講解（如圖1所示）。該系統首先要對溫度傳感器及其接口電路進行選擇設計，同時還涉及到《傳感器技術》課程的相關內容，然后要對傳感器輸出的微弱信號進行放大、濾波及PID調節，同時還涉及到《測控電路》課程的相關內容，因此，從溫度傳感器到信號的放大、濾波、PID調節等環節逐步進行講解，既可讓學生做到了溫故而知新，對學過的知識有了一定的鞏固，又可使學生體會到以前所學課程的意義，增強了學習的成就感。

2.1.2 課程教學方法改革

在課程教學方法改革上，要做到以下幾點：

（1）采用“啟發式研究性教學”方法

采用啟發式教學方法引導學生自己去探索研究發現學習方法，如測控電路的分析多數是以運算放大器為基礎的應用電路，因此對這類電路的分析，通常采用“虛短、虛斷、基爾霍夫定律”這三個概念，一般將這三個概念統稱為分析測控電路的“三板斧”。只要用好這三板斧，幾乎所有的集成運算放大器組成的測控電路的分析都可以迎刃而解（如圖2所示）。因此，在開始講授典型測控電路之前，首先要引導學生自己去歸納總結出該學習方法。

圖2 分析測控電路三板斧圖

（2）要基于CDIO理念，變“填鴨式教學法”為“項目驅動教學法”［7－8］

項目驅動教學法是在課程開始時，就布置貫穿整門課程的實際項目，然后以項目為主線，逐步學習其中的典型測控電路，直到最后設計出測控系統。以測控系統的設計為例，在講解其自上而下的系統設計方法時，如果單純地講解“總體方案的設計—具體單元的設計—具體元件的設計”三個步驟，會比較枯燥、抽象，難懂。如果結合實例進行講解就會使整個方法變得生動有趣。一般以典型的溫度測控系統為例，在總體設計方案階段，首先要弄清被測量和控制量、系統性能、精度、功能、開發周期及成本等要求，然后將該溫度測控系統劃分為若干個功能電路，設計好每個功能電路后，再進行具體元件的設計。在此過程中，教師只起引導的作用，由學生作為主體來進行，充分發揮學生的主觀能動性，積極地探索、思考與研究，激發他們的求知欲，從而提高他們的創新實踐能力。同時可以結合電路仿真軟件，如Proteus、Multisim等，做到邊學習邊仿真，以加深學生的知識理解，提高學生的設計興趣，增加學生設計測控電路的自信心［9－12］。

2.2 實踐教學改革

《測控電路》的教學目標要求“教、學、做”三統一，因此需要大量的動手實踐來支撐理論教學的效果。但是，隨著課程學時的壓縮，如果能夠在有限的資源和學時內保證學生的高效學習，需要任課教師進行深入的探討與實踐。

2.2.1 實踐教學內容改革

在實踐教學內容改革上，應做到以下幾點：

（1）加大多層次化實踐體系中設計性實驗內容的比重

多層次化實踐體系一般可分成演示性實驗、操作性實驗以及設計性實驗三個層次［13］。演示性實驗和操作性實驗主要幫助學生加深對測控電路原理的知識理解，通過改變某些關鍵元件的參數，觀察示波器輸出波形的變化，使學生加深理解如何合理選擇電路的參數；設計性實驗主要培養學生的實際動手能力和創新意識，一般由教師給學生提供一些簡單實用的設計題目，或者由學生通過圖書館或網絡等多種途徑，進行文獻資料的查閱后自擬題目，完成相應的設計。因此，在安排好演示性實驗和操作性實驗的基礎上，盡可能增加設計性實驗的比例，使學生真正能夠掌握從設計、仿真、制板、焊接、調試的全過程，從而增加學生的學習興趣，加深對知識的理解，拓寬其知識面，進而提高課程教學效率和效果。

（2）在課程設計或綜合實踐周中，搭建機電專業單片機傳感器測控創新實踐平臺

該平臺以傳感器技術、單片機原理及應用、測控電路等課程知識為基礎進行機電測控系統的整體設計，包括從任務的提出，技術要求的撰寫，總體方案的設計選擇，可行性分析等各個環節，使學生真正成為學習的主體，真正培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

