教研融合驅動機械工程測試技術課程案例化實踐教學改革

［摘 要］課題組針對農業工程專業機械工程測試技術課程教學中存在的知識體系缺乏系統性、教學內容更新滯后、實踐案例不足等問題，開展了案例化實踐教學改革研究。課題組以“常用傳感器與敏感元件”章節為例，從經典傳感器原理入手，結合農業工程領域的新型傳感器和常用檢測參數，搭建了“傳感器原理—信號類型—檢測參數”三維一體知識框架；依托任課教師的科研項目，設計了芒果在線動態稱重系統、百香果品質多指標在線檢測與分選系統、設施種植環境監測巡檢監控系統，同時將傳感器選型、信號調理、數據分析等知識點融入設計，引導學生進行系統分析、方案設計和實踐操作。改革后的實踐模式有效提升了學生的學習興趣和工程實踐能力，為培養適應新時代農業工程發展需求的高素質復合型人才奠定了基礎。

［關鍵詞］機械工程測試技術；案例化教學；傳感器；農業工程；實踐教學

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2025）13-0082-06

目前，國家大力推進農業現代化和新工科建設，對農業工程專業人才的培養提出了新挑戰[1-2]。《中國制造2025》國家戰略明確將“高端農業裝備”作為重點發展領域，強調了信息技術、傳感器技術、人工智能等前沿科技在農業生產管理中的應用[3-4]。在此背景下，農業工程專業教育必須適應新形勢，培養能夠將這些技術綜合應用于實際生產的專門人才[5]。

機械工程測試技術作為農業工程專業的核心課程，承擔著為智能農業裝備發展提供技術支撐的重任。然而，傳統的教學模式往往側重于理論講授，缺乏與實際應用場景的緊密結合，限制了學生將理論知識轉化為解決實際問題的能力[6]。案例教學作為一種有效的教學方法，將教學內容與實際案例相結合，從而有效提高學生的實踐能力和創新思維[7-8]。

本文旨在探索教研融合驅動下機械工程測試技術課程案例化實踐教學的改革路徑。本文以“常用傳感器與敏感元件”章節為例，依托科研項目建設案例庫，并進行教學內容重構和教學方法改革，同時設計了芒果在線動態稱重系統、百香果品質多指標在線檢測與分選系統、設施種植環境監測巡檢監控系統，將傳感器原理與農業工程實際應用相結合，以培養學生的實踐能力和創新思維。

一、傳統教學存在的問題

（一） 知識體系的碎片化與滯后性

當前課程內容雖然涵蓋了多種傳感器的類型和工作原理，但卻未能提供一個系統化的框架來整合這些知識點。傳感器的教學往往只是孤立地講解某種傳感器，使得學生難以建構一個不同傳感器之間相互聯系和協同工作的整體概念。這種教學方法不僅限制了學生對傳感器在農業工程中實際應用的理解，而且讓他們難以領悟到不同傳感器在自動化控制、環境監測等場景中的綜合運用，以及如何根據特定需求選擇和搭配合適的傳感器[9]。

此外，當前課程內容在介紹新興傳感技術方面也顯得不足，例如欠缺對光纖傳感器、生物傳感器、圖像傳感器等的介紹[10]。而這些技術在智能農業裝備的發展中扮演著越來越重要的角色。當前課程未能充分反映這些技術的最新進展，以及它們在現代農業裝備發展中對人才的新要求，可能會影響學生對行業發展趨勢的把握和未來職業的規劃。

（二）理論教學與實踐應用脫節

在傳統的教學模式下，課程往往側重于理論知識的傳授，而忽視了實踐操作和互動交流的重要性[11]。教材中的案例多數源自傳統的機械制造行業，與現代農業生產環境和檢測對象的相關性不強。傳統的教學模式使得學生在將抽象的理論知識應用到具體的農業工程問題上時感到困難[12]，同時也難以激發他們對學習的熱情。例如，盡管學生可能已經理解了電阻應變式傳感器的工作原理和特性，但卻并不清楚如何將這些知識應用于農業機械的力覺控制或農產品重量檢測等實際應用場景中。

