測控技術與儀器專業新工科實踐教學體系構建探索

李少年 魏列江 梁金梅 王小睿

[摘 要]為了提升學生工程實踐能力和創新能力，該研究根據新工科人才培養要求，構建了包含實驗、實習、設計、科研創新課程等環節的實踐教學體系，教學內容與能源動力裝備及系統相結合，培養面向能源動力裝備及系統的測控技術與儀器專業新工科人才。

[關鍵詞]新工科;測控技術與儀器專業;實踐教學;能源動力裝備及系統

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）12-0053-03

新工科是高校培養工程人才的新要求，2017年2月以來，教育部及相關部門積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”，并且發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，推動中國工程教育變革，探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。新工科包括傳統工科專業的新模式建設和開設新工科專業。中國工程教育對新工科提出的要求主要體現在新理念、新結構、新模式、新質量和新體系這五個方面[1]。新工科同時提倡多學科的交叉與融合。

測控技術與儀器專業是機械、電子、測量與控制等多個學科知識綜合以及現代傳感技術、計算機技術和精密機械制造等多種高新技術交叉應用的前沿性、綜合性專業。這個專業的應用范圍較廣，畢業生可從事測控系統與儀器的產品設計、技術開發、工程應用、科學研究和運行管理等方面的工作。雖然測控技術與儀器專業是傳統工科專業，但其本身就是一個多學科交叉融合、位于科技發展前沿的綜合性專業。蘭州理工大學測控技術與儀器專業以電子、機械、測量與控制理論為基礎，與所在學院的水力機械、液壓傳動和新能源等學科緊密結合。該專業提出以能源動力裝備及系統為測控對象，測控對象明確，學科特色鮮明，具有綜合性、交叉性和前沿性的特點，與新工科建設思想不謀而合。蘭州理工大學的這個專業歷年學生就業率接近100%，有將近一半的畢業生其工作內容會涉及能源動力裝備及系統。

實踐教學可以提升學生的實踐能力，進而提高教師教學質量和學生的專業素質。新工科建設要求培養新工科人才的工程實踐能力、學科交叉能力、創新能力、自主學習能力、人文素養和社會責任等[2]。蘭州理工大學提出開展面向能源動力裝備及系統的測控技術與儀器專業新工科建設，這就需要從實踐教學的結構和內容上對實踐教學體系進行優化與細化，特別是要做好與能源動力裝備及系統測控對象相結合的問題，使其達到培養新工科人才實踐能力的要求。

一、測控技術與儀器專業新工科實踐教學體系的構建

（一）實踐教學體系

測控技術與儀器專業屬于工程類專業，除了要向學生講授專業理論知識以外，主要培養學生的工程實踐能力和創新能力。實踐能力包括基本實踐能力、專業實踐能力以及創新實踐能力三個層次。基本實踐能力主要在公共基礎課學習階段培養，學生通過對數學、物理、計算機等知識的學習，鍛煉基本的實驗操作、實驗數據分析、對自然科學與工程技術基本原理進行驗證的能力。專業實踐能力要求學生能夠以傳感器、測試理論、精密機械、工程光學、微機原理、自動控制等專業課程知識為基礎，掌握測量、控制、儀表、誤差處理等方面的專業綜合實踐能力。創新實踐能力則要求學生在前兩個能力的基礎上進一步拓展，通過專業課程的學習，能夠掌握測控系統與儀器的分析、設計、制造、維護、回收等相關步驟的操作，擁有分析、解決復雜工程問題的系統思維能力[3-4]。

我們根據測控技術與儀器專業人才培養目標與要求和實踐課程教學大綱的相關規定，構建了完善的以“驗證型—綜合設計型—研究創新型”為架構的三層次實踐教學體系。其具體環節包括課內實驗、獨立授課實驗、課程設計、實習、科研創新訓練課和畢業設計等環節，工程實踐與畢業設計總學分符合工程教育專業認證通用標準的學分比例要求[5-6]。

