工程項(xiàng)目應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與探索

陳世海, 王 軍, 代 偉, 王艷芬, 毛會瓊, 李 明

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對高等工程教育具有至關(guān)重要的作用,它是培養(yǎng)學(xué)生工程思維和提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要手段[1-3]。然而,受工程教育長期處于科學(xué)化、知識化教育模式的影響,實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)常常被設(shè)定為“加深學(xué)生對理論知識的理解,提高學(xué)生動手實(shí)踐/操作能力”,而工程中至關(guān)重要的實(shí)踐能力,不僅被置于附屬位置,同時又經(jīng)常被操作能力取代[4-7]。工程教育中實(shí)踐能力絕不是科學(xué)知識的簡單應(yīng)用能力,也不是儀器設(shè)備的操作能力,而是開展實(shí)際工程的能力及解決復(fù)雜工程問題的能力。面向?qū)嶋H工程需求,改革并加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),已經(jīng)成為我國高等工程教育中,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量亟待解決的重大課題[7-8]。

2015年3月,中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會重新修訂了《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》,以解決復(fù)雜工程問題為著眼點(diǎn),以學(xué)生的能力培養(yǎng)為導(dǎo)向,分別從工程知識、問題分析等12個方面提出了明確的畢業(yè)要求。該標(biāo)準(zhǔn)為高等工程教育實(shí)踐教學(xué)改革提供了明晰的指導(dǎo)思想。

工程教育源于實(shí)踐,更要?dú)w于實(shí)踐,在校期間工程實(shí)踐訓(xùn)練是學(xué)生獲取工程技能的主要途徑[9-10]。參與具體工程項(xiàng)目是一種直接而有效的手段,然而實(shí)際工程項(xiàng)目是以滿足社會需求為目的,具有時效性、特殊性和復(fù)雜性,并不適用于普適性的實(shí)驗(yàn)教學(xué),同時,由于其難度較大、時間跨度長等原因,導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生對直接參與工程項(xiàng)目的興趣不高。

為了使所有學(xué)生都能夠在實(shí)驗(yàn)中獲得近似真實(shí)的工程項(xiàng)目體驗(yàn),本文根據(jù)學(xué)生知識水平與通信電子電路課程內(nèi)容,以已經(jīng)完成的 “煤田火區(qū)監(jiān)測項(xiàng)目”為藍(lán)本,遵循《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》指導(dǎo)思想,以能力導(dǎo)向教育(OBE)為核心理念,以促進(jìn)學(xué)生達(dá)成《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》提出的12條“畢業(yè)要求”為出發(fā)點(diǎn),提煉項(xiàng)目核心內(nèi)容,重新審視并優(yōu)化項(xiàng)目推進(jìn)流程,在此基礎(chǔ)之上,開發(fā)出基于實(shí)際工程項(xiàng)目的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。

1 煤田火區(qū)監(jiān)測項(xiàng)目

煤田火災(zāi)不僅造成煤炭資源損失,而且產(chǎn)生大量有害煙塵,對環(huán)境造成嚴(yán)重影響,我國的煤田火災(zāi)甚至被列為全球仍在繼續(xù)的5大生態(tài)災(zāi)難之一。地表溫度是反映火區(qū)狀態(tài)、治理效果的有效指標(biāo),本項(xiàng)目以新疆大泉湖煤田火區(qū)溫度監(jiān)測為主要研究對象。大泉湖火區(qū)邊界距烏魯木齊市中心約13 km,面積超過31.3萬m2,地表溫度最高超過了800 ℃,每年燃燒損失煤炭資源21.7萬t,受威脅煤炭儲量1 128萬t[11]。

由于大泉湖火區(qū)面積巨大,且地處野外,鋪設(shè)供電線路、通信線路困難,同時區(qū)域內(nèi)有裂隙、塌陷發(fā)育,維護(hù)不便，并有一定危險性,綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性等技術(shù)指標(biāo)后,系統(tǒng)采用“無線傳感+分區(qū)式星形拓?fù)洹狈绞?即將整個火區(qū)劃分為如干個小監(jiān)測區(qū)域,每個分區(qū)包含一個無線分站和若干無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤田火區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤田火區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、無線分站和監(jiān)控中心3部分組成。無線分站與無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用星形組網(wǎng),每個無線分站對應(yīng)于一個監(jiān)測區(qū)域,最多可以同時鏈接40個無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。綜合系統(tǒng)功耗和傳輸距離等因素,無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和無線分站之間采用433 MHz無線通信；無線分站與監(jiān)控中心采用“GPRS+Internet”方式進(jìn)行通信,即無線分站通過GPRS方式把數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet,然后監(jiān)控中心通過Internet獲取分站數(shù)據(jù)。

