基于案例引導(dǎo)和項目驅(qū)動的檢測技術(shù)與自動化裝置方向?qū)I(yè)學(xué)位研究生工程實踐課程建設(shè)

胡永輝 閆勇 錢相臣 張文彪

摘? 要：工程實踐能力的培養(yǎng)是專業(yè)學(xué)位研究生教育的核心，建設(shè)工程實踐類課程是提高專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措。文章探討了基于案例引導(dǎo)和項目驅(qū)動相結(jié)合的“先進測量系統(tǒng)工程實踐”課程建設(shè)與教學(xué)方案，利用精心設(shè)計的綜合性案例進行工程知識和實踐技能的教學(xué)，同時以工程研發(fā)項目驅(qū)動實踐過程。教學(xué)實踐表明，該教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識處理工程問題的實踐動手能力，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：專業(yè)學(xué)位;工程實踐;案例教學(xué);項目驅(qū)動教學(xué)

中圖分類號：G640? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）05-0074-03

Abstract： The development of practical engineering skills is essential for the education of students pursuing professional master's degrees. An important measure to improve the quality of education is to develop engineering practice courses. This paper discusses the case study based and project-driven teaching methodology for the course entitled "Engineering Practice of Advanced Measurement Systems."Comprehensive industrial case studies were specially selected to teach engineering knowledge and practical skills. Meanwhile， engineering practices are driven by research and development projects. Teaching practices prove that the methodology employed can stimulate students' interest and enthusiasm， help them develop ability to solve practical engineering problems by exploiting extensive knowledge， and therefore achieve the learning outcomes.

Keywords： professional degree; engineering practice; caseteaching; project-driven teaching.

一、概述

專業(yè)學(xué)位研究生教育是我國研究生教育體系的重要組成部分，其目標是培養(yǎng)具有較強的專業(yè)能力和良好的職業(yè)素養(yǎng)、能夠創(chuàng)造性地從事實際工作的高層次應(yīng)用型專門人才，以適應(yīng)國家社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。與學(xué)術(shù)型研究生教育相比，專業(yè)學(xué)位研究生教育注重工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這體現(xiàn)在課程學(xué)習(xí)、專業(yè)實踐和學(xué)位論文三個培養(yǎng)環(huán)節(jié)中[1]：課程設(shè)置以行業(yè)需求為導(dǎo)向，強調(diào)專業(yè)基礎(chǔ)、工程能力和職業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ木C合培養(yǎng)，注重發(fā)揮在線教學(xué)、案例教學(xué)和實踐教學(xué)的協(xié)同優(yōu)勢;專業(yè)實踐依托企業(yè)、聯(lián)合培養(yǎng)基地或校內(nèi)導(dǎo)師承擔的應(yīng)用型科研課題，面向?qū)I(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用需求，開展技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計和規(guī)劃管理等工作，鍛煉運用專業(yè)知識分析問題、解決問題的能力，提高實踐創(chuàng)新思維和工程思維;學(xué)位論文選題來源于生產(chǎn)實際或具有明確的工程背景，可以采用調(diào)研報告、產(chǎn)品開發(fā)、案例分析等多種形式，評價標準以應(yīng)用價值、經(jīng)濟或社會效益為核心。

