基于專業特色的“傳感與測試技術”教學改革初探

［摘 要］ 針對測控技術與儀器專業中的“傳感與測試技術”課程，提出一系列教學改革措施。通過在緒論和章節引言中講述“科學、人物、工程”故事滲透專業情懷，在測試信號分析教學中強調本質理解與工程應用、淡化數學推導，將教師科研成果引入傳感器教學，構建“認知、進階、研究”三層次實驗教學體系，以及提出基于科研成果的課程設計模式，提升教學質量，激發學生的創新積極性，突出專業特色，提高“傳感與測試技術”課程的教學效果，培養適應社會需求的高素質專業人才。

［關鍵詞］ 測控技術與儀器；專業特色；“傳感與測試技術”；教學改革

［基金項目］ 2022年度北京工業大學教育教學改革專項研究項目“新工科視域下創新創業教育與思政教育融合育人研究”（ER2022GGZX008）

［作者簡介］ 王鈺玨（1990—），男，安徽靈璧人，博士，北京工業大學信息科學技術學院講師，主要從事電磁無損檢測技術研究；劉秀成（1984—），男，湖南攸縣人，博士，北京工業大學信息科學技術學院教授，主要從事微磁無損檢測技術研究；高 翔（1991—），男，山西陽泉人，博士，北京工業大學信息科學技術學院副教授，主要從事超聲無損檢測技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）52-0055-05 ［收稿日期］ 2024-04-05

引言

隨著科技的飛速發展和工業自動化水平的不斷提高，測控技術與儀器專業在我國向信息化、自動化和智能化的產業轉型中地位日益凸顯［1］。作為北京工業大學測控技術與儀器專業必修的主干基礎課，“傳感與測試技術”課程旨在引導學生充分認識傳感及測試技術在國家重大工程建設、復雜工程測控技術與儀器研發中的重要地位和作用。課程將先修課程的基礎知識進行綜合運用，著重培養學生掌握和應用傳感及測試技術，解決復雜工程測試問題的能力。“傳感與測試技術”教學質量直接影響學生的專業素養和實踐能力［2］。

有學者指出，傳統教學模式往往注重理論知識的傳授，而忽視了實踐能力的培養［3］，導致學生在實際應用中難以靈活運用所學知識。還有研究認為，教學內容與實際工程需求脫節，無法滿足行業發展對創新型人才的要求［4］；傳統“傳感與測試技術”教材的信號分析方法與案例，與專業結合弱，造成學生重理論而缺乏解決實際工程問題的能力［5］。此外，一些文獻強調了教學方法的單一性限制了學生的學習積極性和主動性［6-7］。

為了應對這些問題，不少研究者提出了一系列改革措施。例如，有學者提出結合學校的實際情況，集中使用有限設備經費，集中時間開設系列實驗項目，強化訓練的改革思路，且在“傳感與測試技術”的課程實踐中取得了較好結果［8］；有的學者主張加強實踐教學環節，增加綜合性和設計性實驗項目［9］；也有學者提倡將科研成果引入教學，以激發學生的創新思維［10］。然而，這些改革和測控技術與儀器專業的要求仍存在一定差異，需要進一步完善和優化。

在此背景下，筆者提出了一系列更具針對性和系統性的教學改革措施，旨在突出測控技術與儀器專業特色，提高“傳感與測試技術”課程的教學效果，培養適應社會需求的高素質專業人才。

一、當前“傳感與測試技術”課程教學中存在的問題

（一）教學方法單一

傳統的教學方法以教師講授為主，學生被動接受，缺乏互動和實踐環節，難以激發學生的學習興趣和主動性。課程內容側重于理論知識的講解，缺乏對實際工程應用案例的分析和討論，導致學生對知識的理解不夠深入，難以將所學知識應用到實際工作中。“傳感與測試技術”課程涉及大量理論計算和公式推導，講授難度大，學生也較難完全理解課程內容。單一的“填鴨式”教學的專業培養方式難以滿足學生掌握和應用傳感及測試技術解決復雜工程測試問題能力的要求。

