案例式教學(xué)在“精密測試技術(shù)”中的實踐

李仙麗， 張逸群， 馬 娟

(西安電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

0 引言

“精密測試技術(shù)”屬于信息科學(xué)的范疇，與計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)構(gòu)成完整的信息技術(shù)學(xué)科，是在“自動控制原理”、“信號分析與處理”等先修課程基礎(chǔ)上，面向測控技術(shù)與儀器、控制科學(xué)與工程、機械制造及自動化等專業(yè)開設(shè)的一門重要的綜合性專業(yè)核心課[1～3]。本課程的目的是使學(xué)生系統(tǒng)掌握各種測試系統(tǒng)中涉及到的傳感器原理與應(yīng)用方法、信號分析處理方法以及能夠組建完整的測試系統(tǒng)、分析和處理工程測試系統(tǒng)中的實際技術(shù)問題，這些內(nèi)容在過程控制、質(zhì)量檢測、故障診斷、模態(tài)分析等方面應(yīng)用極其廣泛[4]。因此，“精密測試技術(shù)”這門課對于自動控制、機械制造業(yè)的信息化和創(chuàng)新型、綜合性、適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展人才培養(yǎng)中發(fā)揮著及其重要的作用。

“精密測試技術(shù)”課程內(nèi)容涉及傳感、電工電子、控制技術(shù)、信號分析與處理、機械等多學(xué)科知識，是一門面向應(yīng)用、具有很強的實踐性與綜合性的課程。如果采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生將處于被動接受知識狀態(tài)，缺乏興趣和學(xué)習(xí)積極性，無法理論聯(lián)系實際。實踐教學(xué)則受到實驗條件的限制難于接近工程實際。

1 教學(xué)案例選擇路

案例式教學(xué)起源于哈佛大學(xué)的情景案例教學(xué)課，是指教師根據(jù)教學(xué)要求，設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)案例，組織學(xué)生針對案例內(nèi)容，運用所學(xué)知識進行思考、分析和討論，從而提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力[5～7]。案例式教學(xué)法采取在實踐中學(xué)習(xí)的方式，可以最大程度調(diào)動學(xué)生的主動學(xué)習(xí)熱情和實踐能力。案例式教學(xué)的核心在于教學(xué)的案例選擇，案例選擇合適，教學(xué)過程中學(xué)生的積極性高，教學(xué)效果就會事半功倍；案例選擇不當(dāng)，則事倍功半，無法體現(xiàn)案例式教學(xué)的優(yōu)勢。目前教材中的教學(xué)案例大部分知識點單一，且較為陳舊，脫離當(dāng)前工程實際，難以引起學(xué)生興趣。因此，如何選擇合適的案例是主要教改內(nèi)容之一。

針對該教改內(nèi)容，本文對課程大綱內(nèi)涉及的案例進行了選擇，新的案例設(shè)計內(nèi)容涵蓋無人駕駛汽車、紅外熱像儀體溫篩查系統(tǒng)、智能手機觸屏以及指紋識別技術(shù)等，均是具有一定前沿性、創(chuàng)新性且具有較強工程應(yīng)用背景的工業(yè)案例，每個案例對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容如下所述：

1)精密測試技術(shù)概論

這部分包括測試系統(tǒng)的概念及分類、測試技術(shù)的主要應(yīng)用、發(fā)展方向和前景，以及測試系統(tǒng)構(gòu)成、性能指標分析。課時安排總計4課時。涉及的案例有：

案例1：無人駕駛汽車案例-測試系統(tǒng)的應(yīng)用；

案例2：實驗室展開天線形面測量系統(tǒng)案例-測試系統(tǒng)的構(gòu)成。

半夜兩點，妻子從別墅的二層走到一層客廳，看到丈夫還在跟一幫賭友玩牌，就對他們說：“聽著，能不能讓我在自己的房子里安安靜靜地睡一會兒？”丈夫說：“輕點，親愛的，現(xiàn)在這已經(jīng)不是我們的房子了……”

2)傳感器原理及應(yīng)用

這部分內(nèi)容包括電阻、電容、電感、壓電、超聲、紅外、光電傳感器的工作原理及其應(yīng)用，課時安排總計16課時。涉及的案例有：

案例1：數(shù)字式體重秤實現(xiàn)案例-電阻應(yīng)變傳感器；

案例2：智能家居(智能電飯煲、智能空調(diào)、智能垃圾桶等)系統(tǒng)實現(xiàn)案例-電阻熱效應(yīng)等傳感器；

案例3：汽車倒車雷達系統(tǒng)、醫(yī)用B超系統(tǒng)實現(xiàn)案例-超聲波傳感器；

案例4：智能手機觸屏以及指紋識別技術(shù)實現(xiàn)案例-電容式傳感器；

案例5：紅外熱像儀體溫篩查系統(tǒng)實現(xiàn)案例-紅外傳感器；

案例6; 智能機器人感官觸摸系統(tǒng)實現(xiàn)案例-壓電式傳感器；

案例7：非接觸式鐵軌在線探傷系統(tǒng)實現(xiàn)案例-電渦流式傳感器；

案例8：工業(yè)產(chǎn)品在線計數(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)案例-光電、磁電式傳感器。

