基于“項目式教學”的《傳感器與工程測試技術基礎》課程實踐研究

曹修全，陳艷

（四川輕化工大學 機械工程學院，四川宜賓 644000）

“卓越工程師教育培養計劃”是教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目，也是貫徹落實國家新工科建設與發展的重要抓手[1-3]。在此“卓越工程師教育培養計劃”（2.0版）的關鍵時期，四川輕化工大學機械工程學院在教育部首批新工科研究與實踐項目《面向智能制造的機械設計制造及其自動化專業改造升級路徑探索與實踐》的支持下，通過“自主申請”+“擇優遴選”的原則，面向機械設計制造及其自動化專業，每屆遴選30名學生組建“卓越班”試點，深入踐行“復旦共識”和“天大行動”的新工科人才培養目標，為社會培養面向智能制造的多元化、創新型卓越工程人才[4-6]。

《傳感器與工程測試技術基礎》課程作為機械設計制造及其自動化專業卓越班的核心選修課程，是面向智能制造的應用型專業人才必須掌握的知識板塊，也是新工科改革范疇的重要組成部分。本課程旨在培養學生掌握“測試系統基礎知識”→“數據的采集”→“數據處理與信息提取”等涵蓋工程測試各環節的測試技術基礎知識，并能面向工程項目完成測試任務，從而培養學生的工程意識和工程素養，使其具備將所學理論知識應用于生產實踐中解決相關測試問題的能力[7-9]。

在此背景下，傳統的重考試、重理論的教學模式已無法適應卓越工程師培養計劃要求，難以培養出面向新工科的復合型科技人才。為實現《傳感器與工程測試技術基礎》課程培養目標，迫切地需要在課堂教學與課程評價機制等方面進行深刻反思和改革，從而貫徹落實我國現階段所倡導的創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念，培養具備實際工程應用能力的卓越工程人才，以適應以新技術、新產品、新業態和新模式為特點的新經濟模式[10-12]。

因此,本文基于面向智能制造的卓越工程師培養計劃，通過分析《傳感器與工程測試技術基礎》課程特點,提出“項目式教學”融入科研實踐的新模式：通過解決指導教師科研項目中的實際測試問題，將課堂理論知識應用于工程實踐，實現“以學致用、以用促學”，并以“翻轉課堂”的方式增強學生課堂參與感，培養面向智能制造的卓越工程師的工程實踐能力，以實現卓越工程師培養計劃。

1 教學課程特征分析

1.1 課程特點

《傳感器與工程測試技術基礎》課程重點闡述“數據采集”“數據傳輸”和“數據處理”三大板塊內容。

（1）數據采集：重點掌握應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、熱電式傳感器等十多種常用的不同類型傳感器的工作原理、結構及其典型應用，涉及材料學、熱力學、電磁學、光學、制造加工工藝等諸多學科。

（2）數據傳輸：重點掌握信號的調制與解調、濾波、放大等常用的信號傳輸技術原理及其應用，涉及電子電工技術、機電控制技術等多學科知識。

（3）數據處理：重點了解拉普拉斯變換、傅里葉變換、均值、幅頻分析等常用的數據處理方法與手段，明確從“信號”中獲取“信息”的方法，主要涉及數理統計、概率論等數理知識。

因此，《傳感器與工程測試技術基礎》課程知識結構復雜，知識點分散，對前置課程的學習基礎要求較高。另外，在各類科學技術發展的刺激下，新型傳感器及數據數理手段層出不窮，必須緊跟科技前沿，保障授課內容的與時俱進。

1.2 學習對象

《傳感器與工程測試技術基礎》課程是為深入踐行“卓越工程師教育培養計劃”而為我校機械設計制造及其自動化專業卓越班學生開設的一門核心選修課程，在大三下學期進行授課。機械設計制造及其自動化專業卓越班學生具有較好的學習習慣和自學能力，并且已經具備了一定的電子電工、材料學、數理統計、制造加工工藝等相關課程基礎，但部分學生對前置課程的學習深度不夠，導致對本課程中涉及的深層次理論知識的理解難度大，從而只能理解和掌握基本原理和較為簡單的工程應用。另外，從歷年考研數據來看，機械設計制造及其自動化專業卓越班的大部分學生都選擇考研，有必要注重學生科研精神和探究新知識能力的培養，尤其是將理論知識融入科研項目實踐能力的培養。

2 “項目式教學”教學活動設計

《傳感器與工程測試技術基礎》課程教學活動方案如圖1所示，從教學結構、學生學情出發，重點分析本課程教學內容：理論教學+實踐教學，以“翻轉課堂”式理論教學講授理論知識，支撐實踐教學實施；通過實踐教學完成科研項目中的測試任務，驗證理論知識，從而將“項目式教學”深度融入課程教學中，培養學生將理論應用解決實際工程問題的能力，并增強學生的成就感，有效提高學生學習興趣和掌握知識的能力。

圖1 教學活動設計方案

“項目式教學”以理論知識為依托，在實踐教學中踐行，通過將任課教師科研項目中的測試任務分解，讓學生以小組為單位每組完成一個測試小任務，利用所學理論知識，制定詳細的實施方案并執行，以實際工程效果檢驗方案的可行性，并通過答辯、現場演示、設計說明書等方式考核小組學生任務完成情況，從而讓學生深刻理解學習的重要性，并培養學生的實踐能力。