（二）教學內容脫離專業

“傳感與測試技術”是機械、信息和測控等專業的核心課程，通用教材難以突出專業特色。在傳感器方面，如今教學內容著重講述的應變式電阻傳感器、變極距電容傳感器等，已較少在測控儀器中應用。而應用較為廣泛的壓電超聲傳感器、巨磁阻傳感器等卻鮮有教授。脫離專業實際的教學也難以滿足測控技術與儀器專業的培養需要。

（三）實踐教學環節薄弱

實踐教學設備陳舊且數量不足，實驗項目多為驗證性實驗，缺乏綜合性和設計性實驗，無法有效培養學生的實踐能力和創新思維。“傳感與測試技術”課程涉及實驗較多，由于設備有限，多數情況下實驗以分組形式展開，每組中僅1～2名學生真正認真進行實驗，其他學生則圍觀居多，難以激發其科學探索的興趣，實踐教學的效果大打折扣。

二、教學改革措施

（一）緒論與章節引言中的專業情懷滲透

1.選擇具有代表性的案例。在緒論和各章節引言的教學中，精心挑選和“傳感與測試技術”相關的“科學、人物、工程”故事，故事應具有代表性和吸引力，能夠激發學生的學習興趣和對科學探索的敬仰之情。例如，可以選擇“中國天眼”“港珠澳大橋”等國家重大工程作為案例，講述此類工程中“傳感與測試技術”的應用以及相關科學家的事跡，讓學生了解本專業在國家科技發展中的重要作用。

2.結合實際工程問題。在講述故事的過程中，緊密結合實際工程問題，引導學生思考“傳感與測試技術”在解決這些問題時所發揮的作用。例如，介紹“中國天眼”時，可以引出索網應力測量的問題，讓學生思考如何通過傳感技術準確測量索網的應力，從而保證“中國天眼”的正常運行。通過這種方式，讓學生認識“傳感與測試技術”在實際工程中的重要性，增強學生的專業認同感和責任感。

3.培養學生的家國情懷。在教學過程中，注重培養學生的家國情懷，讓學生明白自己所學的專業知識能夠為國家的發展和建設做出貢獻。例如，通過講述“時代楷模”南仁東先生為了“中國天眼”默默奉獻的故事，激發學生的愛國熱情和使命感，鼓勵學生為實現中華民族偉大復興而努力學習。

（二）測試信號分析教學的優化

1.簡化數學推導，注重本質理解。測試信號分析部分涉及傅里葉級數展開、傅里葉變換性質等復雜的數學計算和公式推導，學生理解起來難度較大。教學中，應適當簡化數學推導過程，注重對測試信號分析本質的理解。通過實際案例和直觀演示，讓學生明白信號分析的目的是從復雜的信號中提取有用的信息，從而更好地理解和解決實際工程問題。

2.加強工程應用案例分析。增加工程應用案例分析的內容，讓學生了解信號分析在實際工程中的具體應用。例如，可以通過分析超聲導波缺陷檢測信號、電機振動信號等實際案例，讓學生掌握如何運用信號分析方法來檢測材料缺陷、診斷設備故障等。同時，鼓勵學生結合測控技術與儀器專業方向，思考信號分析在專業領域中的應用場景，培養學生的工程思維能力。

3.利用仿真軟件進行實踐教學。利用MATLAB、LabVIEW等仿真軟件，開發一系列教學仿真案例，讓學生通過實際操作加強對信號分析知識的理解和應用能力。例如，讓學生利用仿真軟件進行信號的采集、處理和分析，模擬實際工程中的信號處理過程，提高學生的實踐動手能力和解決問題的能力。

（三）科研成果在傳感器教學中的融入

1.引入最新科研成果。在傳感器部分的教學中，遵循“工程需求為牽引，技術創新來推動”的思路。教師將自己最新的科研成果融入傳感器教學中，向學生展示科研如何解決實際工程問題，激發學生的創新思維和對科研的興趣。例如，在講解傳感器的原理和應用時，可以結合教師在高精度漏磁檢測傳感器、磁致伸縮超聲導波傳感器等方面的科研成果，讓學生了解傳感器的發展動態和應用前景。

