基于案例引導和項目驅動的檢測技術與自動化裝置方向專業學位研究生工程實踐課程建設

胡永輝 閆勇 錢相臣 張文彪

摘? 要：工程實踐能力的培養是專業學位研究生教育的核心，建設工程實踐類課程是提高專業學位研究生培養質量的重要舉措。文章探討了基于案例引導和項目驅動相結合的“先進測量系統工程實踐”課程建設與教學方案，利用精心設計的綜合性案例進行工程知識和實踐技能的教學，同時以工程研發項目驅動實踐過程。教學實踐表明，該教學模式能夠激發學生學習的積極性和主動性，培養學生綜合運用所學知識處理工程問題的實踐動手能力，取得良好的教學效果。

關鍵詞：專業學位;工程實踐;案例教學;項目驅動教學

中圖分類號：G640? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）05-0074-03

Abstract： The development of practical engineering skills is essential for the education of students pursuing professional master's degrees. An important measure to improve the quality of education is to develop engineering practice courses. This paper discusses the case study based and project-driven teaching methodology for the course entitled "Engineering Practice of Advanced Measurement Systems."Comprehensive industrial case studies were specially selected to teach engineering knowledge and practical skills. Meanwhile， engineering practices are driven by research and development projects. Teaching practices prove that the methodology employed can stimulate students' interest and enthusiasm， help them develop ability to solve practical engineering problems by exploiting extensive knowledge， and therefore achieve the learning outcomes.

Keywords： professional degree; engineering practice; caseteaching; project-driven teaching.

一、概述

專業學位研究生教育是我國研究生教育體系的重要組成部分，其目標是培養具有較強的專業能力和良好的職業素養、能夠創造性地從事實際工作的高層次應用型專門人才，以適應國家社會經濟發展的需要。與學術型研究生教育相比，專業學位研究生教育注重工程實踐能力和創新能力的培養，這體現在課程學習、專業實踐和學位論文三個培養環節中[1]：課程設置以行業需求為導向，強調專業基礎、工程能力和職業發展潛力的綜合培養，注重發揮在線教學、案例教學和實踐教學的協同優勢;專業實踐依托企業、聯合培養基地或校內導師承擔的應用型科研課題，面向專業領域的實際應用需求，開展技術開發、工程設計和規劃管理等工作，鍛煉運用專業知識分析問題、解決問題的能力，提高實踐創新思維和工程思維;學位論文選題來源于生產實際或具有明確的工程背景，可以采用調研報告、產品開發、案例分析等多種形式，評價標準以應用價值、經濟或社會效益為核心。

然而，由于我國自2009年起才開始進行全日制專業學位研究生教育，大部分高校還尚未建立起一套健全的實踐能力培養體系，在課程設置、教學模式、研究課題、導師指導、學位論文等方面趨同于學術型培養模式，造成專業學位研究生缺乏工程實踐經驗，無法滿足社會對高層次應用型人才的需求。具體來講，我國專業學位研究生實踐能力培養中存在的主要問題表現為[2]：1. 專業型與學術型研究生采用同樣的課程體系，缺乏工程實踐類課程，教學內容偏重于理論知識，授課方式以填鴨式講授為主，因此課程教學環節未體現理論與實際相結合，無法提高學生利用專業知識分析、解決實際問題的能力;2. 校內導師缺乏在企業一線從事產品研發或技術改造的工程實踐經驗，而企業導師對研究生進行工程實踐指導的積極性與參與度不高，另外，高校對教師的考核主要以學術成果為依據，致使專業學位研究生的研究課題與培養過程學術化傾向明顯;3. 企業與高校缺乏統一的合作目標，難以建立長期、穩定的校外實踐基地或校企聯合實踐基地，學生在校外基地的實踐活動無法得到校內導師或學校管理部門的有效監督，人才培養質量得不到保障。

