測控技術與儀器專業綜合實驗教學改革探索

戎舟 劉瑞蘭

摘 要：綜合實驗是測控專業一門重要的實踐課程。該課程以測控系統為主線，加強各專業課之間的銜接，能夠為后續的課程設計和畢業設計打下必要的基礎。但是由于學生缺乏系統、綜合的概念，軟硬件設計能力不強，要想取得良好的實踐教學效果，必須合理設計課程實驗內容，對教學環節和教學方法進行研究探索和改革，以達到提高學生實踐動手能力、系統綜合能力和解決問題能力的目的。

關鍵詞：綜合實驗;測控專業;教學實踐

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A

文章編號：1673-9132（2019）29-0010-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2019.29.004

對于高校的工科專業來說，實驗教學與理論教學相互影響、相輔相成，對培養學生的實踐動手能力和解決問題能力具有重要的意義。課內實驗針對某一門課程理論教學進行驗證和實踐，加深對理論知識的理解，而綜合實驗須結合多門課程的知識，培養學生發現及提出問題、分析和解決問題的科研能力[1]。近年來，很多高校在專業綜合課程及綜合實驗平臺方面展開了研究和探索[2]-[4]。

專業綜合實驗的目的是使學生通過實驗，在正確理解系統功能的基礎上，完成相應硬件電路的搭建、軟件的設計和實現，在實驗過程中培養實踐動手能力和獨立解決問題的能力。下面結合測控專業課程特色和學生先修課的學習狀況，對課程內容、教學方法和綜合能力培養等方面進行改革探索，以提高教學效果和學生對課程的興趣。

一、實驗內容設計

原來測控技術與儀器專業綜合實驗課程存在內容單一、綜合類實驗偏少、實驗內容與新的專業知識脫節等問題。我們利用測控實驗室現有的數據采集平臺和單片機開發實驗箱等設備，對課程內容進行了改革，共設計了五個實驗：虛擬數字示波器實驗讓學生鞏固和學習數據采集卡的使用，采集實際的信號，在計算機中用LabVIEW設計示波器，顯示多路信號和所測試的參數;RLC參數測試系統實驗要求搭建進行RLC測試的硬件電路，利用數據采集卡產生激勵信號，采集響應信號至計算機進行RLC參數的計算;光強測試系統實驗要求采用I2C總線的光強模塊，由單片機采集信號后傳輸到上位機進行顯示，上位機能對光強模塊進行測試分辨率的設置;煙霧報警系統實驗由學生進行設計，選擇煙霧傳感器、AD轉換芯片和控制器，提前將需求告訴教師，為他們配置硬件模塊和芯片，實驗時搭建硬件電路，在上位機進行結果顯示;直流電機轉速測控實驗可以在數據采集平臺、MYRIO平臺或單片機上進行，相應的元器件也由學生自己設計后提出，最后完成的系統要求采用PID實現控制，學生也可以根據興趣搭建其他的測控系統，自由發揮。

實驗內容包括硬件和軟件部分，實驗過程涉及傳感器技術、電子測量原理、嵌入式系統及應用、數據采集、虛擬儀器技術、自控原理和誤差理論與數據處理等多門專業課程和相應的基礎課程，將這些知識綜合到實驗系統中，使學生在整體系統設計能力方面得到訓練，真正提高設計能力、計算機能力和工程實踐能力。

二、教學方法改革

傳統實驗類課程主要由教師給出實驗指導書，學生按照要求按部就班完成，缺乏對學生自主學習能力、系統設計能力和探索能力的培養。針對以上問題，我們結合學生學習過程中的實際情況，從預習、興趣培養和分層教學等幾方面進行改革探索。

（一）細化預習要求

實驗預習是整個教學不可缺少的環節，直接決定了實驗效果的好壞。綜合實驗課程設置的每個實驗都是一個小系統，大部分既涉及硬件的設計又涉及軟件的編程，實驗內容相對復雜并有一定難度，所以針對每個實驗給學生布置相應的預習任務，要求學生查找實驗原理、系統設計和元器件使用等資料，在完全理解系統結構的基礎上，擬訂方案，理清每個模塊要實現的功能。硬件部分必須預先設計并畫好電路圖，軟件部分先給出流程圖并搭好程序框架，完成部分算法。在有準備的前提下進行實驗，才能很好地理解系統，順利完成實驗，避免了部分學生實驗時不知所措的情況發生。

