基于知識融合的《電子測量與儀器》教材改革

黃新 郭慶

摘? 要：高等教育教材建設是保證和提高教學質量的重要支柱，教材是體現教學內容和教學方法的知識載體，教材建設需要遵從工程教育理念，滿足“新工科”人才培養要求。完善教材知識體系，跨學科知識融合，有助于培養學生工程應用能力和結合不同學科知識的系統分析能力，從而提高學生的思維能力和解決問題的能力。《電子測量與儀器》教材目前已經發行5版，與同類教材相比具有內容較新、實用性強的特點。在教材的建設中，保持著教材的經典和優勢，不斷更新知識、內容和儀器技術指標，列舉了國產儀器型號、技術指標及儀器實例，樹立了民族自信心，激勵著我國電子儀器事業的發展。新教材融合邊界掃描測試前沿技術，有效拓展了學生的知識面;新增環境領域光譜分析，擴展了應用范圍，為環境分析監測提供了理論保障;引入產品安規測試，滿足行業電氣產品安全生產的需求。

關鍵詞：知識體系;跨學科;知識融合

中圖分類號：G423.3? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）11-0152-03

隨著社會和企業對人才綜合能力的要求不斷提高，高校教育開始向跨專業、跨學科轉變，不斷改革人才培養模式，以培養復合型人才。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》提出應優化學科專業、類型、層次結構，促進多學科交叉和融合。《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》提出應制定跨學科人才培養方案，探索建立政治過硬、行業急需、能力突出的高層次復合型人才培養新機制。

我國先后提出的“2011計劃”“雙一流建設”以及“新工科”概念，對各高校提出了新的要求，高校需要承擔建設創新型國家的重任，培養具有跨學科的知識結構、素質能力與協同精神的復合型人才 [1]?！靶鹿た啤钡膽鹇孕?、創新性、系統性與開放性等特征明確，以立德樹人為引導，培養多元化和創新型的卓越工程人才 [2]。

我國高校采用多種方式實現復合型人才培養，復合交叉專業如生物醫學工程，由工程學、生物學、醫學等學科交叉而成 [3-4]。很多高校在制定專業培養方案時，會選取不同學科和不同專業的課程進行交叉，但未能達到真正意義上的復合培養。大學應順應社會發展，從“專業人才培養”向“復合型人才培養”轉變。在學科交叉融合的廣泛需求中，本研究主要從教材建設入手，研究如何將學科交叉，知識融合與教材建設有機結合，以培養學科交叉的工程技術人才。

一、教材建設的人才培養價值

教材是高校教師傳授知識的主要依據，教師根據教材和專業需要安排講授內容，學生利用教材完成自學。學生完成專業課程學習才能更好地掌握專業相關知識，以成為專業人才。因此，高校教材建設是人才建設的基礎，加強教材建設為培養創新型人才提供了更充足的知識基礎，有助于培養創新性工程人才。

優秀的教材應當有自己的內涵和靈魂，概念準確，知識結構清晰，知識點全面具體，還應啟發學生的創新和創造能力。這樣才有益于培養學生的綜合能力和創新能力。因此，教材的內容在思想性、科學性、系統性等方面，對于人才培養起著導向性作用。

教材建設應以教材思政為引導，以專業課程知識體系為核心，以培養學生綜合能力為目標，充分體現教材的知識基礎性和專業性，知識的系統性和先進性，保持教材的經典性，融合跨學科知識，將理論與實踐有機結合，靈活運用現代信息技術，全面提高教材建設質量。

二、教材建設的知識融合理念

（一）教材知識體系

在課程教學過程中，教材發揮著重要作用，作為教學內容和教學方法最基本的知識載體，教材的知識體系是系統的、連續的，而且是穩定的。教材不僅是知識生產、知識創造的過程，更是知識選擇的過程。知識的選擇既遵循學術的邏輯，注重科學性和時代性，也遵循經濟邏輯和政治邏輯，即現實性和政治性。

在新工科背景下，教材知識體系應進行調整，在傳統教材的基礎上，注重學生工程能力培養，引入工程應用案例，建立相關的工程概念，融入優秀的研究成果。將工程實踐有機融合到教材知識體系，利用工程應用實例講述基礎知識、專業知識和儀器原理，工程應用實例按照需求分析、總體設計、模塊設計、功能仿真、測試驗證等流程，系統地培養學生的工程素質。

（二）教材知識融合

新工科專業教材應以單一學科專業課程教學內容為主，同時考慮學科的交叉融合。體現學科間的知識滲透和知識的再生，注重工程知識的綜合性和學科間的關聯性，培養學生結合不同學科知識進行綜合系統分析，提高學生面向工程的思維能力和解決問題的能力。了解最新技術在不同工程技術領域的應用，培養學生從多學科的視角看待問題、分析問題、解決問題的思維習慣 [5]。加強教材與現代信息技術手段的結合，通過信息技術，對教材的應用實例和教學難點等進行動態更新，從而彌補新工科專業課程體系和教學內容的不斷調整變化，彌補教材建設相對滯后的不足。