二、機械工程測試技術課程案例化實踐教學改革策略

（一） 教學內容的優化整合

以“常用傳感器與敏感元件”的教學內容為例，從經典傳統傳感器的工作原理入手，輔之當前新穎和前沿傳感技術的介紹，構建有序傳感器的教學體系。

1.內容模塊化

將傳感器原理部分內容劃分為三個層次分明的模塊。模塊一：基本類型傳感器工作原理分析，包括電阻式、電感式、電容式傳感器等，重點講解這些傳感器的基本工作原理和特性。模塊二：介紹常用傳感器及其相關物理原理，如光電式、熱電式、霍爾式傳感器等。模塊三：主要介紹新型傳感器新技術進展及其在農業工程領域的應用，涵蓋光纖、生物、圖像等傳感器技術，旨在拓寬學生的知識面，并提升他們對行業最新動態的了解和應用能力。通過這種分層次、模塊化的內容設計，構建一個有序的傳感器教學體系，使學生能夠全面而深入地理解傳感器技術，并為其在農業工程領域的應用打下堅實的基礎。

2.傳感器類型劃分

按照傳感的技術成熟度，可以將傳感器劃分為基本類型傳感器、常用傳感器和新型傳感器。基于傳感器將檢測參數轉換為電信號后的類型，可以將傳感器輸出的信號分為模擬信號和數字信號兩大類。在農業工程檢測中，模擬信號通常包含拉/壓力、位移、速度等物理量；數字信號可以進一步分解為頻率信號、計數信號和狀態信號等三類共性參數[13]。

3.以“信號”為主線貫穿教學始終

打破傳統以傳感器分類進行講解的模式，將信號的獲取、調理、傳輸、分析等內容貫穿整個章節的講解過程中，并結合案例說明信號處理在實際測量中的重要性。例如，在講解電阻應變式傳感器時，可以闡釋機械形變如何轉化為電阻變化，進而轉化為電信號輸出，以及如何對信號進行放大、濾波等處理，最終實現對物理量的精確測量。

4.強化傳感器原理與農業工程應用的結合

注重結合農業工程的實際應用場景講解傳感器工作原理。例如，對于電阻應變式傳感器，可以展示其如何應用于土壤水分測量、農產品重量檢測和農業機械力覺控制等；對于光電傳感器，可以介紹其在農產品分級、種子計數和農業環境監測中的應用；對于圖像傳感器，可以介紹其在農產品品質檢測、病蟲害識別以及農業機器人導航中的應用。這種教學方法能夠使學生直觀地感受到傳感器技術在農業領域的實際價值，從而激發他們對農業工程領域的興趣和熱情。

更新前后的知識框架見圖1、圖2。

（二） 教學方法改革

課題組旨在通過對真實科研案例的分析，提高學生的實踐能力和問題解決能力，并將理論知識轉化為實踐技能[14]。具體實施措施如下。

1.案例庫建設

基于任課教師的科研項目，建立與農業工程生產實際需求緊密相關的案例庫，涵蓋農產品外觀參數檢測、設施生產環境參數監測等多個方面。每個案例包含案例背景、問題描述、解決方案、案例拓展等內容。

2.案例分析與討論

在課堂上，通過案例分析和小組討論，引導學生深入探討傳感器在實際應用中的問題和解決方案，從而加深學生對傳感器工作原理和應用的理解。

3.實踐項目整合

鼓勵學生將案例學習與實踐項目相結合，通過設計和實施自己的傳感器應用項目，將理論知識轉化為實踐技能。

4.案例教學效果評價

通過課堂觀察、問卷調查、學生作品評價等方式，對案例教學效果進行多維度評價，并根據評價結果不斷改進教學設計。

三、基于科研項目的案例化教學實踐

為將課程內容與實際應用緊密結合，課題組基于任課教師關于農產品品質無損檢測與設施農業智能裝備的兩個研究領域進行案例庫建設。這些案例涉及的關鍵參數包括但不限于農產品的外觀參數（重量、尺寸、顏色）和設施生產環境參數（溫濕度、CO2濃度、光強度、作物生長狀態），以及設施農業智能裝備的性能參數（行駛速度、位姿及位置）。在傳感器工作原理分析等方面，實踐案例與課程知識點的對應關系如圖3所示。