然而，由于我國自2009年起才開始進行全日制專業(yè)學(xué)位研究生教育，大部分高校還尚未建立起一套健全的實踐能力培養(yǎng)體系，在課程設(shè)置、教學(xué)模式、研究課題、導(dǎo)師指導(dǎo)、學(xué)位論文等方面趨同于學(xué)術(shù)型培養(yǎng)模式，造成專業(yè)學(xué)位研究生缺乏工程實踐經(jīng)驗，無法滿足社會對高層次應(yīng)用型人才的需求。具體來講，我國專業(yè)學(xué)位研究生實踐能力培養(yǎng)中存在的主要問題表現(xiàn)為[2]：1. 專業(yè)型與學(xué)術(shù)型研究生采用同樣的課程體系，缺乏工程實踐類課程，教學(xué)內(nèi)容偏重于理論知識，授課方式以填鴨式講授為主，因此課程教學(xué)環(huán)節(jié)未體現(xiàn)理論與實際相結(jié)合，無法提高學(xué)生利用專業(yè)知識分析、解決實際問題的能力;2. 校內(nèi)導(dǎo)師缺乏在企業(yè)一線從事產(chǎn)品研發(fā)或技術(shù)改造的工程實踐經(jīng)驗，而企業(yè)導(dǎo)師對研究生進行工程實踐指導(dǎo)的積極性與參與度不高，另外，高校對教師的考核主要以學(xué)術(shù)成果為依據(jù)，致使專業(yè)學(xué)位研究生的研究課題與培養(yǎng)過程學(xué)術(shù)化傾向明顯;3. 企業(yè)與高校缺乏統(tǒng)一的合作目標，難以建立長期、穩(wěn)定的校外實踐基地或校企聯(lián)合實踐基地，學(xué)生在校外基地的實踐活動無法得到校內(nèi)導(dǎo)師或?qū)W校管理部門的有效監(jiān)督，人才培養(yǎng)質(zhì)量得不到保障。

針對上述部分問題，華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院面向控制工程領(lǐng)域全日制專業(yè)學(xué)位研究生開設(shè)了“先進測量系統(tǒng)工程實踐”課程，以加強在課程學(xué)習(xí)階段的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。該課程依托“檢測技術(shù)與自動化裝置”二級學(xué)科，圍繞測量系統(tǒng)設(shè)計研制所需專業(yè)知識與實踐技能精選教學(xué)內(nèi)容，采用案例引導(dǎo)和項目驅(qū)動相結(jié)合的教學(xué)方法[3]，以教師講授、課堂討論、學(xué)生實踐相結(jié)合的方式組織課堂教學(xué)，以項目任務(wù)完成情況為主要考核依據(jù)，使學(xué)生體驗完整的項目開發(fā)流程，引導(dǎo)學(xué)生建立工程思維，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識處理實際工程問題的實踐動手能力。本文結(jié)合作者近年來的課程建設(shè)和教學(xué)實踐，介紹該課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面的改革與探索，以期為相關(guān)課程的建設(shè)提供可借鑒的經(jīng)驗。

二、課程規(guī)劃與教學(xué)內(nèi)容

“檢測技術(shù)與自動化裝置”學(xué)科研究被控對象的信息獲取、轉(zhuǎn)換、傳遞與處理的理論、方法和技術(shù)，是一門以應(yīng)用為主、理論與實踐緊密結(jié)合的綜合性學(xué)科。該專業(yè)方向的研究生主要來自于自動化、測控技術(shù)與儀器等本科專業(yè)，具備由電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、控制理論、信號與信息處理技術(shù)構(gòu)成的知識體系。然而，由于在本科階段上述知識體系被割裂為多門獨立課程進行教學(xué)，學(xué)生往往無法對本學(xué)科知識進行融會貫通與綜合應(yīng)用。為此，“先進測量系統(tǒng)工程實踐”課程的教學(xué)目標設(shè)定為以案例和項目實施為主線，將本學(xué)科的基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識串聯(lián)起來，通過案例講解、操作演示和項目實踐使學(xué)生掌握測量系統(tǒng)的分析、設(shè)計與研制能力。

