學科引領下電類測控技術與儀器專業實驗教學改革提升學生創新能力

摘 "要：該研究關注電類測控專業實驗教學改革，旨在通過學科引領，整合前沿科技與項目驅動模式重塑課程體系，以應對智能制造和物聯網領域對實用創新人才的需求。研究以智能分揀機械臂系統為載體，融入跨學科內容如機器視覺與智能算法，指導學生全程參與項目開發，從方案討論至硬件采購、技能實訓、傳感器集成直至多模塊聯調，實現部分智能分揀任務。經兩屆學生實證，改革取得良好的效果，但亦暴露出對datasheet理解、課程結構優化、技術參數掌握及調試技能等問題。故建議強化相關能力培養，以有效提升學生專業知識應用力及跨學科綜合素養。

關鍵詞：實驗教學改革；學科引領；智能分揀機械臂；創新能力培養；機器視覺

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）S2-0053-04

Abstract： This study focuses on the experimental teaching reform of electrical measurement and control majors， aiming to reshape the curriculum system through discipline-led integration of cutting-edge technology and project-driven mode to respond to the demand for practical and innovative talents in the fields of intelligent manufacturing and Internet of Things. The research takes intelligent sorting robotic arm system as a carrier， integrates interdisciplinary contents such as machine vision and intelligent algorithms， and guides students to participate in project development throughout the whole process， from programm discussion to hardware procurement， skills training， sensor integration until multi-module intermodulation， to achieve part of the intelligent sorting tasks. After two sessions of students' evidence， the reform has achieved good results， but also exposed the understanding of datasheet， course structure optimization， mastery of technical parameters and debugging skills and other issues. Therefore， it is recommended to strengthen the related ability training， in order to effectively enhance students' professional knowledge application and interdisciplinary comprehensive literacy.

Keywords： experimental teaching reform; discipline leadership; intelligent sorting robot arm; innovation ability cultivation; machine vision

電類測控技術與儀器專業在當今科技飛速發展的時代扮演著關鍵角色[1]。隨著智能制造、物聯網、航空航天、新能源和環保監測等戰略性新興產業的發展，這一領域涵蓋了傳感器技術、自動控制技術、信息處理技術等多個子領域，為技術進步提供了關鍵支持。工業4.0和智能制造的興起帶來了對電類測控技術與儀器專業人才新需求的變化，強調理論與實踐并重，特別強調應用型創新人才必須具備解決復雜工程問題和持續創新的能力[2]。

近年來，全球范圍內的實驗教學改革呈現出共性特征和發展趨勢。國內高等教育實驗教學正在由傳統的灌輸式、教師主導型向現代的探究式、學生主體性轉變。這一變革強調激發學生內在驅動力，鼓勵他們積極參與、親手實踐，并培養其創新思維能力[3]。在國際視角下，實驗教學改革強調跨學科整合與解決現實問題的能力培養。學科引領在實驗教學改革中起著關鍵作用，促進學生站在學術研究的最前沿，并培養跨界思考與協同創新的能力[4]。

本研究旨在深入探究在學科引領視角下的實驗教學改革對電類測控人才創新能力的提升。學科引領意味著以學科前沿動態為指引，整合優化課程體系，激發學生在理論學習與實踐操作中的創新[5]。采用文獻分析、實證研究與案例分析相結合的方法，首先梳理電類測控技術與儀器專業的發展趨勢及實驗教學改革現狀，然后探討學科引領在實驗教學改革中的理論內涵與實施策略；最后，總結研究發現，提出實驗教學改革的改進建議和未來發展方向。

一 "學科引領與實驗教學改革

學科引領在實驗教學改革中扮演關鍵角色，確保教學內容與學術前沿保持同步。注入學科前沿知識可以激發學生的求知欲和探索精神。同時，跨學科融合有助于培養學生的綜合素質和創新能力，構建跨學科實驗平臺可提高學生綜合問題解決能力。

（一） "學科引領下的教學改革策略

在本研究中，針對電類測控技術與儀器專業的實驗教學改革，我們實施了學科引領和項目牽引的綜合改革策略。首先，學科引領體現在重新構建了課程體系，整合了學科前沿知識，確保課程內容貼近行業發展趨勢，激發學生主動學習和創新的興趣。其次，項目牽引下，設計了一系列具有挑戰性的實驗項目，通過解決實際問題，引導學生將理論知識應用于實踐。