針對“新工科”對綜合型人才的需求，教材編寫必須考慮融合和吸收不同學科的知識，強調多個學科和多個知識點之間的有效銜接 [6]。目前很多教材對教材內容和知識點的設置，不同程度上融合了一些不同領域的知識。但高校人才培養方案根據專業發展需要在不斷更新完善，開設的課程也在不斷調整，教材知識結構也需要隨之調整，教材建設時應不斷豐富完善課程素材和應用案例，還應根據行業應用需求，增刪相應知識點。

三、知識融合教材改革探索及應用

《電子測量與儀器》教材與同類教材相比具有內容較新、實用性強的特點。2005年1月出版發行第1版，2020年6月發行第5版，在教材的建設中，保持著教材的經典和優勢，不斷更新知識、內容和儀器技術指標，融合了邊界掃描測試前沿技術、新增了環境領域光譜分析、引入了產品安規測試。

（一）延續教材經典，更新教材知識和內容

按國家技術規范對誤差與不確定度進行了精煉闡述，刪繁就簡，概念明確，計算方法步驟清晰，更便于學習理解與實際應用。全面規范教材中引用的國家標準（GB）、國際電工委員會（IEC）、國際標準化組織（ISO）、國家計量技術規范（JJF）、計量檢定標準（JJG）和合格評定標準（CNAS）標準等標準名稱、文號和引用內容。

教材按發展歷程講解了儀器原理，容易入門，敘述深入淺出，圖文并茂，適合自學，也有擴展或深入的內容可供具有不同教學和科研需求的讀者選用。

教材理論聯系實際，既講電子測量原理，又講具體儀器應用，通過實例與儀器型號參數介紹，加深讀者對儀器的認識和對國內外技術水平的了解。

刪減了部分應用價值不大的內容，完善了一些內容的文字表述方式，調整了DDS原理的表述方式，更新了任意波形發生器、射頻信號發生器、通用計數器、手持式萬用表、臺式萬用表、高端數字示波器、混合域示波器、RLC測量儀、網絡分析儀、頻譜分析儀、邏輯分析儀等儀器的技術參數，選用國產儀器，更新了射頻信號發生器、數字頻率特性測試儀和頻譜分析儀測試應用實例。

（二）融合邊界掃描測試前沿技術，拓展知識面

隨著封裝技術、微組裝技術及裸芯片技術的發展與廣泛應用，數字系統朝著高密度、高速度、高可靠性和微型化方向快速發展，電路的規模劇增而物理尺寸銳減與測試困難的矛盾日趨尖銳。在SMT（Surface Mounting Technology）條件下已經難以使用常規物理探針進行測試。而MCM（Multi-Chip Module）及裸芯片的應用，給測試帶來更為突出的技術難題。常規的測試技術已難以滿足復雜的測試要求，需要采用新的測試理論和測試方法才能解決這種測試困境。

邊界掃描測試技術作為一種新興技術，具有附加測試資源少，對器件和電路本身的性能影響小等特點，得到了迅速發展并被廣泛用于電子設計與制造領域。該測試技術的應用有效地提高了電路的可控性和可觀測性，提高了故障覆蓋率，減少了故障診斷時間，具有良好的性價比，已日益成為可測試性設計中應用最為廣泛的技術之一。邊界掃描測試技術為芯片級、電路板級和系統級的測試注入了新的活力，為現代電子系統設備、軍事電子裝備、武器系統的開發與測試提供了新的理論與技術支持，提供了一套完整的、標準化的數字電路可測試性設計方法，有效地解決了傳統測試方法難以解決的測試問題，具有很好的應用前景。

（三）測控技術結合環境檢測，擴展應用范圍

《電子測量與儀器》教材主要涵蓋電子測量、計量、誤差與不確定度、信號發生器、時頻測量、電壓測量、時域測量、阻抗測量、頻域測量、數據域測試和自動測試技術等原理和相關儀器。

環境保護作為現代化建設的一項基本國策，環境分析監測受到了普遍關注。隨著電子信息技術的發展，儀器分析法在環境分析中顯現出更加重要的作用，已成為環境監測的主流，主要包括光學分析法、色譜分析法、電化學分析法和其他分析技術。因此在《電子測量與儀器》教材中融合環境檢測方面的知識有著重要的意義。