（一）基礎應用案例教學：芒果在線動態稱重系統的設計與實現

在芒果的自動化包裝生產線中，傳統的靜態稱重方式效率低、勞動強度大，難以滿足自動化生產線的需求。設計一種能夠在線對芒果進行自動稱重的系統，對提高生產效率、降低勞動成本具有重要意義。基于此，課題組設計了芒果在線動態稱重系統的實踐教學案例。

實施過程包括：（1）需求分析。分析芒果生產線的稱重需求，確定系統的關鍵性能指標，如稱重精度、速度和可靠性。（2）系統設計。設計包括傳送帶、稱重傳感器、數據采集模塊和控制單元的系統架構。（3）硬件選擇與集成。芒果稱重選擇電阻應變式傳感器，數據采集模塊包括信號放大電路、A/D轉換模塊等，控制單元包括片機控制系統和顯示屏等，系統組成如圖4（a）所示。（4）軟件開發。開發用于重量數據采集、處理和顯示的控制程序，實現芒果重量的實時顯示和歷史數據記錄。（5）系統測試與優化。對傳送帶輸送、傳感器重量檢測、信號放大與轉換、單片機處理與顯示等每個模塊的精度、穩定性和模塊間的配合進行優化，如圖4（b）所示。（6）項目拓展。進一步討論和優化機械設計、傳感器工作特性分析、電路連接及系統聯調，以促進創新設計，實現類似項目的舉一反三。

該案例實踐教學要求學生做到：一要理解動態稱重技術的原理和應用，二要掌握傳感器選擇和數據采集系統設計的基本技能，三要將理論知識應用于解決實際工程問題。

（二） 綜合應用案例教學：百香果品質多指標在線檢測與分選系統的開發

與芒果在線動態稱重系統類似，面對百香果品質人工分級效率低、精度低和主觀性強等問題，市場對精準分級的需求日益增長，迫切需要開發一套自動化、智能化的分級系統。本案例旨在開發一套基于機器視覺的百香果品質多指標在線檢測與分選系統[15]，實現綜合果徑、成熟度與皺縮情況等指標的自動檢測與分級，以提高分級效率和精度、提升百香果商品價值。

實施過程包括：（1）需求分析。明確百香果品質檢測需求，如果徑、成熟度和顏色等關鍵指標，并確定系統性能指標，如檢測精度、速度和可靠性等。（2）系統設計。系統主要由傳送帶、視頻采集模塊、分選執行模塊、控制系統和用戶界面等組成，如圖5（a）所示。（3）硬件選擇與集成。選擇CCD圖像傳感器獲取百香果圖像信息，利用光電傳感器實現果實位置的檢測；配合傳送帶設計分選撥爪，實現百香果三個等級的分選。（4）軟件開發。設計用戶交互界面，基于機器學習及深度學習等智能化信息處理方法，開發圖像處理算法以提取果實特征，建立綜合指標的分級模型，并在完成數據分析與記錄基礎上，控制撥爪完成分級動作。（5）系統測試與優化。對傳送帶輸送、CCD信息采集、果實特征提取與判別、分級分選等模塊進行驗證后，進行系統軟硬件的集成測試與優化，如圖5（b）所示。（6）項目拓展。調研百香果分級標準，優選檢測參數；優化圖像檢測流程與算法，優化多指標綜合分析方法與模型，優化分級分選機械結構與控制方法。

該案例實踐教學要求學生做到：一要掌握光電和CCD圖像傳感器的工作原理及應用，二要掌握圖像處理和機器學習在農產品品質檢測中的應用，三要學習如何設計和實現自動化檢測與分選系統，四要具備解決復雜工程問題的實踐能力和創新思維。

（三） 智慧農業管理案例教學：設施種植環境監測巡檢監控系統的集成與優化

設施農業作為現代農業的重要發展方向，其環境控制對作物產量和品質的影響較大。傳統的設施環境監測常采用多點固定式環境參數監控方式，存在布線煩瑣、成本高等問題。本案例教學旨在利用設施種植環境監測巡檢監控系統實現設施環境參數的自動實時感知和智能分析精準調控。