2.開展科研項目式教學。讓學生參與教師的科研項目，親身體驗科研的過程。例如，教師可以將高精度漏磁檢測傳感器科研項目分解成若干個小課題，學生以小組為單位研究如何通過高靈敏度隧道磁阻元件、優化傳感器結構和信號處理算法提高測量精度，讓學生了解科研的思路和方法。過程中，學生需要查閱文獻、設計實驗方案、進行實驗操作、分析實驗數據等，進而培養學生的科研能力和團隊合作精神。

（四）實驗教學體系的構建

實驗教學是“傳感與測試技術”課程不可或缺的重要環節，對培養學生的實踐能力、創新思維和解決實際問題的能力具有至關重要的作用。為了更好地實現教學目標，我們構建了“認知、進階、研究”三個層次的實驗教學體系，旨在逐步引導學生深入理解和掌握“傳感與測試技術”的知識和技能。

1.“認知”層次。主要采用外購的傳統教學儀器，結合課程知識點開展基礎實驗教學。通過基礎實驗，學生能夠熟悉實驗設備的基本原理和操作，建立對“傳感與測試技術”的初步認識。

認知模塊開設的實驗內容豐富多樣，涵蓋了電路特性測試、傳感器靜動特性測試等。在電路特性測試中，學生將進行正交解調電路、濾波器、放大電路等實驗，了解電路的基本組成和工作原理，掌握電路參數的測量和調試方法。學生通過使用應變式電阻稱重、光電測距、諧振頻率測試等實驗手段，可深入了解傳感器的工作原理和性能特點，學會如何準確地測量物理量并將其轉換為電信號。

為了讓學生更好地理解和掌握實驗內容，教學中應注重引導學生進行實際操作和觀察。比如，在使用常見的應變式電阻傳感器實驗模塊時，學生通過親自搭建電橋測試電路，測量不同質量砝碼下的電阻/電壓變化，采集和分析實驗數據，深入理解應變式電阻傳感器以及單臂、半橋和全橋電路的工作原理和特性。通過“認知”層次的實驗教學，學生能夠清晰地認識“傳感與測試技術”的基本概念和原理，為后續的學習和實踐打下堅實的基礎。

2.“進階”層次。利用自行開發的教學儀器，圍繞課程知識點的工程應用設計實驗項目。旨在讓學生在實踐中掌握將理論知識應用于實際工程的能力，培養學生的工程實踐能力和創新思維。

進階模塊開設的實驗內容包括渦流/漏磁傳感器設計制作與檢測電路開發、材料缺陷的漏磁/渦流檢測實驗與信號分析等。在渦流/漏磁傳感器設計制作與檢測電路開發實驗中，學生親自參與傳感器的設計和制作過程，了解傳感器的結構和工作原理，掌握檢測電路的開發和調試方法。通過材料缺陷的漏磁/渦流檢測實驗與信號分析，學生學會如何運用渦流/漏磁檢測技術檢測材料中的缺陷，并對檢測數據進行分析和處理，判斷缺陷的大小和位置。

在鼓勵學生設計制作傳感器的過程中，引導學生從傳感器的原理出發，選擇合適的材料和結構，進行傳感器的設計和制作。例如，制作漏磁/渦流傳感器時，學生需要參與開發檢測電路，將傳感器與檢測電路連接起來，形成一套完整的漏磁/渦流缺陷檢測實驗系統。實驗過程中，學生將對鋼板和鋁板上不同尺寸的缺陷進行檢測，通過對檢測數據的分析和處理，學會判斷缺陷的大小和位置。這種實踐操作不僅能讓學生將理論知識與實際應用相結合，還可培養學生的創新思維和解決實際問題的能力。