本課程按照測量系統(tǒng)的研制流程和信號流向分為8個教學(xué)單元，如表1所示。第1單元進行測量系統(tǒng)案例和研發(fā)流程的總體介紹，使學(xué)生對本課程所涉及的專業(yè)知識以及擬開展的項目實踐具有總體的認識和把握;第2單元涉及電子電路分析與設(shè)計技術(shù)，使學(xué)生認識常用電子元器件，掌握交直流電路、電源電路、放大和濾波電路的分析與設(shè)計方法;第3單元有關(guān)傳感器及其信號調(diào)理電路，要求學(xué)生掌握常用傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計方法;第4單元介紹印制電路板（PCB）的基礎(chǔ)知識與設(shè)計規(guī)范，要求學(xué)生使用Altium Designer軟件完成電路原理圖和PCB的設(shè)計;第5單元有關(guān)電子線路焊接與調(diào)試，要求學(xué)生使用焊接工具及常用電子測量儀表完成電路板的組裝和調(diào)試;第6單元為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，采用單片機開發(fā)板完成傳感器信號的采集與傳輸;第7單元為數(shù)字信號處理與測量軟件設(shè)計，學(xué)生在上位機使用Visual C#編程語言完成測量數(shù)據(jù)的接收、存儲與在線處理;第8單元為實驗測試與項目報告，學(xué)生對所研制的測量系統(tǒng)開展測試評估，并撰寫項目研制報告。本課程以本科階段的多門專業(yè)課為基礎(chǔ)，涉及知識面廣、應(yīng)用性強，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力。

在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，本課程主要以工程案例為引導(dǎo)介紹相關(guān)的工程知識與實踐技能，而非本科階段所學(xué)理論知識的重復(fù)或深入，從而使學(xué)生充分領(lǐng)悟理論知識如何在工程項目中進行應(yīng)用以及實際工程問題的復(fù)雜性。例如，在講授運算放大器時，首先簡要回顧理想運算放大器的特性、分析方法與典型電路，然后結(jié)合案例講解實際運算放大器的靜態(tài)和動態(tài)性能指標、噪聲、穩(wěn)定性、芯片數(shù)據(jù)手冊、芯片選型，以及進行PCB設(shè)計時的注意事項等內(nèi)容。由于相關(guān)的實踐知識較為瑣碎且課時有限，課堂教學(xué)注重知識框架的構(gòu)建與重難點的講解，同時精選了較多的技術(shù)資料用于學(xué)生自學(xué)與查閱。

三、教學(xué)方法

如表1所示，本課程采用教師講授與學(xué)生實踐相結(jié)合的教學(xué)模式，其中教師講授采用案例引導(dǎo)式教學(xué)方法，而學(xué)生實踐以實際項目為驅(qū)動，二者同步進行且各占一半學(xué)時，從而使學(xué)生能夠?qū)W(xué)到的工程知識與實踐技能及時應(yīng)用于項目實踐，并鞏固和強化對工程知識的理解和實踐技能的掌握。

（一）工程案例教學(xué)

本課程選取典型測量系統(tǒng)案例作為主線，講授案例中各組成部分的原理和實現(xiàn)方法，將零散的教學(xué)內(nèi)容凝聚起來，從而構(gòu)成一個完整的教學(xué)體系。通過具體案例，將抽象的工程知識與實際系統(tǒng)有機結(jié)合，學(xué)生能夠充分了解所學(xué)知識的內(nèi)涵、目的和意義，從而有效提高其學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動力。

基于實際工業(yè)測量系統(tǒng)和教師科研成果，設(shè)計了若干貫穿整個教學(xué)過程的綜合性案例，如基于光散射的粉塵濃度測量系統(tǒng)、基于靜電感應(yīng)的傳動帶振動測量系統(tǒng)等，覆蓋常規(guī)測量系統(tǒng)研制所需工程知識，并將案例中重復(fù)的知識點合并講解。綜合性案例不僅具有完整的軟、硬件設(shè)計文件和實際系統(tǒng)，還編寫了關(guān)于方案論證、知識點解析、實驗測試等內(nèi)容的講義，從而使學(xué)生能夠完全掌握案例的分析、設(shè)計與實現(xiàn)方法。此外，為了幫助學(xué)生強化對特定知識點的掌握，根據(jù)美國模擬器件（ADI）公司的參考設(shè)計[4]、美國國家儀器（NI）公司的Measurement Studio例程、開源科學(xué)計算庫Math.NET、開源圖形控件ZedGraph等網(wǎng)絡(luò)資源以及教學(xué)開發(fā)板光盤資料建成了內(nèi)容豐富的知識點案例庫，學(xué)生可在本課程項目研制以及今后科研、工作中自學(xué)和參考。