無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用Pt100作為測溫元件監(jiān)測地表溫度,Pt100溫度測量范圍可達(dá)-200～+850 ℃,滿足火區(qū)溫度監(jiān)測要求。由于無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)布設(shè)范圍廣、數(shù)量眾多,且地處野外,考慮到系統(tǒng)成本、安裝及維護(hù)等因素,其供電采用“鋰電池+太陽能充電”方式,同時采用低功耗設(shè)計(jì),確保其在無太陽能充電情況下,可以正常工作2周以上。

無線分站相對無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn),數(shù)量少、功耗大,且需要連續(xù)工作,所以采用交流供電方式。同時考慮到環(huán)境監(jiān)測需要,無線分站還需監(jiān)測所在區(qū)域的溫度、濕度和CO濃度。無線分站將本機(jī)監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)連同無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù),打包后通過GPRS模塊發(fā)送至監(jiān)控中心的上位機(jī)。上位機(jī)通過專用監(jiān)測軟件實(shí)時獲取并顯示火區(qū)溫度等信息,監(jiān)測界面如圖2所示。

圖2 煤田火區(qū)監(jiān)測界面

該項(xiàng)目研發(fā)工作主要涉及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無線傳輸方式選擇、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測分站軟硬件設(shè)計(jì)、上位機(jī)開發(fā)以及系統(tǒng)穩(wěn)定性測試等方面內(nèi)容。由于監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量大,系統(tǒng)穩(wěn)定性對應(yīng)應(yīng)用效果至關(guān)重要,是決定項(xiàng)目能否順利完成的關(guān)鍵因素。所以,在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成功后又進(jìn)行了大量測試,期間發(fā)現(xiàn)并解決了無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)死機(jī)、監(jiān)測分站數(shù)據(jù)丟包、無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)待機(jī)時間短等問題,從而確保了系統(tǒng)可靠運(yùn)行和項(xiàng)目順利驗(yàn)收。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心,以解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)為導(dǎo)向,以達(dá)成《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中12條畢業(yè)要求為目標(biāo),梳理煤田火區(qū)監(jiān)測項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)流程,結(jié)合學(xué)生知識與能力水平,提煉項(xiàng)目關(guān)鍵環(huán)節(jié)及其所含核心工程問題,然后將其轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求,實(shí)驗(yàn)計(jì)劃如圖3所示,其中畢業(yè)要求所標(biāo)序號與《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》所標(biāo)序號相同。實(shí)驗(yàn)實(shí)行組長負(fù)責(zé)制,3～5人一組,按從需求分析到結(jié)題驗(yàn)收的實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行流程開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用具有反饋機(jī)制的過程性評價方法,即學(xué)生分階段提交或者匯報(bào)項(xiàng)目進(jìn)展及存在的問題,指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的完成情況和完成質(zhì)量評定該階段實(shí)驗(yàn)考核等級,同時將考核結(jié)果和修改建議一并反饋給學(xué)生,并可根據(jù)修改情況重新核定等級。

圖3 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃魚骨圖

2.2 實(shí)驗(yàn)要求及考核要點(diǎn)

如圖3所示,實(shí)驗(yàn)過程共分為需求分析、方案論證、任務(wù)分解、設(shè)計(jì)/開發(fā)、聯(lián)調(diào)測試和結(jié)題/驗(yàn)收6個階段。

(1) 需求分析。該階段重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生“工程知識、問題分析和終身學(xué)習(xí)”3方面的能力。教師通過集中講授,向?qū)W生介紹煤田火區(qū)溫度監(jiān)測甲方立項(xiàng)背景、立項(xiàng)意義、項(xiàng)目目標(biāo)及具體要求等內(nèi)容。要求學(xué)生根據(jù)甲方需求,借助圖書館圖書及數(shù)據(jù)庫等資源查閱相關(guān)文獻(xiàn),通過文獻(xiàn)分析、自學(xué)相關(guān)工程知識,分析甲方需求,并將甲方需求轉(zhuǎn)換成相應(yīng)技術(shù)問題、技術(shù)指標(biāo)等。需求分析報(bào)告中要明確以下內(nèi)容:火區(qū)地表溫度范圍、火區(qū)面積及各向距離、測點(diǎn)數(shù)量要求、火區(qū)通信及供電資源。如有漏項(xiàng),教師需要及時指出并建議其完善。