在“進階”層次的實驗教學中，注重培養學生的團隊合作精神和自主學習能力。學生將以小組為單位進行實驗，共同完成實驗任務。實驗過程中，學生需要相互協作、相互交流，共同解決遇到的問題。同時，還需要自主學習相關的知識和技能，查閱文獻資料，不斷完善實驗方案和方法。通過“進階”層次的實驗教學，學生能將所學的理論知識應用于實際工程中，提高自己的工程實踐能力和創新思維，為今后的學習和工作打下堅實的基礎。

3.“研究”層次。借助開放式的科研平臺，引導學生參與科研實驗。科研實驗通常具有較高的難度和挑戰性，需要學生具備較強的獨立思考和解決問題的能力。

研究模塊開設的實驗內容包括標準缺陷試塊的超聲無損檢測實驗與信號分析、微磁檢測實驗與信號分析等。在標準缺陷試塊的超聲無損檢測實驗與信號分析中，學生將學習超聲無損檢測技術的原理和方法，掌握超聲檢測設備的操作和調試技能，對標準缺陷試塊進行檢測和信號分析，評估試塊的質量和性能。微磁檢測實驗與信號分析可讓學生接觸到微磁檢測技術這一前沿領域，了解微磁檢測技術的原理和應用，掌握微磁檢測設備的操作和數據分析方法。在“研究”過程中，學生需要獨立思考、不斷嘗試，解決遇到的各種問題。同時，還需要與教師以及其他學生進行交流和討論，分享自己的經驗和見解，共同提高實驗的效果和質量。

通過“研究”層次的實驗教學，學生能深度體驗實驗研究的全過程，培養自己獨立思考和解決問題的能力，提高自己的科研素養和創新能力。同時，還可以接觸到學科前沿領域的知識和技術，拓寬自己的視野，為今后的科研和工作打下堅實的基礎。

（五）基于科研成果的課程設計

科研成果轉化為教學實驗在“傳感與測試技術”課程的教學中具有重要意義，它主要服務于“認知、進階、研究”三層次實驗體系中的“研究”層次，旨在提升學生的工程實踐能力和創新能力。

在將科研成果轉化為教學實驗的過程中，主要引入國家自然科學基金、重點項目、國家重大科研儀器項目、國家重點研發計劃中的儀器樣機研制成果。這些成果代表了當前科研領域的前沿水平，將其引入實驗教學，能夠讓學生接觸到最新的科技成果，拓寬學生的視野，激發學生的創新思維。

為了更好地實現科研成果向教學成果的轉化，提出基于科研成果構建面向工程的課程設計模式。該模式以典型非電物理量的測試及分析過程為主線，將漏磁檢測技術、超聲檢測技術、微磁檢測技術等基于不同傳感原理實現的檢測方法作為基本模塊，讓學生能系統地學習和掌握各種檢測技術的原理和應用，提高他們解決實際工程問題的能力。

以漏磁檢測技術為例，該模塊中，以鋼索缺陷檢測為案例，讓學生設計檢測方案、搭建實驗系統、分析檢測結果。在設計檢測方案階段，學生需要考慮鋼索的結構特點、缺陷類型以及漏磁檢測技術的原理，制定合理的檢測方案。學生需要確定傳感器的布置位置、信號處理和采集的參數等，以確保能有效檢測鋼索中的缺陷。在搭建實驗系統階段，學生需要根據設計方案，選擇合適的傳感器、信號處理電路、數據采集設備等，并以此連接成一個完整的實驗系統。過程中，學生需要掌握各種儀器設備的操作方法和參數設置，以確保實驗系統能夠正常運行。在分析檢測結果階段，學生需要對采集到的數據進行處理和分析，判斷鋼索中是否存在缺陷，并確定缺陷的位置和大小。學生需要運用相關的信號處理和數據分析方法，對數據進行濾波、降噪、特征提取等處理，以提高檢測結果的準確性和可靠性。通過實驗研究，學生能深入了解漏磁檢測技術的原理和應用，提高思考和解決問題的能力，更好地應對今后工作中遇到的各種挑戰。