測量系統(tǒng)研制涉及較多的工具設(shè)備、儀器儀表和設(shè)計軟件，通過教師講授、教學(xué)視頻播放、實際操作演示等途徑進行教學(xué)，使學(xué)生獲得直接經(jīng)驗，快速掌握各種研發(fā)工具的使用方法和技巧。

（二）工程項目實踐

為了使學(xué)生將學(xué)習(xí)的工程知識應(yīng)用于實踐、強化工程意識、提高實踐動手能力、培養(yǎng)團隊合作精神，要求學(xué)生以小組為單位開展測量系統(tǒng)項目研制。學(xué)生在項目任務(wù)驅(qū)動下開展文獻調(diào)研、總體方案設(shè)計、硬件電路設(shè)計、軟件程序設(shè)計、實驗測試并撰寫項目研制報告。實際研發(fā)項目能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，促使學(xué)生在項目實施中學(xué)會運用理論知識分析和解決實際問題。

在課程初期，學(xué)生在教師指導(dǎo)下分為多個小組，并確定研制項目，項目選題應(yīng)涵蓋主要教學(xué)知識點，可以在項目題庫中選擇，也可以根據(jù)研究課題自主確定。之后各小組按照案例教學(xué)進度同步開展項目研制，達到即學(xué)即用、學(xué)有所用的目的。在項目實施過程中，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮其主動性和創(chuàng)造性;教師主要起引導(dǎo)和組織作用，以啟發(fā)式、互動式和探究式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生在實踐中自主學(xué)習(xí)、自主研究的習(xí)慣和能力。例如，針對學(xué)生在項目實踐中遇到的各種實際問題，引導(dǎo)學(xué)生利用教學(xué)案例、搜索引擎、技術(shù)論壇、社交媒體等途徑自主解決。

為了便于學(xué)生開展工程實踐，為每個項目團隊配備了一套完整的開發(fā)工具箱，包括焊接工具、測量儀表、教學(xué)開發(fā)板等，并給予一定額度的研制經(jīng)費，用于購置電子元器件和加工PCB。此外，由于總課時有限，本課程每周開1次課，總共16周，從而保證學(xué)生在課外具有足夠的項目研制時間，課程結(jié)束時能夠基本完成項目研制。

（三）考核方式

本課程采取過程考核與終期考核相結(jié)合的方式。過程考核主要考察學(xué)生在項目實施過程中的參與度以及對項目目標的完成所做的貢獻;終期考核由項目匯報、實物演示、答辯三個環(huán)節(jié)構(gòu)成，以項目完成度為主要依據(jù)考察學(xué)生工程實踐能力的掌握情況。為使考核結(jié)果客觀公正，采取教師打分和學(xué)生互評相結(jié)合的評價模式。

四、結(jié)束語

“先進測量系統(tǒng)工程實踐”課程以實際項目為載體，用完整的工程項目貫穿學(xué)科知識點，將工程知識與實踐技能滲透于項目案例中，學(xué)生通過直接參與并完成項目研發(fā)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)科知識的綜合應(yīng)用能力和從事相關(guān)領(lǐng)域工作的工程實踐能力。教學(xué)實踐表明，案例引導(dǎo)和項目驅(qū)動相結(jié)合的教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動其積極性、主動性和創(chuàng)造性，增強專業(yè)理論與工程實踐之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際工程問題的能力，是一種行之有效的工程實踐類課程教學(xué)方法。

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[4]Reference Designs， Design Center， Analog Devices[EB/OL].https：//www.analog.com/en/design-center/reference-designs.html.（accessed July 26， 2019）