新工科背景下基于專業核心課程的進階式實踐課程創新與探索
——以測控技術與儀器專業為例

戴 梅 李 鑫 毛麗民 謝 啟

常熟理工學院電氣與自動化工程學院 江蘇常熟 215500

新一輪的科技和產業變革正在世界范圍內蓬勃發展,對高等工程教育提出新的挑戰。新工科計劃應運而生,為我國邁向工業強國行列提供新型工科人才。工程能力和創新能力是新型工程技術人才培養的核心要素,而實踐活動是關鍵的達成途徑之一。當前,人才培養的校內實踐教學體系主要由“課程實驗—課程設計—畢業設計”三部分構成,提高綜合性、設計性實驗在課程實驗中的占比、以項目—任務驅動課程設計等實踐教學改革的探索,極大地促進了人才培養質量的提高。然而,課程設計項目僅為部分課程實驗的綜合,內容局限于個別課程,作為專業實踐教學體系的中間環節,對學生工程能力和創新能力發展的支撐仍顯薄弱。本文以測控技術與儀器專業為例,針對當前課程設計在新型工科人才培養方面的不足和卓越工程師教育培養計劃2.0專業建設的要求,基于專業核心課程群構建進階式創新實踐課程,以大項目思維拓展集中實踐課程外延,與專業核心課程的研究型學習相融合,提升學生高階思維能力、工程實踐能力和創新能力。

一、當前測控專業課程設計現狀

測控技術與儀器專業一般在第二學期開始設置專業核心課程,經過四個學期修完電路、模擬電子技術、數字電子技術、信號分析與處理、傳感器原理與檢測技術、誤差理論與數據分析、自動控制原理和單片機原理與接口技術等必修課程,在應用實踐性較強的三電課程和單片機原理與接口技術課程之后,分別設有相應課程的集中實踐環節,以訓練學生動手實踐和解決實際問題的能力。在工程教育專業認證標準下,電子技術課程設計和單片機課程設計開展以結果為導向,以項目為驅動的教學方法和內容的改革,取得一定成效。然而,面對新工科人才培養和“卓工計劃2.0”提出的挑戰,課程在以下幾方面還存在不足。

(一)內容與專業結合不緊密,未能突顯專業培養目標

在新的培養方案中明確提出,測控專業面向工業自動化測試領域培養能夠解決實際復雜工程問題的應用工程師,能夠運用測試測量與控制專業知識從事測試系統或相關產品的設計開發工作。當前,電子技術課程設計項目主要圍繞數字電路和電源電路的實現進行訓練,較少涉及信號的測試測量。一方面,該階段尚未開設信號獲取相關課程;另一方面,在實踐方式上,仿真難以體現模擬信號的實際變化趨勢,而面包板搭建或萬用板焊接方式實現信號調理的完成率較低。單片機課程設計項目側重內部模塊和外設的綜合應用,以技能訓練為主要目標,領域特征不顯著。

(二)實施進程不全面,未實現工程項目全流程覆蓋

課程設計一般安排課內16學時,首先由教師布置項目任務,引導學生分析項目需求、確定技術指標、進行分組分工;接著學生利用課外時間預習自學,查找文獻資料、了解理論知識、比較候選方案;在現場教學階段,充分發揮學生主動性,進行項目具體設計并通過仿真軟件驗證;最后完成結果驗收工作。由于受限于學時數的約束,原理性電路設計(或包含軟件設計)未能進行實物驗證,缺失了工程項目實踐的重要環節,工程項目中人員、成本、進度管理等非技術因素也未得到體現,在學生工程實踐能力培養上尚有不足。

(三)缺乏學科交叉融合,兩度一性不足

現有電子技術課程設計和單片機技術課程設計局限于個別課程,注重技能型訓練,忽略測試測量領域的學科交叉融合,與專業核心課程群耦合度不高,項目要求較基礎,缺乏挑戰性,在高階性思維能力、工程創新能力培養上未形成強力支撐,不能滿足新工科背景下應用型工程人才的培養需求。

二、基于專業核心課程群的進階式實踐體系構建思路

針對測控技術與儀器專業課程設計的不足,剖析問題根源,重新梳理兩門課程設計與專業核心課程間的關系,明確以測試測量領域工程項目驅動整體實踐教學,以工程實踐在不同階段的要求為出發點設計一條有序銜接、分層遞進的項目主線,圍繞項目主線重塑實踐教學體系,將學科專業知識以及設計與專業技能模塊化項目進行組合或嵌入項目之中,以項目為載體突出對學生高階性思維、工程能力和創新能力等綜合素質的培養,推進建設實踐項目化、工程項目課程化的實踐教學體系。