結語

筆者深入分析了測控技術與儀器專業的“傳感與測試技術”課程教學現狀，發現當前課程教學中存在一些亟待解決的問題。為了提高教學質量，培養學生掌握和應用傳感及測試技術解決復雜工程測試問題的能力，提出五項改革措施，包括緒論與章節引言中的專業情懷滲透、測試信號分析教學的優化、科研成果在傳感器教學中的融入、“認知、進階、研究”實驗教學體系的構建以及基于科研成果的課程設計。

在緒論與章節引言中滲透專業情懷，激發學生對科學探索的興趣和對專業的熱愛。通過講述“科學、人物、工程”的故事，讓學生了解傳感與測試技術在國家重大工程中的重要作用，增強學生的專業認同感和責任感。

測試信號分析教學的優化對學生理解和應用測試信號分析知識至關重要。注重對測試信號分析本質的講解，通過實際案例讓學生明白信號分析在工程中的具體應用。同時，利用仿真軟件等工具進行實際操作，加深學生對知識的理解和應用能力。

科研成果在傳感器教學中的融入使得教學內容更加貼近實際應用，激發學生的創新思維。教師通過將自己的科研成果引入課堂，展示科研如何解決實際工程問題，讓學生了解科研的思路和方法。講解傳感器的原理和應用時，通過結合科研項目中的實際案例，讓學生更好地理解傳感器在不同領域的應用。

“認知、進階、研究”實驗教學體系的構建有助于學生逐步提高實踐能力，增強創新意識。“認知”階段，學生通過基礎實驗熟悉實驗設備的操作和基本原理，建立對“傳感與測試技術”的初步認識。“進階”階段，學生參與更具綜合性和挑戰性的實驗項目，將理論知識應用于實際工程中，提高工程實踐能力。“研究”階段，學生借助開放式的科研平臺參與科研實驗，深度體驗實驗研究的全過程，培養自己獨立思考和解決問題的能力。

基于科研成果的課程設計能夠促進科研成果向教學成果的二次轉化，使學生更好地接觸到前沿的技術和方法。以典型非電物理量的測試及分析過程為主線，將漏磁檢測技術、超聲檢測技術、微磁檢測技術等基于不同傳感原理實現的檢測方法作為基本模塊，讓學生在課程設計中綜合運用所學知識，解決實際問題，提高創新能力。

通過上述方式，突出專業特色，強化學生的工程實踐能力和創新意識。同時，“傳感與測試技術”課程的教學改革是一個不斷探索和完善的過程，需要根據學生的需求和社會的發展，不斷調整和優化教學內容和方法，以培養更多適應社會需求的高素質專業人才。相信通過努力，能為學生的未來發展打下堅實的基礎，為國家的科技進步和經濟發展做出貢獻。

參考文獻

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An Initial Exploration of Teaching Reform of Sensing and Testing Technology Based on the Characteristics of Measurement and Control Technology and Instrumentation

WANG Yu-jue， LIU Xiu-cheng， GAO Xiang， LI Peng

（College of Information Science and Technology， Beijing University of Technology，

Beijing 100124， China）

Abstract： This paper presents a series of teaching reforms for the Sensor and Testing Technology course in the Measurement and Control Technology and Instrumentation major. By narrating anecdotes related to “science， characters， engineering” in the introduction and chapter introductions to instill a sense of belonging to the discipline， emphasizing fundamental comprehension and practical applications in test signal analysis instruction while reducing emphasis on mathematical derivations， integrating faculty research accomplishments into sensor education， establishing a three-tiered experimental teaching framework encompassing “cognition， progression， and research”， as well as proposing a curriculum design model based on scholarly achievements. This study effectively enhances instructional quality， fosters students’ innovative drive， and accentuates characteristics of the major， improves the teaching effect of Sensing and Testing Technology courses， and cultivates high-quality professionals to meet the needs of the society.

Key words： measurement and control technology and instruments; features of the major; Sensing and Testing Technology; teaching reform