2.2.2 實踐教學方法改革

在實踐教學方法改革上，應做到以下幾點：

（1）要軟件仿真和硬件電路相結合，以實驗電路為主，軟件仿真為輔

傳統的實踐教學模式是學生先抄寫預習報告，然后到實驗現場學習實驗任務，搭建實驗電路，但是由于學生積極性不高，往往不預習就去現場做實驗，因此往往搞不清需要什么樣的實驗結果；再加上實驗設備和耗材昂貴，所以有相當一部分實驗項目是只能進行理論學習，無法進行實際開設，因此在很大程度上扼殺了學生的學習興趣和創造能力。因此，在實驗經費有限的情況下，為了保證正常的實驗教學進度，便于學生設計和降低實驗成本，一方面可以利用小型實驗面包板引導學生進行實驗電路中元器件的拼插接設計；另一方面也可以利用諸如Proteus、Multism等電子仿真軟件，由學生在計算機上進行仿真、調試［14－15］，化難為易，變抽象為具體，最后達到設計要求。這種教學模式既可提高學生設計電路的信心和創新能力，讓他們體會到了親手搭建電路的快樂；同時，也可減輕高校的實驗投入。但是需要注意的是軟件仿真畢竟不是真實的硬件儀器儀表，在真實性方面往往會有些偏離，不能完全替代傳統的實驗手段，因此只能輔助實驗電路的教學。

（2）通過其它教學環節鼓勵學生進行實際測控系統的電路設計、仿真、調試與制作

由于《測控電路》的知識很抽象，難以理解。因此，在教學經費允許的情況下，在其它教學環節（如課程設計、畢業設計或電子大賽等）中，鼓勵學生進行實際測控系統的電路設計，仿真，制作與調試，從而激發學生學習的積極性，提高實踐教學效果，讓學生真正從理論中走向實踐。

3 《測控電路》教學改革的成效

為了探索《測控電路》在機電專業中課程教學改革的效果，將該教學改革方法應用到機電專業本科生畢業設計教學環節中，通過布置具體的設計任務，由學生作為主體發現問題，然后獲取信息、分析問題、制定方案，最后實施方案、解決問題。圖3為仿人表情機器人頭部系統電機驅動電路原理圖，是學生針對仿人表情機器人頭部系統動作設計開發的控制電路。在該設計過程中，由于表情機器人頭部系統的表情動作主要由直流電機或步進電機帶動各機構運動來完成的，因此學生在經過查閱相關文獻資料之后，針對該表情機器人頭部系統的各個表情動作分別進行了分析，設計了電機控制驅動電路模塊，完成了從設計、仿真到制作調試的整個環節，最終完成了該表情機器人測控電路的設計。經過這一系列的實踐，從根本上轉變了學生的學習態度，大大調動了學生的學習興趣，加深了對《測控電路》課程教學內容的理解，培養了其分析解決實際工程項目問題的能力。通過課程教學改革實踐，發現該課程教學改革效果明顯。

圖3 仿人表情機器人電機驅動電路原理圖

4 結語

《測控電路》教學與實踐改革的目的是真正培養具有創新精神和實踐能力的高素質學生，以更好地服務社會。作為大學教師，要不斷探索嘗試新的教學方法和手段，利用先進的教育教學理念CDIO武裝頭腦，綜合課程與實踐中出現的諸多問題，要勇于改革與創新，真正通過深化課程教學和實踐教學改革，并將該教學改革方法應用到機電專業本科生畢業設計教學環節中，取得了明顯的改革效果。從根本上轉變了學生的學習態度，大大調動了學生的學習興趣，加深了對《測控電路》課程教學內容的理解，培養了其分析解決實際工程項目問題的能力。

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［5］張玉萍，郭云翔.《測控電路》課程考試方式改革之探討［J］.黑龍江科技信息，2013（36）：110.

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