測控技術與儀器專業的實踐教學充分利用校內外實習單位的各種實踐資源，培養學生的工程意識、協作精神以及綜合運用所學知識解決實際問題的工程實踐能力與創新能力，提高學生的綜合素質，以適應測控行業對專業人才的多層次需求。

（二）主要實踐環節及其對學生實踐能力的培養

1.實驗課程

實驗課程可以讓學生更好地理解消化所學的理論知識，本專業的實驗課程包括課內實驗和獨立授課實驗。課內實驗指理論課程中間安排的實驗，比如傳感器原理及應用實驗、光電檢測技術實驗、智能儀表原理與設計實驗、測控電路實驗等。電類實驗需要學生搭建電路、測量電路參數;流體力學和液壓傳動相關實驗需要學生觀察并記錄流體的壓力、流量等過程參數，通過分析得到相關的實驗結論。而獨立授課實驗則為獨立開設、獨立考核的實驗課程，比如大學物理實驗、流體控制工程實驗。

要根據學生學習的興趣和特長，圍繞課程體系結構，開發綜合性、設計型和創新型實驗項目。教師在教學中要以學生為主體，充分發揮學生的主觀能動性，在項目中做好輔助和指導，設計合理的目標和技術路線。學生要提前預習，自行設計實驗的具體方案，進行實驗操作并得到實驗結果。

基礎課程實驗在開課學院的實驗室進行，專業基礎課和專業課的實驗在本專業的實驗室進行。蘭州理工大學能源與動力工程學院目前的實驗室有測控技術綜合實驗系統、流體控制工程實驗臺、光電傳感器綜合實驗儀、測控電路實驗臺、電液控制放大器及系統實驗平臺等，另有一些相關的檢測器件，可以保證實驗的正常開課。

2.課程設計

課程設計是課程教學的深化和延伸，也是進行專業實踐能力訓練的主要方式之一，對引導學生學習綜合知識、培養其知識運用能力和提高其工程實踐能力起著十分關鍵的作用。根據蘭州理工大學測控技術與儀器專業課程設置，學生需要完成四個課程設計，即電子技術課程設計、微機原理及應用課程設計、精密機械課程設計、傳感器原理及應用課程設計。這四個課程設計所歸屬的課程群各不相同。前兩個在基礎課程學習階段進行，主要培養學生對電子電路和微機系統的分析、設計能力。精密機械課程設計屬于機械模塊課程，培養學生的精密機械設計能力，完成設計對象的相關計算、標準的選用和機械圖的繪制。傳感器原理及應用課程設計培養學生掌握傳感器及其處理電路設計的方法和步驟。通過課程設計這個環節，學生能夠系統鞏固和運用所學的理論知識，提高文字編寫、文獻查閱、繪圖和計算能力。

3.實習環節

實習環節是學生接觸測控技術與儀器專業相關企業、鞏固和拓展專業理論知識、培養實踐能力的重要途徑，在學生綜合能力培養方面具有不可或缺的作用。在新工科專業建設過程中，尤其應注重教學環節與生產實踐的結合。根據專業人才畢業要求，測控技術與儀器專業的實習包含校內實習和校外實習兩大部分[7]。

校內實習為金工實習，主要內容為與機械制造相關設備及其工藝相關的訓練，訓練環節包括車、鉗、銑、刨、磨等工種。校外實習有生產實習與畢業實習兩類。

生產實習是在學生完成電路分析基礎、模擬電子技術、數字電子技術等專業基礎課學習后進行的。由企業具有豐富實踐經驗的工程技術人員與學校指導教師共同負責指導。實習內容分為兩部分：一部分是工廠生產線的參觀學習;另一部分是針對實習單位的產品進行電路分析、故障檢測與排除，練習電路板的手工焊接技能，彌補理論教學中存在的不足。通過實習，學生能夠聯系生產實際獲取電子電路設計、制造、試驗、故障診斷等方面的相關知識。