實施過程包括：（1）需求分析。調研設施種植環境監測的關鍵需求，明確監測參數如溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、植物生長狀態指標，以及巡檢系統中移動平臺位置信息等，并定義系統性能指標，包括監測精度、數據更新頻率、系統穩定性等。（2）系統設計。系統包含移動底盤、環境參數檢測模塊、植物生長視覺檢測模塊、中央處理單元和數據傳輸網絡等，涵蓋從數據采集、處理存儲到結果展示及平臺移動控制的整個流程，如圖6（a）所示。（3）硬件選擇與集成。設計二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器和光照強度傳感器陣列，實現環境參數監測；利用深度相機與圖像傳感器獲取植物生長狀態信息；基于激光雷達、慣性測量單元獲取移動底盤的位姿信息。同時，配置信號調理電路與信號傳輸模塊，確保傳感器信號準確傳輸。（4）軟件開發。開發能實現實時數據采集、處理和存儲的軟件，使操作者能夠方便地查看環境數據、系統狀態和歷史紀錄；基于深度圖像及圖像數據開發圖像處理算法，實現植物病蟲害、果實成熟度及植物根莖生長情況分析；結合三維激光SLAM技術，開發底盤移動控制程序，讓其在溫室大棚環境中進行路徑規劃和自主導航移動；開發報警系統，其能在環境參數超出預設閾值或底盤移動出現異常時及時通知管理人員。（5）系統測試與優化。對環境檢測、位姿監測、動作控制等系統進行單元測試，并對集成系統進行綜合評估與優化，如圖6（b）所示。（6）項目拓展。引導學生分析環境參數、優化傳感器布局方案、理解環境監測系統底盤與位置傳感數據交互控制原理，也可綜合討論其他導航方案；研究如何利用收集到的環境數據進行深入分析，并探討如何提升系統的智能化水平；學習數據處理和多源數據的統計分析方法，學習如何在設施生產中進行多參數全局系統化分析。

該案例實踐教學要求學生做到：一要理解設施農業環境監測的重要性以及關鍵參數的含義，二要掌握不同類型傳感器（溫濕度、CO2、光照強度等）的工作原理和應用方法，三要掌握環境監測系統的設計和集成技能，四要提升解決實際農業工程問題的綜合能力。

四、應用效果

本文所選案例均基于真實生產背景，案例間層層遞進，涉及內容豐富，有利于學生系統整理所學知識。課題組實施的案例化教學突出活學活用，旨在提升學生的獨立思考、分析和解決問題的綜合能力。根據課程滿意度調查，92.98%的學生認為目前的教學方法改變了“照本宣科、滿堂灌”的沉悶課堂氣氛，96.49%的學生表示課上教師提出的問題有利于引導學生進一步獨立思考和學習。

案例化教學設計了拓展任務，以激發學生課后深入探究的自主性與參與創新設計等實踐活動的熱情，培養學生的工程觀念、文獻查閱能力、解決問題能力和團隊合作精神。對于學生的創新設計作品，指導教師從中擇優推薦參加國際大學生智能農業裝備大賽、全國大學生單片機應用設計競賽等競賽活動。近兩年，課題組所推選作品在這些大賽中獲獎13項，形成了“學賽互促”的良性循環。可見，課題組提出的課程案例化實踐教學不但提升了人才培養的質量，也為新農科建設背景下同類型課程的教學改革提供了參考。

五、結語

本文以機械工程測試技術課程“常用傳感器與敏感元件”章節為例，探討了新農科背景下教學內容重構與教學方法改革的思路。課題組通過整合傳感器原理、前沿技術和行業應用，搭建了系統化的知識框架，并結合科研項目，設計了芒果在線動態稱重系統、百香果品質多指標在線檢測與分選系統、設施種植環境監測巡檢監控系統，層層遞進地引導學生學習傳感器工作原理、信號分析處理、系統集成與優化等知識和技能。這種將理論教學與工程實踐緊密結合的教學模式，不僅激發了學生的學習興趣，更培養了學生的創新思維、解決復雜工程問題的能力以及跨學科知識綜合應用的能力，為培養適應新時代農業工程發展需求的復合型人才作出了應有的貢獻。

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［責任編輯：鐘 嵐］