環境分析的光譜分析儀器按產生光譜的物質類型的不同，可分為原子光譜儀和分子光譜儀;按產生光譜的方式不同，可分為發射光譜儀、吸收光譜儀、熒光光譜儀和散射光譜儀等。教材分別介紹了原子發射光譜儀、原子吸收分光光度計、原子熒光分光光度計、紫外-可見分光光度計、分子熒光分光光度計、紅外光譜儀。還介紹了第五屆中國“互聯網+”大學生創新創業大賽廣西賽區高教主賽道銀獎作品“新型便攜式戶外分光光度計”。該儀器根據朗伯比爾定律測量物質吸光度從而確定待測物質濃度，具有結構小巧、工程易實現的特點，提高了儀器在野外的快速部署能力。

（四）引入產品安規測試，滿足行業電氣產品安全生產需求

安全規范是產品認證中對產品安全的要求，電氣安全性能參數是國家強制性認證的指標之一，也是反映電子產品和設備安全性能的重要參數。因此在《電子測量與儀器》教材中融合電氣產品安規測試方面的知識可以更好地適應企業的需求。

教材講述了產品安全的基本準則、電氣設備防電擊防護分類、安規測試指標及測試方法，安規測試指標主要包括耐壓測試、泄漏電流測試、絕緣電阻測試和接地電阻測試等。還講述了電動汽車安規測試解決方案應用實例。電動汽車相關安全標準主要涵蓋電動汽車整體、人體防護系統、電動車用電池、電動車馬達控制器、電池管理系統和電動車充電設施等。教材介紹了電動汽車部分安規測試要求如包括絕緣電阻、耐壓測試、電位均衡連續測試等，介紹了艾諾儀器公司八合一安規綜合分析儀AN1651H實現電動汽車安規測試系統架構，電池包絕緣電阻測試方案、高壓負載絕緣電阻測試方案、電位均衡測試方案、車載充電機測試方案等。

（五）弘揚民族品牌，宣講國產儀器

《電子測量與儀器》教材列舉了國產儀器型號、技術指標及儀器實例，樹立了民族自信心，激勵我國電子儀器事業的發展。教材全面講述了信號發生器，通用計數器，數字多用表、智能LCR測量儀、網絡分析儀、頻譜分析儀和邏輯分析儀等儀器的結構、原理及設計方法，選取中電儀器公司1465射頻信號發生器、成都前鋒電子儀器廠QF1485矢量信號發生器、數英儀器的DDS1302CA數字示波器為實例，講述儀器結構和原理，選取普源精電DS1012D混合信號數字示波器和中電儀器AV4051E頻譜分析儀為實例，講述儀器使用方法。教材將國產儀器的技術指標與國外同性能的儀器進行對比，使學生能夠清楚了解國內外儀器的差距。

國產部分儀器受芯片限制，發展較慢，需繼續解決核心芯片的自主研發。普源精電公司自主研發的“鳳凰座”芯片組突破了國產示波器1GHz的帶寬限制，在中高檔數字示波器領域邁出了新的一步。決定數字示波器帶寬和采樣率這兩項關鍵指標的芯片有三顆，分別是：寬帶差分探頭放大器芯片γPhoenicis，帶寬達到6GHz;示波器信號處理芯片Ankaa，采樣率達到10GSa/s，具備模擬信號調理和示波器數字信號處理功能;模擬前端芯片βPhoenicis，帶寬達到4GHz。

四、結語

高等教育教材建設是保證和提高教學質量的重要支柱，是體現教學內容和教學方法的知識載體，是貫徹落實培養大綱的重要基礎。教材建設應遵從工程教育的教育理念，適應新的專業結構，服務于人才培養模式，適應工程教育課程體系的結構性。在“新工科”建設新形勢下和工程教育專業國際認證的視角下探索教材的建設、改革和創新，應完善教材知識體系，綜合考慮教材知識的融合?！峨娮訙y量與儀器》教材保持了教材的優勢與特色，根據實際需要刪減部分應用價值不大的內容，融合邊界掃描測試前沿技術，拓展了讀者的知識面，以測控技術結合環境檢測，擴展了專業應用范圍，引入了產品安規測試，滿足了行業電氣產品安全生產需求。

參考文獻：

[1] 徐敦輝. 學科交叉視域下新工科人才培養研究[D]. 南京：南京郵電大學，2019：79.

[2] 鐘登華. 新工科建設的內涵與行動[J]. 高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

[3] 黃君強，肖斌濤. 探索多學科交叉的復合型應用人才培養模式的課程體系改革思路[J]. 文教資料，2009（13）：170-172.

[4] 劉加海，方志剛，楊鋯，等. 多學科高度融合的電子產品交互設計教材建設的探索[J]. 高等理科教育，2013（05）：112-115+72.

[5] 時陽. 產學合作視角下新工科專業教材建設初探[J]. 計算機教育，2020（09）：183-186.

[6] 宋亞卿. 淺議“新工科”背景下的教材建設與改革[J]. 新聞研究導刊，2020，11（06）：228+232.

（責任編輯：汪旦旦）