畢業實習是在學生完成全部理論課程學習后進行的。通過在相關企業或者企業相關測控產品生產線的實習，學生可以全面、系統地學習測控技術與儀器在生產中的應用，了解生產管理經驗，為畢業設計奠定基礎。

學生在實習過程中可以了解相關行業規范和標準，思考測控系統與儀器設計的實踐和解決方案對健康、安全、經濟、文化及倫理的影響，理解測控技術與儀器領域實踐對環境保護、社會可持續發展的影響和意義，學會在實踐中遵守職業道德和規范，履行職業責任和義務。

4.科研創新訓練課

科研創新訓練課程是測控技術與儀器2017版培養計劃新增課程，屬于創新與創業教學模塊課程。這個專業在本科第三學期將學生分為幾個指導小組進入教師課題組。采取小組討論的教學方式，除了開展科研項目研究以外，還對學生的科研創新進行指導，推薦其優秀作品參加各類科研創新競賽。其教學過程踐行創新理念，培養知識基礎扎實、動手能力強、創新意識強的高素質測控技術與儀器專業人才。

5.畢業設計

畢業設計的基本目的是要求學生綜合運用所學基礎理論、專業知識和基本技能，提高分析和解決實際問題以及從事科學研究的能力，培養學生的刻苦鉆研精神和認真負責、實事求是的科學態度，得到測控工程師的實際訓練。畢業設計是大學實踐教學環節的總結和提高，是學生畢業找工作和今后發展的基礎和起點， 對于測控技術與儀器專業來說非常重要。畢業設計要求學生就選定的課題進行工程設計和研究，經過方案設計、原理設計、硬件設計、軟件設計、調試等環節，最后完成實物產品制作。每位學生獨立負責部分模塊，最后所有模塊形成一個整體。

蘭州理工大學測控技術與儀器專業的畢業設計以測控系統或者測控儀器設計為主要內容，題目要符合專業培養目標和教學要求，主要來源于生產實踐和科學研究，能夠與科研和生產實際相結合，反映現代科學技術發展水平，體現本專業工程能力的訓練水平，使學生得到比較全面的綜合訓練。歷年的測控技術與儀器專業本科生畢業設計都屬于工程實踐類選題。

2017年，測控技術與儀器專業開展畢業設計一年制改革，學生按照科研訓練課程分組。學生第六學期在導師課題組結合科研項目下發的設計任務做好基礎準備與前期設計工作，第七學期在上課的同時也做畢業設計，第八學期進入集體設計階段。自實行畢業設計一年制以來，學生的畢業設計質量得到明顯提升。在完成畢業設計過程中學生不僅僅能夠全面運用所學知識，還能夠為日后融入相關行業奠定基礎。

二、實踐教學內容與能源動力裝備及系統的結合情況

蘭州理工大學測控技術與儀器專業提出以能源動力裝備及系統為測控對象，在理論教學和實踐環節開展過程中，將教學內容與能源動力裝備及系統知識相結合，讓學生得到相關基礎知識的學習和創新能力的鍛煉。

實驗課程，比如流體控制工程實驗、工程流體力學實驗，其實驗內容涉及溫度、壓力、流量等熱功量的測量與控制。

課程設計中的傳感器原理及應用課程設計，安排有能源動力裝備及系統用到的傳感器設計與應用知識，有助于培養學生設計其相關檢測器件的能力。精密機械課程設計的內容為二級精密檢測裝置和其他精密機械系統，屬于能源動力轉換元件。

畢業實習主要在傳感器、半導體、試驗機和機床等五類單位進行，這五類實習單位各有特點，涉及機械、電子、儀表等學科，實習內容所涉及的知識符合測控技術與儀器專業人才培養要求。