3)測試信號處理及分析

主要內(nèi)容包括測試信號的時域和頻域描述方法、測試信號的處理方法(包括數(shù)字信號處理方法、自相關(guān)分析法、隨機信號統(tǒng)計法等)，課時安排總計6課時。涉及的案例有：

案例1：汽車變速箱故障頻率點監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)案例-互功率密度函數(shù)法；

案例2：輸油管道泄漏點監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)案例-自相關(guān)分析法；

案例3：利用Matlab的數(shù)字濾波器分析醫(yī)用心電圖信號-窗函數(shù)。

4)計算機測試系統(tǒng)的組成

教學(xué)內(nèi)容主要包括：A/D、D/A、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、各種通訊接口技術(shù)以及計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)、虛擬儀器設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)化測試儀器設(shè)計。課時安排總計4課時。涉及的案例為基于分布式光纖光柵的天線形面變形監(jiān)測系統(tǒng)，屬于本實驗室的科研產(chǎn)出，可以讓學(xué)生現(xiàn)場參與實驗設(shè)計。

2 案例教學(xué)內(nèi)容設(shè)計示例

案例式教學(xué)的難點和重點就在于合理高效的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。本文以紅外輻射溫度傳感器為例，設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容安排如表1所示。

表1 紅外輻射溫度傳感器教學(xué)內(nèi)容安排

上課之前，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布紅外熱像儀體溫篩查系統(tǒng)的教學(xué)案例(如圖1所示)，讓學(xué)生對案例有所了解，便于課堂互動。課堂的授課首先是案例的提出，就案例產(chǎn)生的結(jié)果提出問題，案例呈現(xiàn)可以通過多媒體和動畫演示等方式，啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生積極加入案例分析中來。

圖1 外熱像儀體溫篩查系統(tǒng)的教學(xué)案例

其次，教師將紅外輻射相關(guān)的理論知識串接到案例剖析過程中，主要包括紅外輻射三大定律普朗克定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律和維恩位移定律，并引導(dǎo)學(xué)生采用Matlab等相關(guān)軟件基于普朗克定律繪制出不同溫度下，物體的自發(fā)輻射功率、輻射波長與物體的溫度之間的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。圖中，橫軸是輻射波長，縱軸是輻射功率。從圖中可以看出，物體的自發(fā)輻射功率與物體的溫度呈一定比例關(guān)系。基于該數(shù)學(xué)關(guān)系，設(shè)計得到紅外熱輻射體溫篩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(如圖3所示)。

圖2 物體的輻射功率與自身溫度的關(guān)系

圖3 外熱像儀體溫篩查系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 案例教學(xué)考核評價改革設(shè)計

在教學(xué)方法上，實施案例式教學(xué)方式后，在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)教學(xué)目標和內(nèi)容的需要，運用具體的事例組織學(xué)生自主進行學(xué)習(xí)、研究，分組協(xié)作、交流、討論。考核方式上，采用案例過程考核和綜合測試、期末考試相結(jié)合的方式，具體如表2所示。其中，案例學(xué)習(xí)表現(xiàn)主要考察案例過程的交流討論次數(shù)、內(nèi)容和主觀表現(xiàn)。綜合測試采用雨課堂等PPT插件完成隨機抽取的測試題，測試題主要為客觀題。期末考試則采用試卷考核方式。

表2 考核項目及分值

4 結(jié)語

本文作者已經(jīng)在2020年3月至2020年6月疫情期間網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中做過一學(xué)期案例式教學(xué)方式的嘗試和探索，教學(xué)效果良好，學(xué)生興趣濃厚，在教師指導(dǎo)下學(xué)生自主在家里完成了基于OpenMV的PID算法精密控制云臺、感光燈電路設(shè)計、快件尺寸光電檢測系統(tǒng)等設(shè)計，學(xué)生評教滿意度達98%。

案例式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學(xué)方法不僅與實踐緊密結(jié)合，可以引起學(xué)生興趣，而且可以促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)、探索性學(xué)習(xí)。學(xué)生不僅能自主開展課程學(xué)習(xí)，還可以與同學(xué)進行分組協(xié)作學(xué)習(xí)，就案例進行交流、討論等。因此，這種教學(xué)方法特別適合應(yīng)用基礎(chǔ)型和實踐基礎(chǔ)類課程，例如“精密測試技術(shù)”這門課，通過這種新型教學(xué)方式和組織、實施方式，在學(xué)習(xí)知識夯實專業(yè)基礎(chǔ)的同時，更能鍛煉和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與思考、積極創(chuàng)新與發(fā)展、團隊協(xié)作與協(xié)調(diào)等能力。