3 面向應用的項目式教學實踐

任課教師在前期科研項目中為進一步拓展等離子體技術的應用領域，需要實現對等離子體束性能的監測，重點包括等離子體發生系統弧壓、功率、熱效率、熱焓值等特征參數的監測。要實現前述特征參數的監測，需要實現對等離子體發生器弧壓、工作電流、冷卻水流量和進出口溫差、工作氣流量大小五類測試對象的信號測試。通過對項目需求的深入分析，擬采用圖2所示的硬件框架示意圖完成對相應信號的測試，實現對等離子體發生系統性能的監測。因此，將 “等離子體性能診斷”科研項目中的測試任務分解為：弧壓信號測試、電流信號測試、冷卻水流量測試、冷卻水進出口溫度測試和工作氣流量測試五個小的測試任務。為與測試任務對應，將卓越班學生按照6人/組的方式分為5組，各領取測試任務一個，主要目標為：根據測試需求，設計測試系統方案并執行，分析測試結果，提取有效信息，實現對某測試對象的測試任務。每組學生學設組長1名，負責小任務的分工與管理工作。基于前述描述，面向應用的“項目式教學法”的具體實施步驟如下所述。

圖2 監測系統硬件電路框架示意圖

（1）任務分解。

如前所述，將“等離子體性能診斷”科研項目涉及的測試任務分解為五個小測試任務：①弧壓信號測試、②電流信號測試、③冷卻水流量測試、④冷卻水進出口溫度測試、⑤工作氣流量測試。

（2）小組分組和任務領取。

根據測試任務數量，將卓越班學生分成5組，每組領取1項小測試任務。

（3）任務執行。

小組在領取測試任務后，根據測試任務，制定詳細的測試方案并執行，檢驗方案的可行性。以第一小組的弧壓測試任務為例，具體執行過程如下：

①測試對象分析：弧壓的工作范圍為150～250V，超出了信號采集范圍，因此，需要考慮進行降壓處理。故基于電阻串聯分壓原理，利用1個29K和1個1K的電阻串聯，采集1K電阻上的電壓值，獲得降壓比為1:30的原始數據信號。

②測試電路分析：因工作環境中含有大量電磁干擾，因此采用屏蔽線進行信號的傳輸線路；為避免高頻信號的干擾，采用RC低通濾波器實現對高頻信號的濾除；為隔離測試電路與數據采集電路的相互影響，采用光電隔離模塊將測試電路和采集電路物理分離。

③數據傳輸分析：按照前述降壓及相應處理后，電壓信號降為5V-8.3V的低壓信號，利用LABVIEW軟件編寫采集程序，由NI -USB6210數據采集卡將數據信號傳輸至電腦端。

④數據處理分析：利用LABVIEW軟件，將所采集的信號還原為原始信號，并求取其均值、波動范圍等，進行傅里葉變換、幅頻變換等，從而獲取平均電壓、穩定性、頻域信號等有效信息，分析等離子體發生系統弧壓特性。

⑤系統優化設計：根據實際運行情況，對測試系統進行優化設計。

經上述步驟，學生完成的測試系統硬件如圖3所示。

圖3 弧壓測試硬件電路示意圖

（4）小組考核。

任務小組根據前述情況，完成說明書撰寫，重點闡述：測試對象、設計方案、實施過程、問題及解決方案、實施結果、經驗總結等幾部分內容，并將相應內容與完成情況做成PPT，以小組為單位進行展示與交流，共同討論工程測試相關問題。指導教師根據學生完成情況及報告情況進行考核，重點考查學生對課程知識的理解及其應用于解決實際工程測試問題的能力。

（5）“項目式教學”實施情況。

通過采用“項目式教學”，將指導教師的科研課題“等離子體性能診斷”項目中的測試任務進行分解，各小組通過與指導教師的交流溝通和小組成員的精誠合作，出色地完成了各自的測試任務，成功利用《傳感器與工程測試技術基礎》課程所學理論知識解決“等離子體性能診斷”項目中的工程測試問題?！绊椖渴浇虒W”的實施不但解決了科研問題，還明顯加深了學生對課程理論知識的理解，有效培養了學生的科研素養和實踐能力，提升了學生學習本課程的興趣。

4 結語

本文為探索提高《傳感器與工程測試技術基礎》課程教學效果，提出了以“翻轉課堂”教授理論知識，以“項目式教學”引導學生利用所學理論知識解決指導教師科研項目中實際工程測試任務問題，從而實現理論與實踐的有機結合。經實際檢驗，教學效果明顯提升：①學生學習興趣明顯提高；②學生對傳感器的工作原理、信號中信息的提取方法等理論知識點的理解明顯提升；③學生通過解決實際工程測試問題，掌握了將理論知識轉化為解決實際工程問題的方法，有效提升了學生的實踐創新能力。本課程教學改革的實施，有助于實現 “卓越工程師教育培養計劃”的預期目標。