（二）加強興趣培養

綜合實驗需要學生進行設計，部分學生存在實踐動手能力較差的問題，所以如何培養學生的興趣是要解決的關鍵問題。綜合實驗采用LabVIEW作為上位機開發的平臺，編程方便靈活，界面顯示清晰生動。學生在先修的虛擬儀器課程中學過LabVIEW編程，通過生動的課堂教學、課后練習和互動，大部分學生很感興趣，同時該課程有專門章節介紹設計實例，學生對測試系統框架有基本的概念。在此基礎上結合傳感器、電子測量原理、嵌入式系統等專業課程的內容，每個系統從信號輸入到結果顯示目的明確，并且能直觀地看到測試結果。當通過細心調試，排除各種問題，看到正確的測試結果時，學生便能體會到成功的喜悅，提高其對實驗的興趣，培養其創新能力。另外，在實驗過程中教師要耐心指導，引導學生積極探索，共同探討出現的問題，鼓勵學生對系統功能進行擴展，逐漸培養學生對專業實驗課程的興趣，在興趣中體會學習的快樂，通過實驗鍛煉實踐動手能力。

（三）設置分層教學

雖然是同一個專業同一個班級，但是學生的學習理解和動手實踐能力有較大的差別，在實驗過程中采用分層要求的方式，可以有效滿足不同層次學生的需求，真正做到因材施教。對于基礎好的學生，可以讓其自己選擇硬件平臺和芯片模塊，最后一個實驗可根據要求自行命題實現測控系統，所有實驗可在基本要求的基礎上進行擴展。例如，硬件部分增加無線模塊，通過無線方式將測試數據傳輸到上位機;軟件上可進一步考慮優化算法，以提高測試精度，軟件界面設計美觀交互性好等，讓學生靈活運用已學知識，激發其創新思維，發展其個性特長。對于基礎薄弱的學生，要求其充分預習，如有問題隨時和教師溝通。實驗時采用教師提供的芯片模塊和平臺，并由教師重點指導，幫助其提高動手能力和對各專業課程的進一步理解，樹立其自信心，激發其學習興趣。

三、綜合能力培養

大部分課內實驗是針對某一個知識點而設置的，在系統綜合設計方面的訓練不夠。我們在專業綜合實驗課程的實驗指導書中詳細說明了實驗目的、實驗內容和可以提供的實驗平臺，但沒有給出實驗原理、系統設計和實現。完成一個實驗要從查找文獻資料開始，理解整體系統功能，設計系統模塊，搭建硬件，設計軟件算法和運行界面，到最后分析實驗結果，撰寫實驗報告，通過一系列環節，培養學生的綜合能力。在實驗的設計和實現過程中，須將各門課程銜接起來，提高學生的系統概念和系統設計能力，為后續的畢業設計打下良好的基礎。

按照以往的經驗，學生一般對實驗過程和實驗結果比較感興趣，對報告的撰寫重視不夠，存在一些問題，如報告撰寫不規范、條理不清楚、實驗內容說明不全面以及實驗結果分析不深入等。為此，我們做了明確要求，除了實驗報告的固定要求外，參照小論文的格式進行撰寫，開頭要求給出摘要，說明系統功能、系統組成結構和測試結果;實驗內容部分要求給出系統框圖及說明、硬件模塊功能介紹和相應的電路、軟件的實現思路和流程;最后詳細分析實驗結果，并對實驗進行總結。除了實驗報告內容外，還對格式和字體做了明確規定，要求學生按照模板格式撰寫實驗報告。

經過預習、實驗過程和實驗報告撰寫等環節的訓練和嚴格要求，很好地培養了學生的綜合素質和嚴謹的學習作風，為學生今后參加科研工作和走上工作崗位打下了堅實的基礎。

四、結語

經過幾年的改革探索，專業綜合實驗課程取得了良好的教學效果。通過課程的學習和鍛煉，學生受益匪淺。學生表示，雖然實驗前后要投入較多時間，實驗中也很辛苦，但是永遠記得實驗成功那一刻的喜悅。也有學生在實驗報告中留言：“作為一名工科生，動手能力的鍛煉是必不可少的，通過這門課程能很好地鍛煉動手能力，培養發現問題、思考問題、解決問題的能力。”

我們將繼續對該課程的教學內容和教學方法進行探索研究，并將專業的新技術融入到實驗中取去，進一步提高教學質量，培養高素質的人才。

參考文獻：

[1]王黨樹，王新霞.測控專業綜合實驗心得體會與思考[J].高校實驗室工作研究，2016（10）：28.

[2]王海，徐群，許德章.工科院校測控專業綜合實驗課程教學改革實踐[J].中國電力教育，2011（191）：119.

[3]李軍，周杏鵬，祝學云.開放式柔性測控實驗平臺的設計與實現[J].電氣電子教學學報，2006（6）：79.

[4]劉麗娜，張寶峰，韓芳芳.專業綜合實驗教學改革的探討[J].教育教學論壇，2011（8）：122.[責任編輯 李愛莉]

作者簡介：戎舟（1970.11— ），女，漢族，江蘇丹陽人，副教授，研究方向：虛擬儀器技術與網絡化測控。

劉瑞蘭（1972.9— ），女，漢族，湖北大冶人，副教授，研究方向：軟測量技術、數據融合與目標跟蹤等。

課題項目：本文系南京郵電大學校教改項目《測控技術與儀器專業綜合實驗課程建設與改革實踐》（課題立項號：JG00517JX25）階段性研究成果。