傳感器公司的主要產品是多種流體工程領域用的壓力傳感器和變送器，從擴散硅芯片、注油芯體到各類傳感器電路、變送器電路、控制器、顯示模塊等產品，生產過程完整，學生可以看到整個傳感器的生產工藝流程以及測試和試驗流程，能夠對各類壓力傳感器的關鍵生產設備和工藝有較深入的認識，為接下來的畢業設計和工作后的進一步學習打下較好的基礎。

半導體公司的主要產品為半導體集成芯片，學生身穿防靜電服進入對環境要求嚴格的芯片生產車間，對典型芯片生產的切片、涂膜、光刻、測試、封裝等工藝進行實習，能夠加深對半導體知識的理解。另外還到泵站芯片生產的泵站及其系統處實習。

所安排的實習單位試驗機廠是我國材料試驗機和力學試驗機的主要生產廠家。實習內容為微機控制電液伺服試驗機的液壓伺服控制系統的組成，電液伺服閥動、靜態指標，壓力的測量，傳感器的選用，壓力信號的傳輸，控制信號的類型，常用的上位機應用程序開發軟件等，測控對象、工作任務明確。

機床廠的主要產品為多種常用機床和液壓機械，學生在機床生產線實習，學習各個工藝過程，主要內容包括液壓機械組成、工作原理、信號的檢測方法、傳感器的選用等。

測控技術與儀器專業自創建以來，學生畢業設計的選題多數來自教師的科研項目，涉及液壓傳動、流體機械、流體參數測量、生物質能和風力發電系統等相關測控技術，與能源動力裝備及系統測控對象結合最為緊密。比如能源方面的題目有“太陽熱能與生物質能互補供能系統的壓力測控系統設計”“太陽能電池板自動跟蹤系統設計”“風機外場特性測試系統設計”等，流體機械和液壓傳動方面的題目有“電液伺服閥靜態性能測試系統的設計”“氣液兩相流泵試驗臺分布式測控系統設計”“基于RS485總線的液壓泵性能試驗臺監控系統設計”等，流體參數測量方面的題目有“人工心臟瓣膜返流量微機測試系統”等。指導教師要求嚴格，學生工作量飽滿，通過畢業設計的訓練，學生對于能源動力工程領域的測控技術有了一個全面的了解。

蘭州理工大學測控技術與儀器專業的實踐教學內容與能源動力裝備及系統結合較為緊密，學生在學習測控專業知識的同時，對于能源動力裝備及系統方面的基礎知識與應用知識也有深入的認識，能夠實現測控技術與儀器專業知識與能源動力裝備及系統學科知識的交叉融合。

三、結語

測控技術與儀器專業是一個多學科交叉融合、與科技發展進步聯系密切的綜合性專業。為了培養更多優秀的測控專業人才，蘭州理工大學以工程實踐能力和創新能力培養為主線，構建測控技術與儀器專業的實踐教學體系。其教學內容與測控對象能源動力裝備及系統相結合，所構建的實踐教學體系能夠有助于培養具有較強的工程實踐能力、學科交叉能力、創新能力、自主學習能力的新工科人才。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 陸國棟，李拓宇.新工科建設與發展的路徑思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[2] 王駿飛，許萍，那麗.地方本科高校新工科人才培養模式研究[J].高教學刊，2019（17）：163-165.

[3] 韓芳芳，劉麗娜，張寶峰，等.加強實踐教學提高學生綜合能力：關于測控技術與儀器本科專業實踐教學環節設置的探討[J].大學教育， 2014 （7）：109-110 +133.

[4] 李麗娜.測控專業關鍵實踐教學環節的探索[J].大學教育，2016（1）：123-124.

[5] 王鵬.測控技術與儀器專業實踐教學體系建設的探討[J].時代農機，2017（8）：182.

[6] 李政清.測控技術與儀器專業實踐教學環節改革的探討[J].現代經濟信息，2019（5）：431+434.

[7] 萬里冰，齊紅元.改進測控技術與儀器專業生產實習的思考與實踐[J].大學教育，2018（8）：67-69.

[責任編輯：龐丹丹]