“自動檢測技術”課程實驗教學改革探索

董愛華，左 鋒，韓 芳

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

一、 “自動檢測技術”課程概況

“自動檢測技術”是我校(東華大學)信息科學與技術學院的一門實踐技能較強的綜合應用和自動化專業特色課程。該課程的教學手段主要是基于多媒體的課堂理論教學，課內實驗環節也多局限于對傳感器原理的認證實驗，不能適應當今培養學生創新能力的要求。為此我們對該課程教學進行改革探索，構建科學的課程考核體系，以提高教育教學質量，培養滿足社會發展需要的應用型復合人才[1]。研究表明，設計提高型實驗可以改變以教師為中心的傳統的灌輸式教學模式，代以“學生為主體，教師為主導”的教學模式[2-3]。

因此，我們在課程教學實踐中著力于構建學生基本技能層培養體系，提高學生的綜合應用能力與初步設計能力，為培養學生的工程實踐與創新能力奠定基礎[4]。在教學方法和手段的改進上，著眼于鍛煉學生的動手實驗能力和自學能力，設計了多層次實驗教學方案；并通過建立一套課程綜合考核方式，在培養學生創新能力的同時，鍛煉學生的溝通和表達能力，培養團隊合作精神。

二、 “自動檢測技術”課程教學改革實踐

1. 開發基于虛擬儀器的自動檢測分層實驗系統

虛擬儀器是電子技術、計算機技術和信號處理技術發展的一個綜合性產物，成為未來電子測量儀器發展的主要方向之一[5-6]。為在“自動檢測技術”課程教學中緊緊跟上檢測技術的新發展，我們將虛擬儀器技術內容編入《自動檢測與虛擬儀器技術》教材，該教材由科學出版社于2018年出版。在“自動檢測技術”課程教學中增加虛擬儀器技術的原理及應用，可以使學生接觸到檢測的最新技術，為學生專業素養的提高奠定基礎。

為配合課程教學，我們在“自動檢測技術”課程實驗教學中對現有的實驗器材和軟硬件資源進行整合，開發了創新設計型實驗項目。在實驗設計中，增加基于虛擬儀器的綜合實驗內容，通過多層次分類實驗培養學生的自我學習能力、綜合設計能力和小組協作能力。根據“自動檢測技術”課程的特點，將實驗項目設計成A、B、C三類。

(1)A類為驗證型基礎實驗項目。這類實驗設計的目的是為了體現理論性。通過實驗加深學生對理論知識的理解，強化傳感器及其測量電路的理論學習以及測量信號采集和處理。主要包括基于浙江求是科教設備有限公司的檢測裝置平臺完成應變片及電橋測量電路、熱電偶測溫和霍爾傳感器三個實驗。

(2)B類為虛擬仿真實驗項目。這部分實驗設計的目的是為了培養學生的自學能力和LabVIEW編程能力。內容以虛擬儀器技術的基礎實驗為主，包括計算器及數組、定時及圖形、公式節點、設計示波器用以展示一個二階慣性環節等。實驗步驟結合實驗指導書及網站視頻，由學生分小組利用課余時間在LabVIEW軟件平臺上完成編程設計。我們在B類實驗指導書中提出一些開放性問題，鼓勵學生應用課內外多學科知識解決問題，如計算器實驗中如何解決四則運算和科學計算的運算順序和中間運算結果的保存，二階慣性問題中離散化方法和保持器的設計等。在B類實驗的討論課上，我們安排了課堂演示部分，學生將實驗內容制作成PPT，在課堂上介紹編程思路，演示實驗結果。

(3)C類為設計提高型實驗項目。這部分實驗是根據生產實踐中遇到的問題或理論課中提出的課題確定實驗任務的要求及各項性能指標，此類實驗設計的目的是為了培養學生的工程實踐能力，引導學生自主設計實驗內容和過程，解決工程實際中的檢測問題，提供理論與實踐相結合的機會。實驗內容包括基于LabVIEW的靜態信號測量、應變片及信號處理實驗，基于LabVIEW的動態信號測量、光電傳感器測速實驗。

以光電傳感器測速實驗為例，我們設計了基于LabVIEW的轉速測量實驗，要求學生設計VI，通過DAQ設備采集光纖傳感器的周期性電壓信號，通過信號處理分析顯示被測的轉速，用圖形及數據記錄和顯示周期信號的波峰值與轉速變化的關系，為測量系統性能分析提供依據。學生需自行設計實驗方案，確定實驗任務的要求，在檢測裝置平臺上連接檢測對象，并在LabVIEW軟件平臺上編程設計，利用計算機設計用戶界面，實現傳感器系統的信號測量、圖表顯示、結果存儲、數據查詢、性能分析功能，完成系統測量誤差分析和數據的線性擬合等環節，得出實驗結論。實驗完成后，小組對實驗結果和步驟進行演示匯報，對測量結果進行分析，教師對每組學生的匯報進行當場提問和講評。

2. 改進課程考核方式

為培養具有高素質的專業技術人才，制定科學的評價標準，適應應用型和創新型教學的要求，鍛煉學生的自學能力、溝通表達能力和團隊合作精神，結合多層次實驗教學模式，建立了一套“自動檢測技術”課程綜合能力評價體系，如表1所示。

表1 “自動檢測技術”課程綜合能力評價體系

在課程教學改革之前，學生的課程總評成績中期末成績占70%，平時成績的依據是課程作業/實驗報告，占30%，缺乏過程監督。改革后，期末考試成績比例降至60%，實驗成績比例增至35%。因為在分組設計B類和C類實驗過程中要分工合作，進行課題分析、軟件設計、系統整合、報告撰寫、演示匯報等多個環節的任務，所以，每名學生的實驗成績既包括設計方案的合理性、實驗結果及數據分析的正確性，也包含演示匯報的清晰明了和小組合作的默契程度，展示作品的基本理論內容、完成的技術難度和創新點等。答辯過程中，學生的表達能力、總結能力以及現場反應能力等都得到提升，提高了學生的綜合素質。

三、 教學改革成效

基于多層次實驗教學的課程綜合評價教學法在“自動檢測技術”課程中的應用，有效地解決了理論教學與實踐教學脫節的問題。相比課堂上照本宣科的理論講解，學生對于編程類設計問題更感興趣。為此，我們在此次課程教改中設計了多種途徑，以發揮學生的學習主動性。首先，部分實驗內容是在課程網站經過視頻學習后課外完成，并在討論課中完成匯報講演，學生的學習由被動轉為主動；其次，對于虛擬儀器綜合設計型實驗，學生自主完成設計方案，在對測量系統的軟硬件都深入理解后，通過系統組態和軟件編程，最后順利完成任務。因此，可以鍛煉學生的綜合設計能力和編程能力，進而為解決復雜工程問題奠定基礎。

通過教學改革，學生提高了“自動檢測技術”課程的學習興趣和動力，促進了理論知識的理解與掌握，其結果反映在期終考試成績中。實施多層次實驗教學法的試驗班級的優秀和良好率達到60%以上，及格率超過歷年年級平均及格率近10個百分點。在設計和答辯過程中，學生的動手能力、創新能力都明顯提高。