針對上述部分問題，華北電力大學控制與計算機工程學院面向控制工程領域全日制專業學位研究生開設了“先進測量系統工程實踐”課程，以加強在課程學習階段的實踐創新能力培養。該課程依托“檢測技術與自動化裝置”二級學科，圍繞測量系統設計研制所需專業知識與實踐技能精選教學內容，采用案例引導和項目驅動相結合的教學方法[3]，以教師講授、課堂討論、學生實踐相結合的方式組織課堂教學，以項目任務完成情況為主要考核依據，使學生體驗完整的項目開發流程，引導學生建立工程思維，培養學生綜合運用所學知識處理實際工程問題的實踐動手能力。本文結合作者近年來的課程建設和教學實踐，介紹該課程在教學內容、教學方法等方面的改革與探索，以期為相關課程的建設提供可借鑒的經驗。

二、課程規劃與教學內容

“檢測技術與自動化裝置”學科研究被控對象的信息獲取、轉換、傳遞與處理的理論、方法和技術，是一門以應用為主、理論與實踐緊密結合的綜合性學科。該專業方向的研究生主要來自于自動化、測控技術與儀器等本科專業，具備由電子技術、傳感器技術、計算機技術、控制理論、信號與信息處理技術構成的知識體系。然而，由于在本科階段上述知識體系被割裂為多門獨立課程進行教學，學生往往無法對本學科知識進行融會貫通與綜合應用。為此，“先進測量系統工程實踐”課程的教學目標設定為以案例和項目實施為主線，將本學科的基礎理論與專業知識串聯起來，通過案例講解、操作演示和項目實踐使學生掌握測量系統的分析、設計與研制能力。

本課程按照測量系統的研制流程和信號流向分為8個教學單元，如表1所示。第1單元進行測量系統案例和研發流程的總體介紹，使學生對本課程所涉及的專業知識以及擬開展的項目實踐具有總體的認識和把握;第2單元涉及電子電路分析與設計技術，使學生認識常用電子元器件，掌握交直流電路、電源電路、放大和濾波電路的分析與設計方法;第3單元有關傳感器及其信號調理電路，要求學生掌握常用傳感器信號調理電路的設計方法;第4單元介紹印制電路板（PCB）的基礎知識與設計規范，要求學生使用Altium Designer軟件完成電路原理圖和PCB的設計;第5單元有關電子線路焊接與調試，要求學生使用焊接工具及常用電子測量儀表完成電路板的組裝和調試;第6單元為嵌入式系統設計與開發，采用單片機開發板完成傳感器信號的采集與傳輸;第7單元為數字信號處理與測量軟件設計，學生在上位機使用Visual C#編程語言完成測量數據的接收、存儲與在線處理;第8單元為實驗測試與項目報告，學生對所研制的測量系統開展測試評估，并撰寫項目研制報告。本課程以本科階段的多門專業課為基礎，涉及知識面廣、應用性強，有利于培養學生的綜合實踐能力。

在教學內容的選擇上，本課程主要以工程案例為引導介紹相關的工程知識與實踐技能，而非本科階段所學理論知識的重復或深入，從而使學生充分領悟理論知識如何在工程項目中進行應用以及實際工程問題的復雜性。例如，在講授運算放大器時，首先簡要回顧理想運算放大器的特性、分析方法與典型電路，然后結合案例講解實際運算放大器的靜態和動態性能指標、噪聲、穩定性、芯片數據手冊、芯片選型，以及進行PCB設計時的注意事項等內容。由于相關的實踐知識較為瑣碎且課時有限，課堂教學注重知識框架的構建與重難點的講解，同時精選了較多的技術資料用于學生自學與查閱。

三、教學方法

如表1所示，本課程采用教師講授與學生實踐相結合的教學模式，其中教師講授采用案例引導式教學方法，而學生實踐以實際項目為驅動，二者同步進行且各占一半學時，從而使學生能夠將學到的工程知識與實踐技能及時應用于項目實踐，并鞏固和強化對工程知識的理解和實踐技能的掌握。

（一）工程案例教學

本課程選取典型測量系統案例作為主線，講授案例中各組成部分的原理和實現方法，將零散的教學內容凝聚起來，從而構成一個完整的教學體系。通過具體案例，將抽象的工程知識與實際系統有機結合，學生能夠充分了解所學知識的內涵、目的和意義，從而有效提高其學習興趣和學習動力。