在整個改革實施過程中，我們制定了詳細的實施計劃，包括前期的師資培訓、課程改造、實驗條件優化，中期的項目實施監督與指導，以及后期的學生成果展示與評價等，確保改革措施得以全面、有序、高效地落地。

（二） "實驗教學改革內容

在機器視覺與機器人技術快速發展的背景下，實驗教學改革亟需把握這一趨勢，將最新科技成果及時融入課程體系之中，尤其是人型機器人和機械臂等智能硬件的發展，為實驗教學內容的創新提供了無限可能。比如，在電類測控技術與儀器專業的實踐課程中，可以設計涵蓋機器人、大數據模型算法與實體機械臂協同控制的綜合性實驗項目，培養學生跨學科解決問題的能力。這類實驗項目不僅強化了學生對理論知識的應用，而且鍛煉了他們在真實環境中運用先進技術解決復雜工程問題的實踐能力。

項目設計主要包括以下5項課題：①3U立方星的組裝與性能開發；②智能分揀機械臂開發；③AI視覺智能小車開發；④TonyPi仿生人形機器人開發；⑤機器狗開發。從電測控2001和2101班的實驗效果來看，達到了預期的目標，為今后項目設計提供了寶貴的經驗。

二 "實踐案例分析

項目圍繞智能算法以及高性能測控系統的研發等學科前沿，構建了一套面向未來的項目設計實驗課程體系。通過整合校內優質科研資源，將自主研發的人型機器人與機械臂控制系統作為實驗教學載體，實現了科教融合的生動實踐。

（一） "實施策略

在實施過程中，我們以學科前沿動態為引領，設置了涵蓋機器視覺與分析、智能控制算法設計、人型機器人/機械臂系統集成等內容的系列實驗課程，確保課程體系既能反映學科發展，又能滿足產業需求。在整個項目周期中，學生從需求分析、系統設計、硬件選型、軟件編程到系統測試，全程參與項目實施，實現了理論知識與實踐經驗的深度融合。實施策略流程圖如圖1所示。

（二） "實施過程

現以學生研發的“基于機器視覺的智能分揀機械臂系統”為例，說明項目設計課程的實施過程。

智能分揀機械臂系統的研發旨在解決倉儲物流中的人力短缺和效率低下問題。該系統集成了先進的機械臂、數字控制和計算機視覺技術，以提高物流轉運的自動化程度和工作效率。設計的機械手具備六個自由度，可靈活執行各種貨物搬運任務，滿足多元化物流需求。

1 "智能分揀機械臂系統構成

系統由機械、傳動、驅動、控制和檢測五大模塊構成。機械手采用輕質鋁合金制造，傳動系統采用一級齒輪傳動和同步齒型帶技術，驅動系統采用直流伺服電機，核心控制系統為計算機。機械臂結構示意圖如圖2所示。

智能分揀機械臂系統如圖3所示，顯示了各個組成部分和功能模塊的結構關系。

2 "智能分揀機械臂系統設計流程

在項目啟動階段，團隊在指導教師的指導下，集中探討了智能分揀機械臂的設計構想與功能定位，明確了項目將以實現一種能自主識別、精準抓取并分揀不同物品的智能機械臂為目標。隨后，團隊成員根據各自的專長進行了分工，分別就機械臂的背景、市場前景及技術難點進行深入調研，確保對項目有全面的理解和認識。

在準備工作就緒后，團隊制定了詳細的工作計劃和進度安排，采購了包括LeArm機械臂在內的相關硬件，并按計劃順利進行了開題匯報。接下來，團隊成員按照分工，逐步掌握了LeArm機械臂的基本使用方法，搭建了開發環境，對機械臂的基礎操作功能進行了測試與熟悉。

在機械臂功能初步驗證的基礎上，團隊有序地進行了傳感器模塊的二次開發工作，完成了機械臂與各種傳感器（如超聲波、紅外、聲音、光敏和顏色傳感器等）的集成組裝。通過上位機操控，團隊逐一實現了單自由度至多自由度的機械臂運動控制，并成功測試了圖像采集、數據處理和舵機調控等基本功能。同時，各傳感器模塊的功能也在獨立測試中得到驗證，確保了后續二次開發工作的順利進行。