圍繞有序銜接、分層遞進的設計宗旨,對電子技術課程設計和單片機技術課程設計統籌規劃,對課程的目標、內容、達成方式和階段性功能重新設計,逐步形成“一條主線、兩門課程”的建設思路。

(一)貫穿核心課程群的大項目主線

測試測量及控制理論和方法技術是測控技術與儀器專業教學的核心內容,涵蓋信號感知、信號調理、信號轉換和信號處理等關鍵環節,且與測試測量系統中信號的流向形成對應關系。核心課程群的課程設置契合了整條信號鏈。傳感器原理與檢測技術課程對各種物理量、化學量和生物量轉換為電/光信號的工作原理和方法技術進行闡述,為信號感知環節提供理論和技術支撐。電路、模擬電子技術和數字電子技術等核心課程能讓學生掌握電子元器件、基本電子電路等基礎知識及基本電路設計方法,對由傳感器轉獲取的信號進行放大、調制等信號調理工作。單片機原理與接口技術課程中模數轉換模塊是測試測量系統數字化轉換的關鍵,也為整個系統功能的實現提供技術基礎。信號分析與處理、誤差理論與數據分析和自動控制原理等課程又為去除信號中的干擾成分、評估信號的誤差程度、對信號誤差進行調制提供理論和方法的支撐。

核心課程群可以映射為測試測量系統項目的模塊化集合,相關核心課程的知識要求、能力要求和素質要求支撐測控系統的集成設計與實現畢業要求的達成。因此,以工業自動化測試領域實際工程問題為背景,凝練出貫穿核心課程群的復雜工程項目,具有較高的教學實踐價值。一方面,具有實際工程背景的復雜工程項目模塊化解構后,應用到對應核心課程的項目化教學中,既提升理論教學的效果,又對該模塊進行深入的研究性學習,為后續系統集成打下堅實基礎。另一方面,有利于集中學習資源提高學生的學習效率,避免課程相互獨立,在研究性學習上重點不突出帶來的學習時間、成本負擔。貫穿核心課程群的大項目式驅動學習,能促進課程群教學內部融合,更有利于學生工程意識的發展,對系統的解構和模塊的集成能力訓練,更有利于解決復雜工程問題。

(二)大學生電子設計創新實踐課程

在大項目主線確立后,基于學生實踐能力的遞進式提高原則,先后設置兩門創新實踐課程。將原有的電子技術課程設計升級改造為大學生電子設計創新實踐,在時間節點上仍安排在電路、模電和數電理論課程修完之后,學時數增加到32學時。本階段的實踐教學要求設定為項目的純電子電路實現,要求學生能夠根據給定被測量構造測量場景,選擇傳感器,設計信號調理電路。當輸入量在一定范圍內連續變化時,信號調理電路的輸出值能夠與輸入量成為線性關系,電路設計符合行業規范和技術標準。

本實踐課程的項目設置立足測控專業的測試測量屬性,通過純硬件實現的達成途徑深化學生對電子電路的理解,能夠扭轉當前重軟件輕硬件的狀況。與此同時,純硬件的實現方式具有創新性,在培養學生工程調試能力方面具有積極作用。從軟件仿真到實物調試,學生面臨的是真實場景下的工程實踐問題,解決這些問題需要聯系相關理論結合工程經驗,打通理論到工程實踐的壁壘,解決當前實踐教學的沉疴,是培養應用型本科人才的關鍵步驟。

本實踐課程同時具挑戰度。從核心課程的學期分布上來看,本課程實施時,學生尚未學習信號獲取相關課程,給項目完成帶來一定挑戰度。學生需要結合任務要求查閱文獻資料,并且自學補充相關知識,才能對被測量的采集方案進行比較和設計。在項目任務的設置上,通過具有一定挑戰度的任務促使學生主動學習,充分發揮自身實踐主體作用,積極完成任務。

(三)儀器類專業綜合創新實踐課程

本實踐課程設置在所有專業核心課程結束之后,從原來16學時的單片機技術課程設計擴展為32學時的儀器類專業綜合創新實踐課程,是電子設計創新實踐的進階。本階段延續前述實踐課程的項目任務,以通過單片機系統實現工程級的應用為教學目標,要求學生沿用前述課程或者改進的信號獲取和信號調理模塊,設計信號轉換、信號分析處理和信息輸出模塊,進行測試測量系統集成,并對系統的性能指標進行測試改進。課程還涉及高階性的要求,例如濾波算法的設計和系統校準算法的研究等。