基于實際工業測量系統和教師科研成果，設計了若干貫穿整個教學過程的綜合性案例，如基于光散射的粉塵濃度測量系統、基于靜電感應的傳動帶振動測量系統等，覆蓋常規測量系統研制所需工程知識，并將案例中重復的知識點合并講解。綜合性案例不僅具有完整的軟、硬件設計文件和實際系統，還編寫了關于方案論證、知識點解析、實驗測試等內容的講義，從而使學生能夠完全掌握案例的分析、設計與實現方法。此外，為了幫助學生強化對特定知識點的掌握，根據美國模擬器件（ADI）公司的參考設計[4]、美國國家儀器（NI）公司的Measurement Studio例程、開源科學計算庫Math.NET、開源圖形控件ZedGraph等網絡資源以及教學開發板光盤資料建成了內容豐富的知識點案例庫，學生可在本課程項目研制以及今后科研、工作中自學和參考。

測量系統研制涉及較多的工具設備、儀器儀表和設計軟件，通過教師講授、教學視頻播放、實際操作演示等途徑進行教學，使學生獲得直接經驗，快速掌握各種研發工具的使用方法和技巧。

（二）工程項目實踐

為了使學生將學習的工程知識應用于實踐、強化工程意識、提高實踐動手能力、培養團隊合作精神，要求學生以小組為單位開展測量系統項目研制。學生在項目任務驅動下開展文獻調研、總體方案設計、硬件電路設計、軟件程序設計、實驗測試并撰寫項目研制報告。實際研發項目能夠充分調動學生學習的主動性，促使學生在項目實施中學會運用理論知識分析和解決實際問題。

在課程初期，學生在教師指導下分為多個小組，并確定研制項目，項目選題應涵蓋主要教學知識點，可以在項目題庫中選擇，也可以根據研究課題自主確定。之后各小組按照案例教學進度同步開展項目研制，達到即學即用、學有所用的目的。在項目實施過程中，以學生為主體，充分發揮其主動性和創造性;教師主要起引導和組織作用，以啟發式、互動式和探究式教學方法，培養學生在實踐中自主學習、自主研究的習慣和能力。例如，針對學生在項目實踐中遇到的各種實際問題，引導學生利用教學案例、搜索引擎、技術論壇、社交媒體等途徑自主解決。

為了便于學生開展工程實踐，為每個項目團隊配備了一套完整的開發工具箱，包括焊接工具、測量儀表、教學開發板等，并給予一定額度的研制經費，用于購置電子元器件和加工PCB。此外，由于總課時有限，本課程每周開1次課，總共16周，從而保證學生在課外具有足夠的項目研制時間，課程結束時能夠基本完成項目研制。

（三）考核方式

本課程采取過程考核與終期考核相結合的方式。過程考核主要考察學生在項目實施過程中的參與度以及對項目目標的完成所做的貢獻;終期考核由項目匯報、實物演示、答辯三個環節構成，以項目完成度為主要依據考察學生工程實踐能力的掌握情況。為使考核結果客觀公正，采取教師打分和學生互評相結合的評價模式。

四、結束語

“先進測量系統工程實踐”課程以實際項目為載體，用完整的工程項目貫穿學科知識點，將工程知識與實踐技能滲透于項目案例中，學生通過直接參與并完成項目研發任務，培養學科知識的綜合應用能力和從事相關領域工作的工程實踐能力。教學實踐表明，案例引導和項目驅動相結合的教學模式能夠激發學生的學習興趣，充分調動其積極性、主動性和創造性，增強專業理論與工程實踐之間的聯系，培養學生分析和解決實際工程問題的能力，是一種行之有效的工程實踐類課程教學方法。

參考文獻：

[1]李鵬.專業學位研究生實踐能力構成及提升路徑[J].繼續教育研究，2018（10）：107-110.

[2]杜艷秋，李莞荷，王頂明.全日制專業學位研究生實踐教學存在的問題與對策——基于專家訪談結果的實證分析[J].研究生教育研究，2017，2：69-74.

[3]陳光勝，麥云飛，白國振.“案例”和“項目”雙驅動的《PLC原理與應用》課程教學改革實踐[J].教育教學論壇，2016（7）：95-96.

[4]Reference Designs， Design Center， Analog Devices[EB/OL].https：//www.analog.com/en/design-center/reference-designs.html.（accessed July 26， 2019）