(2) 方案論證。培養(yǎng)學(xué)生“設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、使用現(xiàn)代工具”的能力是該階段的主要任務(wù),要求學(xué)生確定溫度傳感器選型、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測分站及監(jiān)測分站與監(jiān)控中心之間的組網(wǎng)方式、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)及監(jiān)測分站供電方式等內(nèi)容,并闡述選型依據(jù)。指導(dǎo)教師審查設(shè)計(jì)方案時重點(diǎn)關(guān)注選型依據(jù)的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)方案的合理性。如有的組選用DS18B20作為溫度傳感器,指導(dǎo)教師則要求學(xué)生下載該傳感器的Datasheet,將其技術(shù)指標(biāo)與項(xiàng)目需求相比對,并論證選型與設(shè)計(jì)方案的“合理性”。

(3) 任務(wù)分解。該階段側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的“個人和團(tuán)隊(duì)、項(xiàng)目管理及溝通”等方面能力,要求組內(nèi)分工明確、任務(wù)具體,并且要有明確的考核或完成指標(biāo)及時間節(jié)點(diǎn)；為杜絕“打醬油”“坐順風(fēng)車”現(xiàn)象,對嚴(yán)重不平衡的分工,則要求該組重新分工。

(4) 設(shè)計(jì)開發(fā)。要求學(xué)生依照分工完成相應(yīng)開發(fā)任務(wù),設(shè)計(jì)開發(fā)報(bào)告中要包含框圖、電路圖、參數(shù)計(jì)算過程及依據(jù)、軟件流程圖,并詳細(xì)記錄調(diào)試過程中出現(xiàn)問題的解決方案。該階段實(shí)驗(yàn)任務(wù)較重,指導(dǎo)教師著力引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)的優(yōu)勢,分工協(xié)作,提高“個人和團(tuán)隊(duì)、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案”方面的能力。

(5) 聯(lián)調(diào)/測試。本階段要借助現(xiàn)有火區(qū)監(jiān)控軟件對系統(tǒng)整體功能進(jìn)行驗(yàn)證,然后分別測試通信距離、無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)功耗與待機(jī)時間,模擬并分析電池電量耗盡后再充電對無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)可能帶來的問題,并給出解決方案。該階段不僅強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生“問題分析和研究”方面的能力,同時要求學(xué)生在報(bào)告中列舉系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題,以及該問題可能給項(xiàng)目甲方和乙方帶來的影響,結(jié)合如“大眾汽車排放造假”等案例,說明工程師所要遵從的“職業(yè)規(guī)范”。

(6) 驗(yàn)收/結(jié)題。引導(dǎo)學(xué)生從烏魯木齊市區(qū)環(huán)境、資源保護(hù)等方面審視火區(qū)治理項(xiàng)目對社會、對壞境可持續(xù)發(fā)展的影響,并將其列入答辯內(nèi)容。“工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”盡管看似與研發(fā)、與技術(shù)無關(guān),但這2項(xiàng)實(shí)際卻是工程價值和意義的體現(xiàn),通過答辯環(huán)節(jié)不僅可以提高學(xué)生“溝通”方面的能力,還能加強(qiáng)學(xué)生對工程的社會意義和環(huán)境意義的理解與認(rèn)識。指導(dǎo)教師根據(jù)各組及其成員在整個實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)核定實(shí)驗(yàn)成績。

3 結(jié)語

基于“煤田火區(qū)監(jiān)測項(xiàng)目”的通信電子電路綜合實(shí)驗(yàn),從《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》提出的12條畢業(yè)要求出發(fā),按照實(shí)際項(xiàng)目的開展流程組織實(shí)驗(yàn),不僅使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室就能獲得近似真實(shí)的工程經(jīng)驗(yàn),而且還有效地提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。同時,該案例也對實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有一定的借鑒意義。