本階段實踐課程并不僅是在項目達成方式上的進階,也是學生能力培養的進階,更是工程項目的反思及改進。經過測試測量系統所有模塊對應課程的學習,在課程中有針對性地進行項目各模塊深入探究。首先引導學生對前述課程中的信息獲取方案從指標完成度、技術難易程度、成本等方面進行評價,提出改進方案,接著是后續模塊的設計以及實現。

綜上所述,基于測控專業核心課程群的進階式實踐課程構建體現了CDIO工程教育模式思想,在貫穿核心課程群的大項目驅動下,在第一階段的電子設計創新實踐中,實現大項目部分內容的構思、設計、實現和運作;第二階段的實踐以前一階段的結果反思和其他核心課程群的探究性學習為構思過程,在構思環節內部形成小閉環,提高項目實施效率。

三、具體實施案例

按照以上建設思路,對兩門實踐課程的教學目的、教學實施過程、考核評價方式等方面重新設計,以測溫儀的設計為例進行闡述。

(一)教學目的

(1)第一階段實踐目標。設計一純電子電路系統,實現溫度信號的采集,測溫范圍為-20℃～199℃,以0～5V電壓形式輸出,要求輸出電壓與輸入溫度成對應關系。

(2)第二階段實踐目標。設計一測溫儀,溫度范圍為-20℃～199℃,精度為0.1℃,具有實時溫度顯示、℃/℉轉換、數據存儲及傳輸、歷史數據查詢等功能,符合行業規范和技術標準要求。

(二)教學實施過程

(1)任務布置。在第一階段的任務布置中,教師從家用電器的溫度測量入手,引導學生理解溫度檢測的兩種方式,并根據任務需求選擇適合的方式,接著引導學生主動查找文獻資料,根據項目需求查找接觸式測溫的方案。第二階段的任務布置中,重點在于引導學生對測溫儀功能和指標方面的需求分析,行業規范和技術標準的解讀促進學生對工程應用的理解。

(2)方案選擇。學生經過前期項目需求的分析后,根據項目的硬件需求和軟件需求(對應第二階段)擬訂備選方案,教師帶領學生進行討論,主要基于方案的難易程度、成本、時間等方面展開評估,在綜合考量的基礎上選出可實施方案。

(3)設計與仿真。在第一階段中主要對信號調理電路環節進行設計,通過Multisim軟件對電路的功能和技術指標進行驗證并改進電路設計。在第二階段主要對主控制模塊、顯示模塊、通信模塊進行設計,并設計系統電源電路;對數據采集程序、數據分析處理程序、顯示程序、數據存儲程序和外部通信程序進行設計,通過Proteus軟件進行部分硬件電路設計和程序設計仿真并改進。

(4)實物制作與調試。第一階段成果為純電子電路,制作PCB板實物,輸出部分以高精度電壓表進行測量,考查輸入溫度與輸出電壓之間的關系。第二階段在PCB板制作完成后,燒錄程序后,軟硬件聯調,實現測溫。該部分溫度的測量可以分為兩個溫度段,以0℃為分界點,0℃以上部分采用可加熱控制溫度源作為測量對象,0℃以下部分以冷凍冰柜為測量對象。

(5)總結匯報。該環節對項目進行總結,完成課程報告,并匯報答辯。

(三)考核評價方式

將單一的以最終成果進行評價的方式改為對實踐過程的全流程全方位評價。評價方式的改進對以小組為單位進行的集中實踐尤為重要,不再以簡單的技術效果來評價,而是對技術、態度、團隊合作、工程進度、工程管理方面綜合評價,有利于激發學生的實踐熱情,積極為團隊做出力所能及的貢獻。

結語

實踐表明,基于課程群的進階式實踐課程體系,增強了學生對系統和模塊關系的認知,特別有利于工程實踐中項目需求分析能力的提升,突顯各階段的實踐能力訓練重點。專業核心課程群的協同聯動,促進課程間的融合程度,對課程內的探究性學習起到積極作用,提高學生的學習興趣。項目設計中的挑戰性和高階性要求能夠支撐新工科和卓越工程師教育培養計劃2.0的工程人才培養新要求。