為了實現更高級別的智能分揀功能，團隊將機械臂與外接的擴展板STM32進行整合，初步試驗了傳感器模塊間的協同工作。雖然此時面臨的主要問題是功能相對獨立，缺乏綜合性的應用實踐，但團隊并未止步于此。

在項目后期，團隊把重心放在了功能集成上，對各模塊代碼進行了深入研究與整合優化。盡管受限于項目周期，雖未能完全實現所有功能的一體化，但團隊成功在預設的機械臂動作基礎上，通過傳感器模塊的協同工作，實現了部分集成智能分揀功能。具體的實現步驟見表1。成果展示如圖4和圖5所示。

圖4 "機械臂抓取物體實物圖

圖5 "利用Yolo v5算法識別所抓取的物體

3 "改革實施效果分析

從電測控2001和2101班的實驗教學改革實施效果分析中，我們可以看到，此次改革已初見成效，達成了預期的教學目標，為未來的項目設計積累了寶貴的實踐經驗。

通過對前期教學工作的反思與總結，我們歸納出以下幾個問題。

1）學生在基礎知識應用方面存在短板，特別是datasheet閱讀能力。許多學生在面對復雜的datasheet時，難以快速準確地識別和理解其中的關鍵技術參數信息，這對他們實踐操作和理論知識的應用構成了一定阻礙。

2）項目設計的總體目標設定上，部分學生由于目標過于宏觀而感到無所適從，不清楚如何將其細化為具體的步驟和階段性任務，導致在執行過程中出現方向性迷茫。

3）在硬件設備的實際操作中，一部分學生對設備技術指標的理解不夠深入，這直接影響了他們能否有效利用這些指標進行精確的實驗操作和系統調試。

4）關于系統調試流程，許多學生在實踐中表現出困惑，顯示出他們在系統級調試技術和操作步驟的理解與應用方面仍有較大提升空間。

針對上述問題，我們制定了相應的改進措施如下。

1）提高datasheet閱讀的教學比重，加強對學生獨立解讀datasheet能力的培養，讓其能準確捕捉并運用datasheet中的關鍵信息，這是提升學生實踐應用能力和技術素養的核心一環。

2）調整實驗課程的教學結構，對總體目標進行科學合理的拆解，設定清晰明確的階段性子目標，引導學生有序完成從理論知識向實踐技能的過渡。

3）在硬件設備操作和系統調試的教學中，強調并深化對硬件設備技術指標含義的理解與掌握，同時，通過實戰演練讓學生熟練掌握系統調試的整體流程，以期提高他們在實驗過程中的應對能力和實際操作水平。

三 "結束語

本研究指出學科引領在電類測控技術與儀器專業實驗教學改革中的關鍵作用及其對學生創新能力培養的實際效果。教學改革提升了實驗課程的新穎性和實用性，激發了學生的學習熱情和創新潛能。然而，資源配置不足、科教融合不夠深入等問題仍存在。未來研究可拓展至采用先進技術手段優化實驗教學、探究跨學科融合模式對創新能力培養的影響，并建立實驗教學質量評估體系，以促進實驗教學改革向更深層次發展，并借鑒國際先進經驗，實現更大的創新。

參考文獻：

[1] 賀顯明，王麗蕊，張小云，等.新工科背景下測控技術與儀器專業人工智能方向建設探索[J].教育進展，2023，13（9）：6336-6342.

[2] 謝啟，徐惠鋼，陳景波，等.多主體協同育人的智能制造人才培養模式研究與實踐[J].常熟理工學院學報，2021，35（5）：100-105，115.

[3] 夏瑜，周蓓，周立凡.項目中心課程模式研究與探索[J].高等工程教育研究，2022（6）：121-125.

[4] 劉華，金葉瀅.研究生創新人才培養的國際現狀及其啟示[J].淮北職業技術學院學報，2019，18（5）：28-32.

[5] 李偉.“新工科”理念下項目化學習推動課堂教學實踐[J].高等工程教育研究，2021（S1）：3-6.